1、畢 業(yè) 論 文論 文 題 目 注塑模閥式澆注技術對熔接痕位置及性能的影響 學生姓名 景雙龍 學 號 專 業(yè) 班 級 材料成型及控制工程07級3班 指 導 教 師 昝 祥 院 系 名 稱 材 料 科 學 與 工 程 學 院 2011 年 6月 1 日目錄摘 要:IAbstract:II第一章 緒論11.1 引言11.2 研究概況11.3 本論文的研究內容4第二章 針閥式澆注技術參數對熔接痕位置的影響52.1 簡介52.2 工藝參數對熔接痕位置的影響52.2.1 閥口的開閉時間對熔接痕位置控制的影響72.2.2 模具溫度對熔接痕的影響92.2.3 熔料溫度對熔接痕位置的影響92.2.4 注射時間對

2、熔接痕位置的影響102.3 本章小結11第三章 順序注塑及各成型工藝參數對塑件強度的影響123.1 模擬軟件Moldflow及ALGOR的用法及介紹123.1.1 Moldflow模流分析軟件的介紹123.1.2 ALGOR軟件簡介123.2 熔接痕CAE的數值模擬133.2.1研究順序注塑成型技術對熔接痕性能改善的數值模擬驗證133.2.2 Autodesk公司軟件Moldflow與ALGOR的數據交互與耦合分析153.3 成型工藝條件對熔接痕的性能影響的模擬研究173.3.1 模擬實驗中特征值屈曲分析理論173.3.2 正交實驗參數設計193.3.3 數據處理與討論213.4 本章小結27

3、總結與展望28致謝29參考文獻30注塑模閥式澆注技術對熔接痕位置及性能的影響摘 要：熔接痕是形成與多澆口注塑件上的常見缺陷，對塑件的外觀和性能都有不利影響。本論文研究利用熱流道閥式澆注技術，各因素對熔接痕的位置和性能的影響規(guī)律。首先通過有限元軟件Moldflow進行順序注塑模擬，模擬結果顯示，閥口開啟時間越晚熔接痕出現(xiàn)的位置離中心閥口越遠；模具溫度對熔接痕的位置影響非常??；而隨著熔料溫度的升高，熔接痕位置越接近后開啟的閥口位置；注射時間的增加會導致熔接痕遠離中心閥口。閥口開閉時間對熔接痕位置的影響是最大的，其他因素的影響程度依次是：注射時間、熔料溫度和模具溫度。然后利用軟件Moldflow與A

4、lgor Simuation進行耦合分析后發(fā)現(xiàn)，使用閥式澆注技術所得的熔接痕強度最好。但使用普通澆注技術時，由于含纖維材料的各項異性，其熔料溫度、保壓時間、模具溫度和保壓壓力等工藝參數，在各自的實驗范圍內都會使熔接痕的強度先下降再上升。熔體溫度是影響熔接痕性能的主要因素，其次為保壓時間和模具溫度，保壓壓力的影響最小。關鍵詞：熱流道技術；閥式澆注系統(tǒng)；SVG；熔接痕；有限元模擬；Moldflow；Algor。Abstract: Sequential-valve-injection is an important plastic injection molding method, were wid

5、ely used in around world. This paper briefly expounds the principle of hot runner system and structure of sequential-valve-gate. Weld line is the most important factor can affect the quality of plastic productions, which affects the appearance and mechanical performance of plastic productions. So we

6、 study emphatically the effect on the position and performance of weld line with sequential-valve-injection. The result shows that the opening time of valve gate bring a greater influence on the weld line position control than other parameters. Then we use some finite element softwares like Autodesk

7、 Moldflow and Autodesk Algor Simulation simulate the injection molding process, then we found SVG can help us get the better plastics, which means better quality and better strength. When there is weld line on the plastic production, the effects of technological parameters of cold runner injection m

8、olding on weld line strength control are researched. The present study indicates that, melt temperature produce greater influence on the weld line strength control. After melt temperature, the major factors are packing pressure and mold temperature. The packing time have little influence on the weld

9、 line strength control.Keywords: Hot runner systems; Sequential-valve-injection; Meld line; FEM simulation; Moldflow; Algor第一章 緒論1.1 引言熔接痕是塑料注射成型常見的缺陷之一，是塑件表面的一種線狀痕跡，由于注射或擠出中兩股及兩股以上的流料在模具中分流匯合，但熔料在界面處未完全融合，彼此不能熔接為一體，從而在熔體匯合處造成的一種融合印跡。如圖1.1為熔接痕的形成示意圖。圖1.1 熔接痕的形成示意圖1熔接痕的存在會對注塑件產生潛在的致命缺陷最好可以舉一些例子，熔接痕到底

