摘要：提出一種基于吹塑成型工藝的塑料件結(jié)構(gòu)強度分析方法，以更合理精確地分析計算吹塑件的結(jié)構(gòu)強度。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，進行強度分析，評估其結(jié)構(gòu)強度性能。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行精確結(jié)構(gòu)強度分析，能夠指導(dǎo)塑料瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計和成型工藝參數(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間和成本里，設(shè)計并生產(chǎn)新型塑料產(chǎn)品。然而，有限的時間及成本往往限制了設(shè)計師的思路，難有創(chuàng)新。但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元仿真技術(shù)的應(yīng)用可使設(shè)計時間和生產(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)備造價低，適應(yīng)性強等，在飲用水行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛［4］。隨著消費者的喜好變化，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，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)強度的影響，即先用有限元軟件Abaqus的Explicit模塊對塑料管進行吹塑成型模擬，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，精確合理地分析計算塑件結(jié)構(gòu)強度。
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
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)置兩個分析步第一個分析步為對圖2的上下凹模閉緊合模第二個分析步在約束吹塑管尾部的情況下進行吹塑成形。
在吹塑過程中，吹塑管與空氣之間存在著熱交換，參考文獻［8］設(shè)置熱交換系數(shù)為500W/mm2·℃。同時，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 動能/內(nèi)能比
通過動能/內(nèi)能比判斷吹塑成型是否為準(zhǔn)靜態(tài)分析。模型的動能－內(nèi)能曲線如圖3所示，可以看出隨著時間的增加，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)吹塑時上升幅度較大，動能在吹塑模擬過程中幾乎為0。動能除以內(nèi)能則繪制成圖4所示的動能/內(nèi)能比［9］，可知隨著動能/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吹塑成型中動能與內(nèi)能
圖4吹塑成型中的動能/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中每個節(jié)點對應(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)強度分析
2.1強度分析模型
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行結(jié)構(gòu)強度分析。
4結(jié)束語
1進行產(chǎn)品設(shè)計時，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)強度分析中，更為合理準(zhǔn)確地對塑件強度進行分析。
2運用不同算法各自的優(yōu)點，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)強度模擬聯(lián)合到一起。
3考慮吹塑工藝的塑件強度分析結(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，故在進行強度分析時，需考慮工藝的影響，才能使強度結(jié)果更接近實際。（文章來源于網(wǎng)絡(luò)）
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