汪東升，劉淑梅，鄭贛，莫壯壯
上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海 201620
摘 要: 針對(duì)擠吹線纜架抗支撐能力不足、使用過程中產(chǎn)品變形量大等問題，課題組對(duì)含不同加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的擠吹線纜架在支撐載荷作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。利用UG(Unigraphics NX)軟件建立了2種擠吹線纜架的有限元模型，在受力面上設(shè)計(jì)了2種不同的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu);采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)L9(43)正交表對(duì)其主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析;仿真計(jì)算了擠吹線纜架在支撐載荷下的響應(yīng)，比較分析了2種不同模型下的應(yīng)力分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明加強(qiáng)筋的脫模斜度對(duì)產(chǎn)品變形量的影響最大，受力面加強(qiáng)筋的角度對(duì)產(chǎn)品所受應(yīng)力的影響最大。加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)為凸起結(jié)構(gòu)時(shí)更利于實(shí)際生產(chǎn)及產(chǎn)品的使用。
關(guān)鍵詞: 擠吹成型；線纜架；正交試驗(yàn)法；加強(qiáng)筋；UG(Unigraphics NX)軟件
目前，隨著吹塑成型技術(shù)的快速發(fā)展，其生產(chǎn)制件已不僅僅限于各類瓶、桶、壺等中空軸對(duì)稱類包裝容器，已經(jīng)應(yīng)用到復(fù)雜的汽車制件如風(fēng)管、注水管等工業(yè)零部件［1］。吹塑從成型方法上可以分為擠出吹塑、注射吹塑和拉伸吹塑3類，其中擠出吹塑成型技術(shù)憑借著設(shè)備造價(jià)低、操作簡(jiǎn)單、成型性能及效率高、加工方便等特點(diǎn)，占據(jù)中空吹塑成型制件的75%以上，成為主流的成型方法。基于成型特點(diǎn)，中空制品往往力學(xué)性能較差。然而大型的工業(yè)制品，對(duì)于制品的力學(xué)性能有著更高的要求。擠出吹塑成型工藝上要求壁厚不能過厚，否則會(huì)導(dǎo)致制品冷卻不充分，產(chǎn)生冷斑等現(xiàn)象，造成外觀或結(jié)構(gòu)上的缺陷;而壁厚過薄又達(dá)不到強(qiáng)度要求。這種情況下通常會(huì)對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)以達(dá)到力學(xué)性能要求，通過查閱資料及對(duì)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可知設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，可有效提高中空制品的抗壓強(qiáng)度并減少其彎曲變形［2］。目前，常見的塑料制品加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)方法主要是在受力面上設(shè)計(jì)多個(gè)凸起或凹陷的條狀結(jié)構(gòu)［3］。
課題組以擠吹線纜架為研究對(duì)象，基于線纜架實(shí)際使用要求及裝配過程設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)不同形狀、參數(shù)的加強(qiáng)筋進(jìn)行抗變形性能力學(xué)仿真，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)分析并獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果；對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，通過優(yōu)化產(chǎn)品及加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)來提高產(chǎn)品力學(xué)性能，對(duì)中空儲(chǔ)物式擠吹制品的生產(chǎn)設(shè)計(jì)具有參考意義。
01 材料與初始模型靜力分析
1.1擠吹線纜架初始模型建立與材料分析
1.1 擠吹線纜架初始模型建立與材料分析
利用UG(Unigraphics NX)軟件建立了擠吹線纜架的初始模型，如圖1所示，擠吹線纜架直徑556mm，高174mm，平均壁厚為4mm。
基于產(chǎn)品成型及使用環(huán)境要求(耐高低溫，ＲOHS等級(jí))，擠吹線纜架選用材料為Marlex® HHM 5502BN高密度聚乙烯(HDPE)，其物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示［4］。