10、會對注塑件產生何種影響?，。隨著人們對塑料制品質量的要求越來越高，熔接痕的分析與研究也受到越來越多的重視2-5。影響熔接痕形成的因素很多，如何消除或避免熔接痕是設計者普遍關注的問題。熔接痕的形成依賴于模具設計、材料特征和工藝條件等因素。其中，材料特征主要包括松弛時間、結晶形態(tài)等；工藝條件包括注射速率、模具溫度、熔體溫度、注塑壓力等。而這些因素又相互作用，對于不同的材料，這些作用機理又不盡相同。其中注塑模澆注系統(tǒng)的澆口位置和數量設計往往對熔接痕的位置及性能起決定性作用。對于熱流道澆口的結構設計與控制，國內外已有了針對性的研究與應用6,7。通過對注塑件熔接痕形成機理的研究，分析閥式澆注控制的特點，

11、基于CAE軟件進行分析，從而實現(xiàn)熔體充填模式的動態(tài)控制，通過改變熔體的流動方向和流量，達到消除或避免注塑件出現(xiàn)熔接痕的目的。1.2 研究概況由于塑件中出現(xiàn)熔接痕會極大地影響塑件的性能，所以必須盡可能地避免或減小熔接痕對塑件的影響，控制熔接痕的方法有多種，包括利用閥式澆注技術、以及控制熔體溫度和模具溫度、改變壓力及合理設計模具結構等。對于控制熔接痕的方法，國內外的學者進行了大量地研究，。通過這些研究發(fā)現(xiàn)，其中的熱流道閥式澆注技術可以有效地控制熔接痕的形成位置，甚至消除熔接痕，從而改善塑件的表面和內部力學性能。熱流道也稱無流道技術，其澆注系統(tǒng)與普通澆注系統(tǒng)的區(qū)別在于，在整個生產過程中，澆注系統(tǒng)內的

12、塑料始終處于熔融狀態(tài)，注塑時的壓力損失小，可以對多點澆口、多型腔模具及大型注塑件實現(xiàn)低壓注塑，另外，這種澆注系統(tǒng)沒有澆注系統(tǒng)凝料，實現(xiàn)了無廢料加工，省去了去除澆口的工序，可節(jié)約人力、物力8。圖1.2為熱流道系統(tǒng)的示意圖。圖1.2 熱流道系統(tǒng)示意圖熱流道技術的應用和推廣是推動熱塑性塑料注射成型向節(jié)能、低耗、高效方向發(fā)展的強勁動力。熱流道注射成型于上世紀50年代問世，其應用推廣雖經歷了一個較長時間，但其市場占有率仍逐年上升，80年代中期，美國的熱流道模具占注射?？倲档?5%17%，歐洲為12%15%，日本約為10%；但到了90年代，美國生產的塑料注射模具中熱流道模具已占40%以上，在大型制品的注射

13、模具中則占90%以上。在2002年上海舉辦的國際塑料橡膠工業(yè)展覽會上，世界各地著名模具制造廠商，如美國DME公司、加拿大的MOLD- MASTERS公司等爭相推出新型的熱流道系統(tǒng)，而所有參展作演示的注射機幾乎都選用了熱流道模具。可見，隨著聚合物工業(yè)的發(fā)展，熱流道技術正不斷完善和加快其推廣使用9。順序澆注成型是近年來興起的一種成型新技術，它是在傳統(tǒng)的熱流道模具基礎上，在每個澆口處設置一個可以獨立控制的閥門，采用順序澆注成型時，根據實際情況有選擇性地定時開閉相應的澆口，控制熔接痕的形成位置及性能。順序澆注成型也叫閥式澆注技術，是熱流道澆口設計及控制方法的應用之一，注塑模澆注系統(tǒng)采用閥式澆注控制后，

14、可通過澆口控制熔體的流動方向和流量，達到消除或避免熔接痕的目的10。熱流道系統(tǒng)在設置閥門裝置后，可對塑料熔體的充填過程加以控制，實現(xiàn)熔體充填過程的“動態(tài)”控制。應用注塑CAE技術，結合自動控制技術，通過控制系統(tǒng)控制閥門的動作、流體的速度和壓力從而實現(xiàn)對注塑充填過程的優(yōu)化控制。其原理如圖1.3所示。圖1.3 閥式澆注系統(tǒng)的控制原理示意圖目前，對于熱流道閥式澆注技術對熔接痕的控制已有大量的研究報告。近幾十年，國內外相繼對熱流道技術展開積極的研究，對熱流道的推廣做出了非常大的貢獻。Peter Unger11對熱流道技術的原理及熱流道結構做了詳細的闡述。目前,注塑模閥式澆注技術引起人們的高度重視，對于

