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计算机辅助设计与工程分析

从前面讨论过的经验法则和基本几何形状工程设计的指导中可知,制品的壁厚、吹胀比和薄弱处必须精确地预测。下面将指导模塑的制品怎样不被吹破以及影响聚合物薄厚的其他因素。
6.1 性能标准
对于有性能标准要求的工业制品或瓶子和容器来说,所用的材料成本是一个重要因素。此外,还需要定量的预测局部的或者整个的制品壁厚分布以及定量和定性地了解怎样和在哪个位置使材料减少。同样重要的因素是几何因素,例如形状、吹胀比、斜度、半径及所有影响最后制品壁厚的因素。
这些论点可以用有限元分析软件去论述。
6.2计算机软件模拟
模塑型坯的计算机模拟软件仍处于开发时期,现有的商业化程序软件根据加工过程模型、流体流动、固体形变等因素进行模拟,如图6.1所示
挤出吹塑型坯能用流体流动理论的计算机软件程序进行模拟,并预测在截坯前挤出聚合物的形状和厚度。然而,一旦聚合物被“截坯”了,它的吹塑行为就被模拟了。这种模拟有助于在加工前对制品、型坯和模具设计的了解。它能提供制品是否达到所需要的壁厚、结构要求和最佳的模塑周期等数据。更进一步说,它的一个重要特征是有模拟壁厚、吹胀比、冷却条件等数据的能力,并为达到最佳的产品质量对型坯的设计或加热位置提供了有益的指导。
总之,完整的模拟过程可以预测下面的条件:
1) 机头冷却对聚合物温度的影响;
2) 挤出型坯重力或下垂的影响;
3) 挤出聚合物最后的壁厚和流动速率(熔体指数);
4) 加工过程对操作参数的敏感性。
6.3 减少型坯厚度
使用的流体流动理论计算机模拟软件(C-MOLD)是一个商业化的软件产品,目的是依据一个装洗涤剂的挤出吹塑瓶,把原有的挤出型坯厚度从2.29mm减少到1.52mm的实例来显示设计方案,要求是确定最后的厚度是否仍能满足产品的特殊性并预测能减少多少冷却时间。
在图6.2(a)中计算机模拟(C-MOLD)显示了对两个初始型坯厚度所预测的最终壁厚。最薄处是在瓶子的转角处,原有的型坯约为0.48mm,减薄后的型坯约为0.38mm,壁厚减少了大约21%。因为在瓶盖附近的壁厚处没有较大的拉伸,所以用此处来确定冷却时间。用1.52mm厚的型坯,在截坯口处快速冷却并允许瓶子立刻顶出。因为冷却时间是和厚度的平方成比例,所以1.52mm厚的型坯将转角处壁厚用相对小的调整方法给出一个较短的生产周期。
图6.2(b)显示了1.52mm的型坯有相当短的生产周期,估计冷却时间能由原来型坯的17s减少到新设计的7s,时间减少了59%,这将对生产效率产生很大影响。
此软件也能显示面积/拉长比的分布,即型坯拉长的面积与它原来表面之比是多少。转角处的面积比制品其他部分的面积明显拉长多些,这个拉伸数据能从图上显示返回到原来的型坯上[图6.2(c)],图中很精确地显示了怎样改进1.52mm厚的型坯设计,以便达最到最佳均匀的壁厚。拉伸数据能从图显示返回到面积/拉伸比上,即允许型坯在选定的面积上由程序设计得更厚些。例如:如果制品特性要求转角处厚些,程序化设计将把型坯被吹到转角处的面积设计得厚一些,而不是整个型坯都厚。虽然此程序不包括这种情况的分析,但借助于前面图形面积/拉伸数据,可改善型坯下垂变薄的设计,并能在节约材料和制品质量两者之间保持最佳的平衡。
6.4 熔体流动的有限元模拟
另一个聚合物流动软件程序“Polyflow”是以熔体流动为根据,利用牛顿流动理论进行材料的有限元模拟。
6.4.1 模 型