.2 基于初始模型的靜力學(xué)分析
擠吹線纜架的使用過程中，會(huì)通過工裝貫通2個(gè)開孔，工裝通過螺絲孔鎖住b面，轉(zhuǎn)動(dòng)工裝使線纜一圈一圈地由a面孔盤入線纜架內(nèi)壁，要求線纜架的a面在線纜架滿載的條件下能夠承受500N的支撐力，如圖2所示，在使用Workbench進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，將b面與工裝接觸部位設(shè)置為固定約束，a面為受力面，施加均勻載荷，大小為500N。
使用Workbench進(jìn)行變形量的求解，如圖3和圖4所示，得到在實(shí)際使用中a面出現(xiàn)了較大變形，變形量最大處為5.48mm，應(yīng)力最大處為4.31MPa[5]。根據(jù)產(chǎn)品的使用特性，該部位為線纜裝配入口，處于受力集中區(qū)易發(fā)生斷裂，變形量較大影響裝箱運(yùn)輸及二次使用，因此需要在此區(qū)域設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)以提升其力學(xué)性能。
02 擠吹線纜架加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化
2.1 含加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的擠吹線纜架模型的建立
在吹塑成型工藝中，根據(jù)成型特性，需遵循吹塑拉伸比不超過1.2的規(guī)則來進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，即本產(chǎn)品中加強(qiáng)筋的高度要小于寬度的1.2倍，否則在產(chǎn)品吹氣成型時(shí)會(huì)導(dǎo)致壁厚太薄甚至拉伸脹破，如圖5所示。同時(shí)加強(qiáng)筋的兩邊必須加上脫模角及脫模斜度以便脫模，底部相接產(chǎn)品位置必須加上圓角以消除應(yīng)力集中現(xiàn)象［6］。結(jié)合本產(chǎn)品的尺寸及生產(chǎn)成本、成型工藝及修模難易程度等，按照?qǐng)D6中的結(jié)構(gòu)均勻分布12根加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的深度為9.27mm，長(zhǎng)度為110mm［7］。
2.2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)
基于塑料制品加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合本產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)工藝、使用要求及修模成本，以加強(qiáng)筋的寬度L、半徑Ｒ1、半徑Ｒ2、脫模斜度α共4種因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)［8］，加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖7所示。每個(gè)因素設(shè)計(jì)3水平，制作L9(43)正交表如表2所示。
2.3 方案優(yōu)化結(jié)果分析與驗(yàn)證
2.3.1優(yōu)化方案結(jié)果分析
根據(jù)L9(43)正交試驗(yàn)表分別對(duì)不同加強(qiáng)筋參數(shù)的擠吹線纜架建模及受力分析，對(duì)得到的最終變形量進(jìn)行極差分析，找出對(duì)擠吹線纜架受力性能最佳的加強(qiáng)筋參數(shù)組合［9］，最終結(jié)果如表3所示。
由表3可以看出，加強(qiáng)筋各參數(shù)對(duì)變形量大小影響程度依次為寬度、脫模斜度、Ｒ1、Ｒ2，即C＞D＞A＞B，實(shí)驗(yàn)參數(shù)最佳方案為A3B1C3D3。
對(duì)得到的最終應(yīng)力進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表4所示。
加強(qiáng)筋各參數(shù)對(duì)應(yīng)力大小影響程度依次為Ｒ1、Ｒ2、脫模斜度、寬度，即A＞B＞D＞C，實(shí)驗(yàn)參數(shù)最佳方案為A3B1C2D1。
可以看出因素C對(duì)變形量的影響程度最大，因素D對(duì)變形量的影響程度大于對(duì)應(yīng)力的影響程度，結(jié)合對(duì)擠吹線纜架模型優(yōu)化的目的主要是為了減少變形量［10］，選擇參數(shù)組A3B1C2D3，即Ｒ1為6mm、 Ｒ2為3mm、脫模斜度為21.5°、寬度L為43mm。
2.3.2優(yōu)化方案結(jié)果驗(yàn)證
用優(yōu)化方案的加強(qiáng)筋參數(shù)對(duì)產(chǎn)品模型優(yōu)化修改，并將模型導(dǎo)入到Workbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析［11］，得到的應(yīng)力和變形量結(jié)果如圖8和圖9所示。優(yōu)化加強(qiáng)筋的參數(shù)后的擠吹線纜架在使用環(huán)境下受到的最大應(yīng)力為3.79MPa，最大變形量為4.45mm。較無加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的初始模型的最大應(yīng)力及最大變形量分別減少了12%和18%。較大程度地提高了擠吹線纜架在產(chǎn)品裝配過程中的力學(xué)性能。