15、閥式澆口的控制已有大量的研究報道。巫修海12通過研究注塑件熔接痕的形成機理，闡述了熱流道時序閥澆口對熔接的控制原理。華南理工大學劉毅等人13為了有效移除注塑制品中的熔接痕，深入分析了熔接痕的形成過程和采用熱流道順序澆注成型移除熔接痕的機理，并使用模擬分析軟件Moldflow對順序澆注成型移除熔接痕的過程進行了有限元模擬。譚文勝，周建忠14以注射成型某平板為例，將其模具澆注系統(tǒng)的流道設計為熱流道，并采用閥式澆注，采用CAE軟件對充填過程進行模擬。結果表明，采用閥式澆注技術對控制熔接痕取得了較好的效果。以上文獻都從理論上分析了熔接痕的形成機理及解決對策。目前，基于熱流道閥式澆注技術來改善熔接痕的性

16、能在發(fā)達國家發(fā)展得已經非常成熟，而在國內還處于起步階段，因此將理論應用與實際就顯得非常重要。錢宇強等人15在研究大型注塑制品熔接痕形成條件的基礎上，從塑料制品材料及產品結構，模具設計與成型工藝等各環(huán)節(jié)，分析了影響制品熔接痕的因素，建立熔接痕的數學模型，分析了熔接痕的CAE的特點及誤差；并針對不同影響因素，給出了相應控制對策。1.3 本論文的研究內容鑒于國內外相關的課題研究，本課題利用有限元軟件XXX研究不同的工藝參數對熔接痕的位置和性能的影響規(guī)律，主要內容如下：本論文主要研究以下內容：(1)研究在針閥式澆注過程中，模具溫度、熔料溫度、注射溫度和閥口的開閉時間對熔接痕位置的影響。(2)利用CAE

17、軟件Moldflow和ALGOR，研究熔體溫度、模具溫度、保壓壓力和保壓時間對熔接痕性能的影響。第二章 針閥式澆注技術參數對熔接痕位置的影響2.1 簡介有許多因素會影響塑料產品質量的提高，其中熔接痕是最重要的一個因素，它會影響塑料產品的表面質量和力學性能。通過對材料成分、模具設計和工藝條件進行優(yōu)化，可以減小熔接痕對產品的影響16-19。有時，使熔接痕完全消除的是非常困難的，因此使熔接痕盡量達到最佳位置就顯得非常必要。最近幾年，基于熱流道澆注系統(tǒng)的針閥式澆注成型技術已經取得了巨大的進步，并且在控制和消除熔接痕方面擁有非常好的前景。針閥式澆注系統(tǒng)通常包括兩個部分：帶熱閥冒口補縮系統(tǒng)的熱流道和可以開

18、閉閥口的控制系統(tǒng)20。針閥式澆注可以用于成型大尺寸零件，也可以成型薄壁類零件如車內裝飾零件。這種成型方法有一下幾個優(yōu)點：（1）降低成型壓力和殘余應力；（2）減小成型周期；（3）消除熔接痕；（4）使保壓壓力分布更一致；（5）平衡主腔中的熔體流動21。在本章中，針閥式澆注技術用于在注射成型過程中控制熔接痕的位置，并研究不同的技術參數對熔接痕位置控制的影響。2.2 工藝參數對熔接痕位置的影響在針閥式澆注過程中，有許多因素會影響熔接痕的位置控制，比如模具溫度、熔料溫度、注射溫度（通常來說，注射壓力和注射速度受注射時間的影響）、閥口的開閉時間等等。舉一個簡單的例子來討論在針閥式澆注系統(tǒng)中熔接痕的位置控制

19、，如圖2.1。此零件的尺寸為200x50x3mm。圖2.2表示零件的針閥式澆注系統(tǒng)的結構，其中三個個閥口呈均勻分布。圖2.3為測得的熔接痕的位置，參數d（mm）是熔接痕與中點的距離。圖2.1 零件的幾何形狀圖2.2 針閥式澆注系統(tǒng)圖2.3 熔接痕位置2.2.1 閥口的開閉時間對熔接痕位置控制的影響請檢查，三級標題的格式是否滿足學校的格式要求？也許你是對的，請再確認一下。通常，針閥式澆注是通過在不同的時間開閉不同的閥口來控制熔接痕的形成位置。如圖2.4所示，左邊閥口在注射的開始階段便開啟，經過2.5s，右邊閥口開啟。本文主要討論右邊閥口的開啟時間。如圖2.5為右邊閥口不同的開啟時間所對應的最終熔

20、接痕位置。其他的技術參數還包括：1)熔料溫度：2602)模具溫度：603)注射時間：1s圖2.4 注射開始后0.2s開啟右邊閥口(a)注射開始馬上開啟兩邊閥口(b)注射開始后0.1s開啟右邊閥口(c)注射開始后0.2s開啟右邊閥口(d)注射開始后0.3s開啟右邊閥口圖2.5 兩端閥口不同開啟時間對應的熔接痕位置圖2.6 閥口開啟時間的影響圖2.6表示了右邊閥口開啟時間對熔接痕位置變化的影響，表明了兩邊閥口開啟時間與熔接痕距中點的距離不是線性關系。隨著兩邊閥口開啟時間的延長，熔接痕的位置越接近后開啟的閥口。2.2.2 模具溫度對熔接痕的影響模具的溫度會影響熔融塑料的流動性，圖2.7表示了在不同的