图6.3为模具流体型坯的剖面图。在这个成型加工中,流动的型坯将在吹塑压力的影响下而膨胀。在膨胀过程中,型坯的厚度逐渐减少,直到流体碰到模具壁为止,在接触的瞬间速度分量消失,而切线方向的滑动仍存在。
6.4.2 模  拟
下面是吹塑成型加工过程数字中的模拟,图6.3是典型的三维尺寸容器示意图。图6.4显示了模具几何形状的两个视图,注意几何形状是用两个对称的可进行计算的投影图形,容器颈部内的半径是1.5cm。
最初流动型坯的有限元网格显示在图6.3中,在流动区内一些元素和节点数通过计算可保持准确不变,而重分网格算法仅影响元素的几何形状。最初的型坯假定其厚度分布均匀,从几何观点出发,最初的型坯内半径是1cm。就是在这个水平上,型坯的初始形状还不是最佳的。然而,对于选择最佳的初始型坯形状,材料分子运行轨迹将会给出有用的信息。
当吹塑压力p=105 Pa,熔体流动速率等于2104 Pa/s时,图6.5显示了不同时间膨胀过程的数字结果。首先,发现总的吹塑时间约为0.15s,在这种情况下,可以观察到膨胀首先发生在水平方向,然后在垂直方向。吹胀初期,型坯膨胀较慢,到后期,膨胀加速,这是由于膨胀综合了恒定压力和厚度减少的效果所致。
现在再观察流体型坯和模具表面之间的接触。首先,接触是在容器的颈部产生。这里,吹塑产品的厚度是非常重要的,并将基本保持不变。考虑到模具表面的流体没有滑动的边界条件,当膨胀过程在进行时,在厚度减薄的同时产生了运动。在结束加工过程时,制品底部的厚度是薄的。这就直接导致了当接触发生时,流体没有滑动的边界条件。
图6.6显示了在一定的时间间隔里,两个对称断面平面的型坯形状,型坯和厚度的运动是随时间函数而改变的。
高效率机械技术的发展与健全的网格计算方法相结合,使吹塑成型加工过程可以进行三维数字化模拟,并可预测吹塑时间及流体动力学的发展和最后的壁厚,可计算吹塑制品的壁厚分布,从而给出最初的形状。
6.4.3 预测实例
聚合物流动软件应用的实例如图6.7所示。此程序预测挤出聚合物在截坯前的形状和厚度,一旦夹住型坯,就开始模拟聚合物的吹塑加工过程。而且对于全过程,也会预测到下列内容:
1) 由机头冷却引起的聚合物温度变化;
2) 挤出的型坯受重力下垂的影响;
3) 给出制品的最后壁厚和挤出物的流动速率;
4) 加工过程对操作参数的敏感性。
6.5 聚合物吹胀和壁厚分析
利用固体形变理论已经发展了另一个软件程序PITA(聚合物吹胀和壁厚分析软件)。这个软件利用型坯膨胀和模具闭合动力学证明了可以对实际吹塑制品上壁厚分布进行可靠的预测。具有代表性的是为型坯和每个半模的型腔表面产生了有限元网格。此外,有关的加工过程数据,例如型坯内部的压力对时间和挤出速度的关系等也被输入到模型中。产生的模拟结果将给出吹塑制品上任何位置的壁厚值,然后把这些结果用曲线绘出或输入到结构分析软件或程序中去。
6.5.1 几何形状
通过分析初始形状对一般几何形状的影响,可以掌握壁厚的分布。有时在一定的条件下,可以从实际制品的详细资料中用这些形状中的一个形状估算出壁厚分布。设计者或工程技术人员也能通过分析这些曲线而估算出壁厚分布。
6.5.2 壁厚
