基于表面模型的塑料注射成型残余应力与翘曲变形研究

论文摘要

本文针对注射成型过程以及产品的特点,引入合适的假设和边界条件,建立了注射成型残余应力和翘曲变形的数学模型以及数值计算方法,开发了商业化的注射成型残余应力和翘曲变形模拟软件。本文基于粘弹性理论以及时温等效原理,提出了计算注射成型残余应力的线性热-粘弹性和热-弹性数学模型。通过引入适合于注射成型特点的基本假设,建立了线性热-粘弹性和热-弹性模型的增量格式。模型中充分考虑了保压压力历史以及温度历史对残余应力的影响,并将计算过程分为三个阶段,针对每个阶段的特点施加不同的边界条件。模型采用在时间上有限差分和在厚度方向分层处理的计算方法,提出了完整的数值解决方案。模拟结果显示,从工程角度出发,基本可以采用热-弹性模型代替热-粘弹性模型来计算残余应力,因为二者的结果比较相近。翘曲变形的模拟中,本文采用平板壳单元作为翘曲计算的有限元模型,平板壳单元由表征平面内变形的膜单元和表征垂直于平面的变形的板弯曲单元组成,通过比较几种具有代表性的膜单元和板弯曲单元,最终选用优化膜单元（Optimal TriangleMembrane Element,OPT单元）和细化离散的Mindlin三角形弯曲单元（RefinedDiscrete Kirchhoff Mindlin bending element,RDKTM单元）组成的平板壳单元。该单元具有变形模式准确、对网格质量要求低等优良特性。传统的板壳有限元分析是基于中性层模型的,而目前的注射成型模拟是基于产品的表面模型的。为了解决该问题,本文创造性地提出了基于表面模型的翘曲变形模拟方法,考虑到产品的上下表面均有网格,在本文中将单元厚度设定为产品局部厚度的一半,并通过多点约束将上下表面的位移关联起来,以使得整体结构满足经典板壳理论的Love-Kirchhoff假设。施加多点约束的普通方法有主从消元法、罚函数法以及Lagrange乘子法,由于很多注射成型产品的结构十分复杂,若采用这三种普通的多点约束方法,产品的结构响应可能会出现问题。本文提出了一种基于Lagrange乘子的消元法,该方法可保证产品的结构响应正确,且具有计算效率高、施加约束过程简单等特点。本文采用试验设计（Design of Experiment,DOE）成型了大量的产品,并采用方差分析（Analysis of Variance,ANOVA）分析了塑料熔体温度、注射速率、模具温度、保压压力、保压时间、冷却时间等6个工艺参数对注射成型产品的收缩和翘曲的影响。同时,采用模拟软件分析了与试验相同的工艺条件设置的方案,并将模拟结果与试验结果进行了详尽的对比,从而验证了残余应力与翘曲变形分析模拟软件的正确性与合理性,表明了模拟软件对提高制品质量和生产效率具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 注射成型过程的复杂性及CAE分析的必要性
• 1.2 注射模CAE研究机构介绍及研究状况
• 1.3 注射成型残余应力翘曲模拟概况
• 1.4 选题背景以及主要研究内容
• 2 残余应力数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 残余应力形成机理及研究综述
• 2.3 残余应力相关理论知识
• 2.4 残余应力数学模型
• 2.5 本章小结
• 3 残余应力数值计算
• 3.1 基本假设
• 3.2 线性热-粘弹性模型的增量格式
• 3.3 线性热-弹性模型的增量格式
• 3.4 边界条件
• 3.5 计算步骤
• 3.6 本章小结
• 4 翘曲变形有限元模型
• 4.1 引言
• 4.2 翘曲变形模拟的基本方法
• 4.3 平板壳有限元的发展和研究概况
• 4.4 几种膜单元和弯曲单元
• 4.5 翘曲分析用壳单元选择
• 4.6 本章小结
• 5 基于表面模型的翘曲变形数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 基于表面模型的注射成型翘曲变形模拟
• 5.3 施加多点约束的方法
• 5.4 基于表面模型和三维模型的翘曲变形模拟比较
• 5.5 本章小结
• 6 残余应力与翘曲变形试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 注射成型残余应力实验验证
• 6.3 注射成型翘曲变形试验研究
• 6.4 本章小结
• 7 全文总结与研究展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读博士学位期间发表的论文