21、模具溫度下熔接痕的位置：其他的技術參數包括：1)熔料溫度:2602)兩邊閥口的開啟時間：注射開始后0.2s3)注射時間：1s圖2.7 模具溫度的影響可以清楚地看出，隨著模具溫度的升高，熔接痕位置越接近后開啟的閥口位置。2.2.3 熔料溫度對熔接痕位置的影響圖2.8為不同熔料溫度所對應的熔接痕位置，其他技術參數包括：1)模具溫度：602)兩邊閥口開啟時間：注射開始后0.2s3)注射時間：1s圖2.8 熔料溫度的影響從圖2.8我們可以得出結論，在針閥式澆注中熔料溫度對熔接痕的位置的影響較小。2.2.4 注射時間對熔接痕位置的影響注射速度和注射壓力都與注射時間有關，改變注射時間會影響注射速度、注射壓

22、力和熔接痕的位置。圖2.9顯示注射時間對熔接痕的位置有很大影響，隨著注射時間的增加，熔接痕越接近于中間的閥口。其他的技術參數包括：1)模具溫度：602)熔料溫度：2603)兩邊閥口的開啟時間:注射開始后0.2s圖2.9 注射時間的影響2.3 本章小結相較于其他注射方法，針閥式澆注有能夠控制和消除熔接痕的優(yōu)點，特別是在閥口位置有限制并且熔接痕不能完全消除的情況下。真閥式澆注成型可以被用于控制熔接痕的位置，從而使模具設計最優(yōu)化。目前的研究表明，與熔料溫度和模具溫度相比，注射時間和閥口的開閉時間對熔接痕的位置控制具有更大的影響。第三章 順序注塑及各成型工藝參數對塑件強度的影響3.1 模擬軟件ALGO

23、R簡介Algor Simulation是Autodesk出品的機械仿真工具軟件，可以幫助設計師和工程師在設計流程中及早做出重要決策。使用Algor Simulation，利用大量有限元建模工具和內建材質庫，用戶可以深入探索最初的設計意圖，并精確地模擬數字樣機的運行條件。ALGOR作為世界著名的大型通用工程仿真軟件，被廣泛應用于各個行業(yè)的設計、有限元分析、機械運動仿真中。包括靜力、動力、流體、熱傳導、電磁場、管道工藝流程設計等，能夠幫助設計分析人員預測和檢驗在真實狀態(tài)下的各種情況，快速、低成本地完成更安全更可靠的設計項目。ALGOR以其分析功能齊全、使用操作簡便和對硬件的要求低，在從事設計、分析

24、的科技工作者中享有盛譽。作為CAE分析工具的代表之一,ALGOR在汽車，電子, 航空航天，醫(yī)學，日用品生產，軍事，電力系統(tǒng)，石油，大型建筑以及微電子機械系統(tǒng)等諸多領域中均有廣泛應用。ALGOR具有以下幾個主要功能：1）系統(tǒng)全面的建模工具，可以快速建立網架結構模型。2）強勁的網格剖分功能。ALGOR軟件的六面體網格自動剖分功能在當前的有限元分析軟件中獨樹一幟，能夠對復雜的三維實體快速生成高質量的六面體網格。3）ALGOR具有強大機械事件仿真分析以及多場耦合功能，其獨特的軟件模塊，比較適合不同用戶不同需求。4）形式多樣的結果輸出。分析的結果輸出方式包括：彩色云圖、動畫、曲線、數據文件等形式輸出或者

25、html自動生成分析報告。3.2 熔接痕CAE的數值模擬方法在多閥口注射成型中，利用順序是針閥澆注系統(tǒng)，通過控制不同閥口的開啟時間，可以改變熔接痕的位置甚至消除熔接痕。在本研究課題中，選用200x50x3的一塊長方體塑件，設置三個澆口，位置分別位于塑件寬屏面的三等分出，流道選用熱流道。3.2.1 研究順序注塑成型技術對熔接痕性能改善的數值模擬驗證第一步，在三維造型軟件中實體造型出長寬厚為200x50x3mm的塊狀模型。轉化為STL格式導入Moldflow中，劃分網格，如圖3.1所示。為了讓結果更加準確，網格匹配率要達85%以上22。圖3.1 使用UG造型后導入Moldflow的圖形第二步要進行

