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        短玻纖增強復合材料RHCM注塑件纖維取向的數(shù)值模擬

        2017-02-28 20:48:58李姣孟昭興張榮芳孟維云
        大陸橋視野·下 2016年11期
        關鍵詞:數(shù)值模擬

        李姣++孟昭興+++張榮芳+++孟維云

        【摘 要】本文使用Moldflow系列產(chǎn)品MPI模塊對聚合物基短玻纖維增強復合材料的快速熱循環(huán)注塑(RHCM)成型進行數(shù)值模擬分析,通過對熔體充填、流動過程的模擬計算,能夠有效的地預測纖維取向和分布情況,得到RHCM注塑過程中模具溫度對纖維取向的影響,為得到高質量高性能的纖維增強復合材料注塑制品提供可靠的依據(jù)。

        【關鍵詞】快速熱循環(huán)注塑;玻璃纖維增強ABS;數(shù)值模擬;模具溫度

        引言

        將動態(tài)模溫控制方法應用到注塑成型中形成的快速熱循環(huán)注塑技術(RHCM)[1,2],能夠在熔體注射前快速加熱模具,使模具型腔保持在較高的溫度,然后型腔中注射塑料熔體。料流分析軟件MoldFlow中的MPI/Fiber模塊是專門用于纖維增強復合材料注塑成型過程的模擬分析。它是在MPI/Flow即常規(guī)流動分析的基礎上,進一步預測復合材料熔體和制件中纖維的取向。目前對RHCM注塑成型得到的纖維增強制品內(nèi)部纖維取向方面的研究較少[3,4]。為此,本文利用該模塊在計算機上模擬分析整個注塑過程,預測熔體在模具內(nèi)部的充填、流動、保壓和冷卻情況,對模具或制件的結構設計起到指導作用。

        1.注塑成型有限元建模

        本文選取的模型是根據(jù)快速熱循環(huán)注塑工藝要求和ASTM試驗標準,設計的包含有標準沖擊、彎曲和沖擊的試樣,同時將每種模型設計成單澆口和雙澆口注塑成型兩組,在三維造型軟件UG中造型,得到模具型腔、澆注系統(tǒng)及試樣結構。通過接口程序Moldflow Design Link,簡稱MDL,將CAD模型讀入Moldflow,在Moldflow中進行網(wǎng)格劃分及修復,修復之后網(wǎng)格劃分模型及澆注系統(tǒng)分別如圖1和圖2所示。

        2.工藝條件的設定

        在Moldflow中設定材料為短玻纖維增強ABS,纖維含量為20%。選定注塑機中注塑機最大注射速率為5000cm3/s,模具溫度分別設置為60℃,120℃,160℃三個其它成型工藝參數(shù)設定實際快速熱循環(huán)注射成型時的數(shù)值,列其具體情況如表1。

        3.注塑過程的模擬實驗及結果分析

        為研究快速熱循環(huán)技術下可控的模具型腔表面溫度對制品內(nèi)部纖維取向的影響,在Moldflow中分別設定模具溫度為60℃、120℃、160℃,進行充填模擬。對三種模具溫度下的單澆口標準彎曲試樣模型,在試樣長度方向的中間截面沿厚度方向平均取12個測試點,對各個點處纖維取向張量進行記錄,得到圖3沿單澆口標準彎曲試樣厚度方向的纖維取向張量路徑圖。

        從圖3可以看出,在不同模具溫度下,沿試樣厚度方向的纖維取向呈明顯的層狀分布。在靠近型腔壁面,有一個取向程度較低的很薄的層,即表層??拷韺拥囊欢ê穸确秶鷥?nèi),纖維出現(xiàn)較高程度的取向,而在中心部位,纖維取向程度較低。纖維取向出現(xiàn)分層結構的原因表現(xiàn)在:由于型腔壁面溫度低于復合材料熔體的溫度,當高溫熔體流入模具時,與型腔壁面接觸的一部分熔體溫度下降,流動性能降低,該部分熔體凝結后,內(nèi)部纖維縱橫交錯,基本沒有規(guī)則,形成一個纖維取向程度較低的薄殼層;之后,在薄殼層內(nèi)部流動的熔體會受到薄殼層的剪切作用,復合材料熔體內(nèi)部的短玻纖維在剪切力的作用下會沿著流動方向取向,形成一個較厚的高度取向層;在熔體中心部位受到的剪切作用較小,而會受到注射壓力等拉伸作用,因此中心部位熔體中纖維易沿拉伸方向取向,但是取向程度較輕。由以上分析可知,短玻纖維增強復合材料注射成型件在試樣厚度方向上形成表層-剪切層-中心層-剪切層-表層的分層結構。

        4.結論

        本文利用Moldflow料流分析軟件對不同模具溫度下的纖維增強復合材料快速熱循環(huán)注塑成型的充模過程進行了模擬研究,得到了其纖維取向分布規(guī)律,提出了試樣在厚度方向上的表層-剪切層-中心層-剪切層-表層的纖維取向分層結構,隨著模具溫度的變化,成型試樣厚度方向上不同的纖維取向層厚產(chǎn)生較大變化。通過分析不同模具溫度下試樣的纖維取向張量分布,發(fā)現(xiàn)當模具溫度升高到一定程度時,纖維取向程度明顯下降。

        參考文獻:

        [1]劉斌,趙春振. 薄壁注塑成型中的變模溫控制技術. 塑料科技,2008,36(9):44-48.

        [2]李熹平, 趙國群, 管延錦, 李輝平. 快速熱循環(huán)注塑模具加熱與冷卻過程分析及其結構優(yōu)化設計. 塑性工程學報, 2009, 16 (1): 196-201.

        [3]李熹平.快速熱循環(huán)注塑模具及工藝關鍵技術研究[D].山東大學,博士學位論文, 2011.

        [4]楊揚, 董斌斌, 劉春太. 成型溫度對纖維增強注塑熔接線拉伸性能的影響. 鄭州大學學報(工學版),2004,25 (1):102-104.

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