摘要：提出一種基于吹塑成型工藝的塑料件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法，以更合理精確地分析計(jì)算吹塑件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。此方法將吹塑成型與結(jié)構(gòu)分析順序耦合應(yīng)用Abaqus/Explicit對塑料圓管進(jìn)行吹塑成型模擬，獲得吹塑件的形狀和非均勻厚度以及殘余應(yīng)力，然后將吹塑成型件導(dǎo)入到Abaqus/Standard中，并將非均勻厚度場和殘余應(yīng)力場映射到該吹塑件分析模型上，進(jìn)行強(qiáng)度分析，評估其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能。以聚對苯二甲酸乙二醇酯PET塑料瓶為例，應(yīng)用上述方法對吹塑成型的塑料瓶進(jìn)行精確結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，能夠指導(dǎo)塑料瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成型工藝參數(shù)設(shè)置。
當(dāng)前塑料行業(yè)發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了飲料、飲用水、藥品、食品、化學(xué)品和汽車行業(yè)等［1］。一般情況下，制造商需要在有限的時(shí)間和成本里，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)新型塑料產(chǎn)品。然而，有限的時(shí)間及成本往往限制了設(shè)計(jì)師的思路，難有創(chuàng)新。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元仿真技術(shù)的應(yīng)用可使設(shè)計(jì)時(shí)間和生產(chǎn)成本大大減少［2－3］。
在塑料件的生產(chǎn)中，吹塑成型是最常見的成型方法之一，其非常適用于生產(chǎn)熱塑性中空塑料制品，比如礦泉水瓶、飲料瓶和油箱等吹塑成型模具只需凹模，因而設(shè)備造價(jià)低，適應(yīng)性強(qiáng)等，在飲用水行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛［4］。隨著消費(fèi)者的喜好變化，吹塑制品形狀愈加復(fù)雜，越來越難保證其壁厚的均勻性，同時(shí)，吹塑成型導(dǎo)致的塑件殘余應(yīng)力，也影響著塑件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度［5－6］。
圖1所示的PET材料塑料瓶，需采用有限元方法分析其在正常使用、運(yùn)輸、跌落和擠壓過程的安全性，以保證吹塑制品不會發(fā)生破裂。傳統(tǒng)的有限元方法是將圖1水瓶塑件作等厚件建模分析，忽略了厚度的非均勻性，特別是薄弱區(qū)域，導(dǎo)致分析結(jié)果并不能找出破裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。故本文提出一種基于吹塑成型工藝的塑料件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法，其能夠考慮吹塑成型后的不均勻厚度以及殘余應(yīng)力對塑件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，即先用有限元軟件Abaqus的Explicit模塊對塑料管進(jìn)行吹塑成型模擬，獲得塑件的形狀、非均勻厚度以及殘余應(yīng)力，再把此塑件導(dǎo)入到Abaqus/Standard中，并映射厚度場和應(yīng)力場，精確合理地分析計(jì)算塑件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
圖1塑料瓶幾何模型
1吹塑成型分析
1.1吹塑成型建模
本文吹塑成型方法采用Abaqus/Explicit顯式算法進(jìn)行求解。顯式算法求解速度快且收斂性良好［7］。吹塑成型網(wǎng)格模型如圖2所示，對模具凹模劃分網(wǎng)格，并把采用殼單元的吹塑管裝配于模具中間。
圖2吹塑分析有限元模型ＲP表示參考點(diǎn)
1.2材料和邊界
表1PET塑性參數(shù)
在高溫250℃吹塑管彈性模量為10MPa，泊松比為0.3，密度為0.94g/cm3，并采用表1提供的250℃對應(yīng)的PET塑性參數(shù)。
在吹塑模型中，模具均設(shè)置為離散剛體，僅吹塑管為變形體。設(shè)置兩個(gè)分析步第一個(gè)分析步為對圖2的上下凹模閉緊合模第二個(gè)分析步在約束吹塑管尾部的情況下進(jìn)行吹塑成形。