26、參數設定，在設置參數之前，在材料庫中選擇與實驗吻合的材料。設置澆注系統(tǒng)類型為熱流道，點澆口采用valve控制，點擊Valve Gate Control可對閥澆口屬性進行設置。首先，需要考察在傳統(tǒng)注射方法成型該塑件時，熔接痕的分布狀況。具體步驟如下：1)進行最佳澆口位置分析，根據分析結果在最佳澆口和其兩側設置三個澆口。2)在實驗得出的最佳成型工藝條件下進行填充分析，不必設置閥澆口(系統(tǒng)默認閥澆口初始狀態(tài)為關閉)，點擊分析，即開始傳統(tǒng)熱流道過程。其次，根據填充分析的結果，設定閥澆口各項參數，具體步驟：1)建立熱流道澆注系統(tǒng)；2)設置閥門參數。中間的澆口開始處于打開狀，兩側的澆口在熔體填充到型腔體積

27、的50時（熔體前鋒剛好到達這兩個澆口）打開，此時關閉中間的澆口，最外側兩個閥澆口在熔體填充至型腔體積的80%時打開，此時關閉兩側的澆口，當熔體充滿整個型腔時，關閉外側澆口；3)設置最佳工藝參數，進行填充、保壓、冷卻等過程。第三步進行結果分析。圖3.2清楚地顯示了利用傳統(tǒng)澆注系統(tǒng)和采用針閥式熱流道技術后，熔接痕的對比。圖3.2a 普通澆注技術注射成型 圖3.2b 針閥澆注技術注射成型一般來說，產生熔接痕的區(qū)域主要在指尖表層，因此考察一下表層分子的取向情況很有必要，如圖3.3示，a為傳統(tǒng)成型的表面，b為針閥澆注成型的表面。圖3.3a 普通澆注纖維取向 圖3.3b 針閥澆注纖維取向 從圖3.3a我們

28、可以看到，采用傳統(tǒng)的熱流道技術，塑料制品的表層分子取向，在兩澆口中間，分子取向與熔體流動方向基本完全垂直(宏觀上即表現(xiàn)為熔接痕)，如圖中箭頭所示。而圖b中，由于采用SVG成型，表面分子取向基本與流動方向一致。由此可見，表層分子的取向很大程度上決定了制品熔接痕的位置。采用SVG技術，一方面熔體前沿可在較高溫度匯合，另一方面閥澆口的設置使熔體在澆口處平穩(wěn)過渡。兩者都能很好的減少熔接痕對塑料制品強度的影響。3.2.2 Autodesk公司軟件Moldflow與ALGOR的數據交互與耦合分析為了更加精確地堆塑料件強度進行分析，Autodesk公司將Autodesk Moldflow 2011加入Mol

29、dflow-Algor接口，在Algor中添加8000+塑料材料，到處Algor的分析模型到moldflow，然后將moldflow的分析結果數據（主要是殘余應力結果）映射到Algor，更為精確地進行結構分析如下圖3.4：圖3.4 Moldflow與Algor協(xié)同分析結果在本論文中，選取一塊200x50x3mm的平板作為模擬試驗件，并且采用三個澆口的熱流道針閥式澆注工藝。下面介紹ALGOR與Moldflow的數據交互分析塑件強度的步驟：Autodesk Algor Simulation操作部分：1）創(chuàng)建一個具有邊界條件、網格、載荷等的模型。（一種在應力分析中常用的技術且應避免使用對稱模型。注射

30、成型工藝是很少對稱的）。此塑件需要使用下列支持的元素類型：分析類型塊元素 四面體元素 線性是否非線性是是2）塑件應對應在Moldflow中分析的塑料塑件，元素定義：材料模型為Moldflow。說明這是一個各向異性的材料。3）選擇材料。當材料模型設定為Moldflow，材料庫將自動選擇ALOGR塑料類材料庫，不能選擇其他類型庫的材料，無法自定義材料。4）執(zhí)行:檢查模型。5）執(zhí)行文件導出Moldflow Adviser或Moldflow Insight。這時將出現(xiàn)一個選擇文件存儲位置對話框，選擇一個儲存位置，Moldflow項目即可被創(chuàng)建。每一個Moldflow塑件都會在Moldflow項目中創(chuàng)建

31、不同的study文件。準備好后，點擊Moldflow Insight選項，Moldflow軟件將自動打開。Autodesk Moldflow操作部分：6）如果從ALGOR將塑件導出時Moldflow軟件沒有自動打開，手動啟動Moldflow。7）打開輸入模型，選擇分析類型：填充+保壓，設置不同的工藝參數和澆口位置。8）執(zhí)行運算。觀察分析結果，記錄相關數據。Autodesk Algor Simulation操作部分：9）同一模型不同的注射工藝，需要導入相應的模型在ALGOR中進行模擬實驗，打開：文件Autodesk Moldflow Study Manager選項，選擇相應的模型文件。10）設置