03 改變加強(qiáng)筋設(shè)置方式的擠吹線纜架結(jié)構(gòu)及靜力學(xué)分析
3.1 通過改變加強(qiáng)筋方向得到的擠吹線纜架結(jié)構(gòu)
初步優(yōu)化后的內(nèi)凹式加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)對(duì)線纜架的力學(xué)性能有很大程度上的提高，但是內(nèi)凹式的加強(qiáng)筋在使用過程中也會(huì)面臨著堆積灰塵，不易清理等問題，且修模時(shí)若想增加加強(qiáng)筋的個(gè)數(shù)，在模具上燒焊的成本較高［12］。在吹塑過程中，內(nèi)凹式加強(qiáng)筋部位壁厚大于產(chǎn)品表面，當(dāng)產(chǎn)品受到外力作用時(shí)抗壓能力較差，根據(jù)優(yōu)化后得到的最佳加強(qiáng)筋參數(shù)組合，改變加強(qiáng)筋的方向，設(shè)計(jì)凸起式加強(qiáng)筋，使得吹塑時(shí)，料坯先貼近模具中受力面表面，然后進(jìn)入加強(qiáng)筋內(nèi)部，在吹氣完成后，壁厚最薄處由初步優(yōu)化得到的產(chǎn)品中的產(chǎn)品受力面處轉(zhuǎn)移到加強(qiáng)筋處。凸起式加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)如圖10所示。
3.2 凸起式加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析
使用workbench對(duì)加強(qiáng)筋優(yōu)化后的模型進(jìn)行靜力分析，得到的最終應(yīng)力及變形量結(jié)果如圖11和圖12所示。
由圖11和圖12可以看出，采用凸起式加強(qiáng)筋的擠吹線纜架在使用時(shí)受到的最大應(yīng)力為3.93MPa，變形量最大處為4.67mm，且應(yīng)力最大處及變形量最大處由產(chǎn)品表面轉(zhuǎn)移到加強(qiáng)筋處，相比于初步優(yōu)化后模型的受力分析結(jié)果(最大應(yīng)力3.79MPa，最大變形量4.45mm)差距不大。因此，通過設(shè)置凸起式加強(qiáng)筋的方式在滿足擠吹線纜架受力性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了內(nèi)凹式加強(qiáng)筋線纜架使用面壁厚過薄、抗外力能力不足的問題，而且凸起式加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)的產(chǎn)品易清洗，若增加加強(qiáng)筋的個(gè)數(shù)時(shí)可在模具上用車床按照參數(shù)銑出形狀［13］，修模成本較低。
3.3 生產(chǎn)驗(yàn)證
將優(yōu)化后的含凸起式加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的擠吹線纜架參數(shù)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，得到的擠吹成型線纜架如圖13所示，零件成型質(zhì)量好，抗變形性能強(qiáng)。
4結(jié)論
課題組基于正交實(shí)驗(yàn)得到的最佳加強(qiáng)筋參數(shù)，建立了2種含加強(qiáng)筋的擠吹線纜架模型，并利用Workbench對(duì)模型進(jìn)行靜力分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)及使用要求，得到以下結(jié)論:
1) 通過在受力面設(shè)置加強(qiáng)筋的方式可明顯提高擠吹線纜架的受力性能，改善中空儲(chǔ)物式吹塑產(chǎn)品表面抗內(nèi)壓能力差的問題。
2) 通過正交試驗(yàn)的模擬結(jié)果分析可知: 在設(shè)置加強(qiáng)筋的參數(shù)時(shí)，加強(qiáng)筋的脫模斜度對(duì)變形量的影響最大，加強(qiáng)筋的Ｒ1對(duì)產(chǎn)品所受應(yīng)力的影響最大。
3) 對(duì)中空儲(chǔ)物式吹塑制品進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)時(shí)，為保證產(chǎn)品受力面的壁厚，而設(shè)置凸起式加強(qiáng)筋，在加強(qiáng)產(chǎn)品力學(xué)性能的同時(shí)也解決了內(nèi)凹式加強(qiáng)筋的清潔問題，同時(shí)提高了抗外力的能力、節(jié)約了修模成本。對(duì)此類產(chǎn)品結(jié)合實(shí)際使用情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。
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