在吹塑過程中，吹塑管與空氣之間存在著熱交換，參考文獻(xiàn)［8］設(shè)置熱交換系數(shù)為500W/mm2·℃。同時(shí)，設(shè)置模具與吹塑管的摩擦因數(shù)為0.4。
1.3 分析結(jié)果
1.3.1 動(dòng)能/內(nèi)能比
通過動(dòng)能/內(nèi)能比判斷吹塑成型是否為準(zhǔn)靜態(tài)分析。模型的動(dòng)能－內(nèi)能曲線如圖3所示，可以看出隨著時(shí)間的增加，模型的內(nèi)能總體成上升趨勢，且在合模步驟完成后繼續(xù)吹塑時(shí)上升幅度較大，動(dòng)能在吹塑模擬過程中幾乎為0。動(dòng)能除以內(nèi)能則繪制成圖4所示的動(dòng)能/內(nèi)能比［9］，可知隨著動(dòng)能/內(nèi)能比趨于平穩(wěn)，其值小于5%，由此可判斷此吹塑成型分析結(jié)果符合準(zhǔn)靜態(tài)過程。
圖3吹塑成型中動(dòng)能與內(nèi)能
圖4吹塑成型中的動(dòng)能/內(nèi)能比
1.3.2厚度分布
吹塑件厚度分布如圖5所示。由圖可知吹塑件并非等厚件，非均勻厚度分布范圍約為0.5～9.5mm，瓶身的厚度相比瓶口較小，瓶身左右兩側(cè)的厚度較小，上下兩側(cè)厚度較大。把圖5中每個(gè)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)和厚度值寫出，用于后續(xù)聯(lián)合仿真的厚度映射。
圖5塑件厚度云圖
2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析
2.1強(qiáng)度分析模型
因隱式算法求解非線性靜力更為精確［7，9］，故針對圖6結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型，采用Abaqus/Standard隱式求解。材料選用常溫下的PET材料屬性，即彈性模量為903MPa，塑性參數(shù)為表1中25℃對應(yīng)的參數(shù)。在瓶口處固定約束的條件下，瓶身上下兩側(cè)用半球向中間擠壓18mm，分析半球的反作用力，獲得其力－位移曲線即為此塑料件強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。
圖6結(jié)構(gòu)分析模型
應(yīng)用本文所提出的方法進(jìn)行吹塑和結(jié)構(gòu)聯(lián)合分析，還需如圖7示意將吹塑成型厚后的材料厚度和殘余應(yīng)力映射至殼單元的塑料瓶模型上。
圖7映射厚度和殘余應(yīng)力
2.2 強(qiáng)度分析結(jié)果
采用本文所述方法，通過映射厚度和殘余應(yīng)力至結(jié)構(gòu)模型，強(qiáng)度分析結(jié)果的應(yīng)力如圖8。
圖8非均勻厚度塑料瓶的應(yīng)力分布
3分析方法討論
為對比本文方法的合理性，特針對圖6的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行等厚分析，即塑料瓶不通過映射獲取厚度，而是分別直接定義等厚度為0.5、0.8、1.0mm。其中均勻厚度0.5mm的塑料瓶應(yīng)力分布如圖9所示。與圖8對比可知，圖9中應(yīng)力分布趨勢基本相同，但應(yīng)力數(shù)值有較大差別。
圖9均勻厚度0.5mm塑料瓶的應(yīng)力分布
圖10不同厚度塑料瓶的力－位移曲線
為對比明顯，繪制出圖10半球壓頭力－位移曲線。由圖10可知，本文聯(lián)合仿真方法所獲得的非均勻厚度力－位移曲線分布于0.8、1.0mm均勻厚度的力－位移曲線之間，這也說明了無法通過定義均勻厚度的方法對吹塑件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。
4結(jié)束語
1進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，考慮產(chǎn)品制造工藝。將吹塑成型的吹塑工藝考慮到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中，更為合理準(zhǔn)確地對塑件強(qiáng)度進(jìn)行分析。
2運(yùn)用不同算法各自的優(yōu)點(diǎn)，將顯式分析的結(jié)果映射到隱式求解的結(jié)構(gòu)分析中，能夠?qū)⒅圃爝^程模擬與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度模擬聯(lián)合到一起。
3考慮吹塑工藝的塑件強(qiáng)度分析結(jié)果表明，由于吹塑成型對材料的影響導(dǎo)致厚度分布不均勻，故在進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，需考慮工藝的影響，才能使強(qiáng)度結(jié)果更接近實(shí)際。（文章來源于網(wǎng)絡(luò)）
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