32、分析類型為線性特征值屈曲分析，開始分析（如果塑件在Moldflow中改變了材料類型，新材料將在會在應力分析完成之后現(xiàn)實與ALGOR中）。11）觀察記錄結果，值得注意的是，塑件纖維取向等于Moldflow相關的分析結果必須在Moldflow中觀察。3.3 成型工藝條件對熔接痕的性能影響的模擬研究熔接痕影響區(qū)的性質主要由熔體流動前沿的流變狀態(tài)和分子聚集態(tài)結構所決定，凡影響分子鏈纏結、結晶取向和分子熱作用的因素都會影響到熔接痕的強度。這些因素都和熔接線形成過程中分子活性有關，依賴于材料特征和工藝條件，材料特征主要包括松弛時間、結晶形貌等，而工藝條件包括注射速度、模具溫度、熔體溫度、成型壓力等。而這些

33、因素又是相互藕合和相互作用的，特別是對于不同的材料，這些作用機理又不盡相同，我們往往無法判定起決定性作用的影響因素，在制品及模具確定之后，注塑工藝參數的選擇就成為決定制品質量的關鍵因素。注塑工藝參數主要包括溫度(料溫、模具溫度)、壓力(注射壓力、保壓壓力)及時間(注射時間、保壓時間)等。此外，那些影響塑化質量和溫度、壓力的工藝參數，如預塑背壓、螺桿轉速、注射量和剩余料量等對制品質量也有不可忽視的影響。如何合理地選擇注塑工藝參數是一個十分復雜的問題。下面主要研究在不同成型條件下玻璃纖維增強PA6（含50纖維）在包含熔接痕和無熔接痕時的屈服強度的變化。3.3.1 模擬實驗中特征值屈曲分析理論23在

34、本論文中，研究熔接痕強度時，主要對有熔接痕和利用閥式澆注技術優(yōu)化后的熔接痕塑件進行模擬強度分析，針對有熔接痕的情況，再使用Moldflow進行不同工藝參數的注塑模擬，然后對所得塑件分別進行模擬強度分析。通過上述模擬所得的結果，分析判斷熱流道針閥澆注系統(tǒng)技術對塑件熔接痕性能的影響，以及各工藝參數對熔接痕強度的影響的大小。1.屈曲分析結構穩(wěn)定性屈曲分析是用來分析結構穩(wěn)定性的技術。結構穩(wěn)定性涉及兩個概念：臨界載荷和極限載荷。所謂失穩(wěn)臨界載荷是結構在理論上的失穩(wěn)載荷。如圖3.5所示的一個理想化的端部固定的柱體，當增加軸向載荷F時，柱體將呈現(xiàn)下述行為。當FFcr時，柱體處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，任何擾動力將引

35、起結構崩潰。當F=Fcr時，柱體處于中性平衡狀態(tài)，把Fcr這個力定義為臨界載荷。圖3.5 臨界載荷極限載荷是結構在實際工作環(huán)境中的失穩(wěn)載荷。在實際結構中，載荷很難達到臨界載荷，因為擾動和非線性行為，結構在地獄臨界載荷時通常就會變得不穩(wěn)定，這個失穩(wěn)載荷稱為極限載荷。結構穩(wěn)定性分析技術有兩類：特征值屈曲分析和非線性屈曲分析。特征值屈曲分析用于分析理想結構的臨界載荷，他是一種線性分析技術，這是本論文中主要用的分析方法。而非線性屈曲分析用于分析實際結構的極限載荷，其實質是幾何非線性分析。特征值屈曲分析預測一個理想線彈性結構的理論屈曲強度（臨界載荷或者分叉點），由于缺陷和非線性行為導致實際結構的承載能力

36、難以達到理想的線性屈曲強度，因此特征值屈曲一般產生非保守解，使用時應該謹慎，但特征值屈曲分析具有其優(yōu)點。首先特征值屈曲分析過程由于運用了線性計算，因此計算速度很快。另外特征值屈曲分析的結果可以為非線性屈曲分析特工參考，明確結構的屈曲強度的量級和屈曲模態(tài)，為非線性屈曲分析載荷的確定和擾動的施加提供依據。2.特征值屈曲分析的理論背景特征值屈曲分析基于經典的特征值問題。在線彈性狀態(tài)下，載荷狀態(tài)與位移具有如下關系： （1）其中：為彈性剛度矩陣。設為與位移狀態(tài)對應的應力狀態(tài)，則在任意狀態(tài)（）下的增量平衡方程可以表示為： （2）其中：為應力狀態(tài)對應的應力剛度矩陣。假定有一個廚師載荷狀態(tài)以及對應的初始位移狀

37、態(tài)和初始應力狀態(tài)，則線彈性情況下的任意狀態(tài)（）可以表示為初始狀態(tài)（）的線性函數： ， （3）其中：為載荷因子。應力剛度矩陣同樣遵循（3）式關系： （4）將式（4）代入式（2）則可得到增量平衡 的另外一個表達式： (5)當載荷達到失穩(wěn)臨界載荷時，結構開始失穩(wěn)，這意味著結構剛度為0，此時在的時候，結構就會出現(xiàn)一個變形，將代入式（5）得到： （6）式（6）即為經典的特征值問題。在的情況下，要滿足這個條件，系數矩陣的行列式必須為0，即： （7） 在具有n個自由度的有限元模型中，上述方程產生的的n階多項式，的解即為特征值，其意義是對應于初始載荷狀態(tài)的臨界載荷因子，表示臨界載荷為的倍。對應于特征值的特征向