为了了解这些壁厚分布曲线的意图和用法,图6.8和图6.9展示了一个简单的圆柱形凸缘吹塑成型设计。正确的圆柱形(凹模)型腔的断面必须产生这个凸缘。在研究型腔表面和吹塑制品上的相同位置中,可以使用角度去确定特殊的位置。例如:型腔的顶边=90°,型腔的底部中心=0°,在特殊情况下,当H/D=1/4(或BR=0.25),没有转角半径(r=0)的情况下,PITA模型能根据图6.10所示的角度推导出显示真实壁厚分布的曲线。注意,提供的厚度是标准厚度,是吹塑壁厚(T)与原始型坯厚度(T0)的比值。这个特殊的曲线提供了“零半径解”,当半径加大到型腔底部转角时,产生了一个更从实际出发的情况。注意,对于曲线产生和提出的目的,总是看作转角半径是以它对型腔直径的比值(r / D)来表示的。对r / D=0.10和r / D=0.20的附加曲线已经归到了零半径的解(r / D=0)中了。如图6.11所示。必须注意,在半径面积外面的所有面积上新曲线和原始的r / D=0曲线相同的有趣现象。此外,在半径内的壁厚断面几乎接近于恒定。这是很重要的,因为当零半径必须给出时它能大大简化这个强有力的工具的使用。再看下面的实例。
6.5.2.1标准的壁厚曲线
用H/D=1/4的正确圆柱形曲线又一次显示了PITA曲线图的应用作用。
以这些实例来说,假定下面的尺寸为:
直径              D=25.4mm
高度              H=6.35mm
转角半径          r =0.787mm
型坯厚度          T0=3.175mm
实例1  在图6.12上找出凸缘的最小壁厚部分,利用tan[1 / H( D / 2 – r)]=62关系式计算。
标出图6.10上水平轴的值并设计出曲线,在垂直轴上读到T/T0
相对于62:T/T0=0.28
现在解出实际的壁厚
T=0.28T0=0.28×3.175=0.899mm。
因为壁厚部分沿着半径圆弧几乎是恒定的,也认为这就是在边缘半径内的壁厚。因为0.899mm壁厚是相当薄的,设计工程师必须考虑增加半径。
实例2 (图6.13)如果在凸缘顶部表面的中心打一个9.525mm的孔,切口处的壁厚是多少?
从图6.14的关系中找出b=4.76mm,
tan b/H=37
在图6.10的水平轴上找出T=37,设计出曲线,读出垂直轴上标准厚度。
相对于37,T/T0=0.65,解出切口处厚度T。
T=0.65T0=0.65×3.175=2.06mm
6.6 结论
计算机辅助设计和工程分析在设计模塑制品中已经变得非常重要,用这样的程序能真实地预测制品的壁厚、吹胀比、薄弱处以便使生产出的制品不被吹破。计算机模拟、熔体流动有限元模拟、聚合物吹胀和薄弱处分析等程序都是使设计者在生产模塑制品时得到帮助的程序。
注释:
C-PITA是以吹塑成型和热成型模拟为基础的软件系统,它是由GE Corporate Research &Development发展起来的,并得到GE Plastics进一步验证。Ac Technology享有这个软件的商业市场许可。C-PITA的发展得到了工业公司、工业专家及教育协会的共同支持。这种共同的努力包括从潜在的技术用户的反馈和修正信息,使C-PITA系统更加可靠,从而成为友好用户进行吹塑成型和热成型工业的有效分析工具。C-MOLD是一组为吹塑成型加工的集成CAE模拟系统。分析软件解释了注塑成型、共注塑成型、气辅注塑成型的现象。同时也分析了制品收缩和翘曲、反应成型加工、吹塑成型加工和热成型加工的现象。C-MOLD分析软件回答了所有的设计和制造加工阶段的问题,鉴别了可运转性的解决办法,改善了生产能力,并且提高了制品质量。C-MOLD分析软件可适用于所有的塑料工业领域。特别适用于聚合物供应业、汽车制造业、电子制造业、医药装置制造业、模具和工具制造业以及成型机械制造业等。

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