高光无痕注塑收缩率数值模拟方法的工程化研究

高光无痕注塑收缩率数值模拟方法的工程化研究

   以线性粘弹本构关系来分析高聚物的非线性粘弹行为虽然会带来理论误差,不过在注塑材料性能数据充足的前提下,其计算精度能够满足工程上的需要,问题在于实际应用中往往不具备数值模拟方法所需要的各种材料常数,从而限制了数值模拟方法的使用。

    四川大学在测量国产注塑材料性能数据方面做了许多工作,建成我国个注塑材料性能数据库,数据库中包括102 中常用塑料的幂律参数、不流动温度、导热系数、比热、热扩散系数、比容等性能数据。

    但即使是同一厂家生产的同一种塑料,当批号不同时,其性能也会有很大差异。由于注塑材料的各种材料常数的获得需要昂贵的实验设备、长时间的数据测量与大量的技术处理工作,所以要求塑料生产厂家对不同种塑料的不同批量都建立这些基础数据库是不现实的。目前我国注塑模具行业急需的是具有工程实用性的收缩率计算方法,要求能较简便地求得与给定的实际问题精度相适应的解。

    对注塑制品收缩率有影响的诸多因素可以划分为三类: 注塑材料特性、注塑工艺条件和模具成型结构。注塑材料特性表现为粘度、导热系数、比热、比容、松弛模量、弹性模量、泊松比等物理性能数据;注塑工艺条件指注射机操作者能够控制的料筒温度、注射速度、成型压力以及成型时间;

    模具成型结构包括模腔的形状与尺寸、浇注系统的位置与尺寸、冷却回路的位置与尺寸。模具成型结构从根本上决定了注塑制品的收缩率分布趋势,注塑材料特性与注塑工艺条件则是在此基础上影响注塑制品各点收缩率的具体数值。

    塑料生产厂家提供的某种塑料在某批量的收缩率平均值,在一定程度上代表了注塑材料的特性,所以在根据模具成型结构得出制品收缩率分布趋势后,可以结合塑料生产厂家提供的注塑材料收缩平均值来确定制品各点的收缩率。

    从而免去对注塑材料各种材料常数的测量求解工作。如果对注塑制品收缩率分布趋势的预测符合实际,那么通过调整注塑成型工艺参数使注塑制品实际收缩率值向预测收缩率值靠拢,就能够得到合格的塑料制品。

    由模具成型结构预测制品收缩率分布趋势,必须采取数学模拟的方法。注塑制品的收缩是通过比容缩小实现的,而影响高聚物比容值的根本因素是高聚物的温度与压力。为了获得制品各点的温度变化历程与压力变化历程,则需要进行流动、保压、冷却分析。

    求解每一时刻注塑制品的温度场与压力场,涉及到粘度等物性参数的计算问题。既然数学模拟的目的是得到收缩率分布趋势,要的是定性结论而非定量结论,因此可以选择两种已经测得材料性能数据的塑料(例如文献[ 11 ]提供的聚苯乙烯与聚丙烯) 分别代表非晶型塑料与结晶性塑料,以解决材料性能数据的输入问题。

    出于同样原因,模壁温度场的定量求解可以被定性求解所代替,通过叠加流道、型腔内各点热源与冷却系统内各点冷源对模壁的影响,获得模壁温度的分布趋势,这与以往通过迭代计算模具温度场与制品温度场来定量求解模具成型表面温度的方法相比,节约了大量的计算时间。

    通常在获得塑料比容的欲缩小程度后,都将其转化为等效的节点载荷,求解塑料制品在载荷与变形约束作用下的形变。如果能将比容的欲缩小程度直接转化为注塑制品的收缩位移,会大大简化计算过程。为此需要先明确注塑制品的收缩方向,建立能够对实际收缩情况进行合理解释的收缩规则。

    曾通过理论分析与实验验证,根据注塑成型过程中高分子的运动特点,提出注塑制品是以浇口为收缩中心,注塑制品上的各点均受到来自其所属流动区域浇口的收缩力,并在收缩过程中沿其流动路径向浇口进行收缩 。

    比容的欲缩小程度反映为收缩路径上网格步长的缩短程度。在模内收缩过程中,制品各点沿流动路径向浇口的收缩在受到模具成型表面约束的情况下,收缩位移中受阻碍的部分不能发生;脱模以后,制品各点的收缩不再受到阻碍。通过与实测的注塑制品收缩率相比较,验证了所计算出的制品收缩率分布趋势符合实际情况 。为使收缩率分布趋势与塑料的收缩率平均值Sa 联系起来,可以把计算得到的制品各点(模内收缩过程受到阻碍的节点除外) 相对于浇口的收缩率求和平均,其平均值以Sc 表示,然后将所有节点的计算收缩率乘以( Sa/ Sc) ,作为预测的收缩率值。

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