38、量表示去取時的變形，也稱為屈曲模態(tài)。因此，計算出的最小特征值即為臨界載荷。 （8）3.3.2 正交實驗參數設計遵循上一節(jié)所講述的Moldflow與ALGOR耦合的模擬實驗方法，選擇工藝因子為熔體溫度、模具溫度、保壓壓力和保壓時間共四個，每個因子取三個水平，由小到大呈間隔變化。三個水平分別用水平1、水平2、水平3來表示，具體參數值如圖表3.1所示。按照Taguchi方法，主要實驗包括9個，實驗設計按照L9正交實驗矩陣設計，如表3.2所示。表3.1 實驗因子和水平因素A（熔體溫度/）B（模具溫度/）C（保壓壓力/%）D（保壓時間/s）水平124040804水平2260601008水平3280801

39、2012表3.2 L9實驗表和實驗結果試驗號ABCD屈曲因子屈曲因子*10001240408040.553.79722406010080.551.626324080120120.555.630426040100120.553.91152606012040.553.4776260808080.553.56372804012080.557.48982806080120.558.91492808010040.558.492K11661.0531665.1971666.2741665.766針閥順序澆注屈曲因子K21660.9511664.0171664.0291662.678K31674.89516

40、67.6851666.5961668.4550.P=QS43326極差4.6481.0.1.3.3.3 數據處理與討論首先，我們利用模擬軟件模擬熱流道針閥澆注時所注射而成的塑料塑件，并對其進行AGLOR強度分析，所得的屈曲因子為0.然后主要針對具有普通流道所形成塑件的強度分析，分析塑件在不同工藝參數下的塑件強度。從表中結果可以看出，具有熱流道針閥澆注系統(tǒng)的塑件的強度要遠遠大于普通澆注所形成的塑件。下面我們用正交實驗設計的方差分析來分析以上模擬所得的結果。在表3.2中，K1這一行的3個數，分別是因素A,B,C的第1水平所在實驗中對應的屈曲因子（乘以1000以后）之和。類似的，K2這一行的3個數，

41、分別是因素A,B,C的第2水平所在試驗中對應的屈曲因子（乘以1000以后）之和，K3亦可以此類推。同一列中K1，K2，K3這三個數中的最大者減去最小者所得的差叫極差。一般地說，各列的極差是不同的，這說明各因素的水平改變時對實驗指標的影響是不同的，極差越大，說明這個因素的水平改變時對實驗指標的影響越大。1計算離差的平方和1)總離差的平方和記上式可記為 其中 則 2）各因素離差的平方和由單因素的方差分析，知記為 其中 同理可得計算結果如表3.1。3)實驗誤差的離差平方和因為 ,所以 ，2.計算自由度根據自由度的概念，各自由度可按下面公式計算。實驗的總自由度:個因素的自由度：記為實驗誤差的總自由度，

42、因為,所以 ，3.計算平均離差平方和(均方)在計算各因素離差的平方和時，我們知道，他們都是若干項平方的和，它們的大小與項數有關，因此不能確切地反映各因素的情況，為了消除項數的影響，我們計算它們的平均離差的平方和。平均離差的平方和定義如下：則 4.求F比 這個比值的大小反映了各因素對實驗結果影響程度的大小。由前面得出的結果代入上式可分別得： 下面進行顯著性判斷，由上面的公式所得結果填入下表3.2。從表中可以看出，熔體溫度的F值大于F0.01（2,8），所以熔體溫度對塑件強度具有顯著性影響，用兩個*表示。而模具溫度、保壓壓力和保壓時間的F值均小于F0.05（2,8），因此我們認為這三個因素對塑件的

43、強度的影響不顯著。表3.2 方差結果表因素離差平方和自由度平均離差平方和F值臨界值顯著性A熔體溫度43221.516.125F0.01（2,8）=8.65* *B模具溫度321.51.125C保壓壓力2210.75F0.05（2,8）=4.46D保壓時間6232.254.結果討論首先，根據方差分析方法得出的 則我們可知，在存在熔接痕時，對塑料塑件強度影響最大的為熔體溫度其次為保壓時間再次為模具溫度，影響最小的保壓壓力，下面分別分析個因素對塑件強度的影響：1）順序閥式澆注技術對塑件強度的影響根據表3.1，利用順序閥式澆注技術模擬所得的屈曲因子為0.，大于利用普通澆注技術所得塑件的屈曲因子0.。表

