聚丙烯及其復(fù)合材料注塑件翹曲變形數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著汽車的發(fā)展，汽車零部件的美觀性和舒適性越來(lái)越受重視。汽車中大量?jī)?nèi)外飾塑件是通過(guò)注塑成型工藝制造的，但是該工藝制得的注塑件往往存在翹曲變形的缺陷。人們研究注塑件翹曲變形時(shí)通常通過(guò)定性分析來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)從而減小翹曲變形的程度，然而不通過(guò)實(shí)驗(yàn)仍然很難精確確定注塑件的實(shí)際翹曲變形。本文以車用聚丙烯（PP）、PP類熱塑性彈性體（TPO）和長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯（LGFRP）為研究對(duì)象，利用現(xiàn)有仿真軟件，在對(duì)材料屬性進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了該

2、類材料注塑件的翹曲變形精確預(yù)測(cè)體系。
　　PP及TPO注塑件的翹曲變形模擬計(jì)算分兩步完成，以避免流固耦合和熱力耦合計(jì)算，簡(jiǎn)化了有限元模型。第一步為模流分析，利用商用注塑成型軟件Moldex3D進(jìn)行模流分析，獲取注塑件不同時(shí)間的溫度分布：第二步為力學(xué)計(jì)算，在通用有限元軟件Abaqus中建立翹曲變形有限元模型，以第一步獲得的溫度分布作為邊界條件。改進(jìn)了PP及TPO材料屬性（PVT性能和本構(gòu)關(guān)系）的模型，分別開發(fā)了對(duì)應(yīng)的Abaqus用戶

3、子程序UEXPAN和UMAT，并嵌入到翹曲變形有限元模型中，成功在有限元計(jì)算中引入了影響PP及TPO注塑件翹曲變形的關(guān)鍵材料屬性。針對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料，首先通過(guò)X光斷層掃描技術(shù)測(cè)量了長(zhǎng)纖維在注塑件中的取向分布，采用圖像處理技術(shù)在Matlab中對(duì)纖維取向分布進(jìn)行了定量表征，驗(yàn)證了纖維取向分布Moldflow模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。然后在纖維取向結(jié)果基礎(chǔ)上模擬材料的力學(xué)性能，并應(yīng)用于該材料注塑件的局部力學(xué)性能和翹曲變形模擬預(yù)測(cè)中。論文取得

4、的主要研究成果如下：
　　1）PP及TPO標(biāo)準(zhǔn)PVT和DSC試驗(yàn)結(jié)果表明壓力不影響PP及TPO材料PVT曲線的形狀；壓力越大，結(jié)晶溫度就越大；冷卻速度對(duì)這些材料的結(jié)晶性能影響較大。結(jié)合材料的PVT性能和結(jié)晶性能，改進(jìn)了PVT曲線的數(shù)學(xué)模型，成功描述了該曲線在不同壓力、冷卻速度和結(jié)晶度下的不同表現(xiàn)，獲得了PP及TPO材料符合注塑成型實(shí)際加工條件的PVT曲線，開發(fā)了Abaqus子程序UEXPAN，實(shí)現(xiàn)了三維模型中的PVT曲線模擬，獲得

5、的PVT模擬曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高。
　　2）PP及TPO拉伸-壓縮連續(xù)加載試驗(yàn)結(jié)果表明其變形行為在所研究的應(yīng)變速率和溫度范圍內(nèi)具有明顯的應(yīng)變速率和溫度相關(guān)性，應(yīng)力應(yīng)變曲線卸載段的斜率取決于應(yīng)變極限的大小。采用Chaboche彈性-粘塑性模型描述了PP及TPO的本構(gòu)關(guān)系，并通過(guò)卸載彈性模量與總應(yīng)變加載極限的關(guān)系修正了Chaboche模型，獲得了連續(xù)本構(gòu)方程。采用試錯(cuò)法擬合不同溫度下各材料的拉伸-壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，獲得了不同材料

6、Chaboche彈性-粘塑性本構(gòu)模型的參數(shù)值，結(jié)果表明Chaboche模型預(yù)測(cè)的應(yīng)力應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)曲線吻合度較高。最后，成功開發(fā)了Abaqus用戶子程序UMAT，實(shí)現(xiàn)了Chaboche模型在翹曲變形有限元模型中的應(yīng)用。
　　3）在Abaqus中建立了注塑件翹曲變形模擬的有限元模型，以Moldex3D模流分析獲得的各時(shí)間點(diǎn)的溫度分布為邊界條件，嵌入了Abaqus用戶子程序UEXPAN和UMAT分別計(jì)算注塑件上的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，成功實(shí)

7、現(xiàn)了PP板、TPO復(fù)雜幾何體以及汽車手套箱內(nèi)板的翹曲變形模擬預(yù)測(cè)。結(jié)果表明所建立的有限元模擬系統(tǒng)不僅能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)簡(jiǎn)單PP注塑板、TPO復(fù)雜幾何體以及汽車手套箱內(nèi)板的翹曲變形分布趨勢(shì)和過(guò)度收縮位置，還能模擬簡(jiǎn)單注塑板最大撓度的大小。
　　4）為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料的翹曲變形模擬，對(duì)注塑件內(nèi)纖維取向分布和等效彈性模量進(jìn)行了模擬及驗(yàn)證。首先利用商用模流分析軟件Moldflow進(jìn)行纖維取向的模擬預(yù)測(cè)，并通過(guò)X光掃描和圖像處理技術(shù)定

8、量表征和分析了注塑件中的長(zhǎng)纖維分布；然后結(jié)合玻璃纖維及PP基體的力學(xué)性能，在材料設(shè)計(jì)軟件Digimat中通過(guò)Mori-Tanaka微觀力學(xué)模型預(yù)測(cè)纖維增強(qiáng)聚丙烯注塑板典型方向的最終力學(xué)性能；最后對(duì)汽車儀表盤翹曲變形以及局部彈性模量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。Moldflow纖維取向模擬結(jié)果中纖維的取向方向與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，能夠描述纖維從表層至芯層的旋轉(zhuǎn)；纖維取向程度在厚度方向上的平均值與實(shí)際平均值相近。纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料板的Digimat模擬結(jié)果顯