44、明熱流道順序閥式澆注技術能夠有效地控制熔接痕的性能，減少甚至消除熔接痕對塑件的有害作用。2)熔體溫度對塑件強度的影響利用模擬軟件ALGOR和Moldflow所得結果即表3.1示，可知K1，K2，K3為因素在水平1,2,3時所得的屈曲因子（乘以1000），我們通過專業(yè)作圖軟件OriginPro，可得到如圖3.6的變化關系。圖3.6 不同熔體溫度對塑件強度的影響從圖中可以看出，當熔體溫度高于260時，屈曲因子大大升高，即塑件強度大大增加。此時熔體溫度對塑件強度，也就是熔接痕的強度影響是非常劇烈的。熔體溫度的升高，將加速高分子和纖維的運動、松弛、擴散和纏結，從而使分子鏈有較好的纏結，增加了纖維在熔接

45、界面的穿越密度，從而提高了熔接處得強度。3）保壓時間對塑件強度的影響根據本文上述數據分析，可知保壓時間在本模擬試驗中，對塑件強度的影響僅次于熔體溫度，根據表3.1可畫出圖3.7.圖3.7 不同保壓時間對塑件強度的影響由圖3.7可看出，塑件強度在6-8s時間內隨保壓時間的增加而減弱，而8-12s卻隨保壓時間逐漸增加。這是因為對于含纖維的塑料件，保壓時間的增加會影響纖維的取向，從而減低塑件強度。但進一步增加保壓時間，纖維在保壓壓力的作用下會得到強化，從而增加塑件強度。4）模具溫度對塑件強度的影響根據表3.1可得如圖3.8：圖3.8 不同模具溫度對塑件強度的影響由圖3.8知，當熔體溫度處于40到60

46、之間時，塑件強度呈下降趨勢，這是因為模具溫度會影響熔體中纖維的取向。而當模具溫度大于60時，塑件強度不斷地增強，由于模具溫度升高有利于熔料的流動，使熔接痕的結合更加平穩(wěn)，從而得到強度較好的熔接痕，因此塑件強度得到提高。5）保壓壓力對塑件強度的影響同上，利用ALGOR和Moldflow模擬出的結果，可得到不同保壓壓力對塑件強度的影響如圖3.9圖3.9 不同保壓壓力對塑件強度的影響在本模擬試驗中，保壓壓力對塑件強度的影響是最小的，但這種影響不是單調的。對于纖維增強聚合物，保壓壓力的增加會引起熔接區(qū)的纖維取向混亂而降低熔接痕強度，但也會加強纖維在熔接界面的穿越而使熔接痕強度增強。實驗中可以發(fā)現(xiàn)保壓壓

47、力由80（%）增加到100（%）時，強度是降低的，而由100（%）增加到120（%）時，強度確實增加的。3.4 本章小結本章主要介紹利用有限元模擬分析軟件Moldflow，對注射成型過程及成型塑件進行模擬注塑分析，利用ALGOR中的特征值屈曲分析對Moldflow中導出的塑件進行強度分析。并且通過 Taguchi 方法設計實驗，研究不同成型工藝參數對PA6（含50%纖維）熔接痕性能的影響。通過對實驗中所得的數據分析發(fā)現(xiàn)，影響熔接痕性能的最主要工藝參數為熔體溫度，其次為保壓時間和模具溫度，而保壓壓力影響較小?？偨Y與展望本論文首先介紹了熱流道技術在國內外的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，然后進一步了解了熔接痕形成

48、的基本原理和影響熔接痕的各種因素，以及控制熔接痕的一些簡單方法。闡述了熱流道的基本結構和工作原理，熱別關注了熱流道系統(tǒng)中的針閥式澆注技術對塑件熔接痕性能及位置的影響，通過有限元模擬軟件進行模擬注塑和性能研究。從而得出利用熱流道針閥式澆注系統(tǒng)，能夠有效的地改善塑件的性能和強度，并且能很大程度地影響熔接痕的形成位置，使熔接痕的位置出現(xiàn)于對塑件性能影響不大的地方。由于熔接痕是影響塑件強度和表面質量的一個很重要的因素，國外利用熱流道控制熔接痕的位置和性能的技術已經很成熟，但在國內熱流道發(fā)展還處于起步階段，需要積極推廣利用。課題在研究過程中主要從理論及有限元模擬方面對熔接痕的形成和影響因素進行了分析。由于技術條件有限，在許多地方都存在不足。故有以下方面有待進一步研究。1） 在掌握熱流道理論的基礎上進一步了解認識熱流道的具體結構，以便更加貼近實際，提高預測的準確性。2） 進一步搜集關于注塑件熔接痕的資料，詳細分析熔接痕的形成機理以及能夠更好解決熔接痕對塑件性能的不利影響。3） 加強對有限元軟件的理論學習，研究不同參數對塑件性能的影響，使其能更好地模擬注塑