纖維增強(qiáng)塑料制品的纖維取向、殘余應(yīng)力、翹曲變形及濕熱老化的數(shù)值模擬.pdf

1、短纖維增強(qiáng)塑料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能，在汽車、機(jī)械裝備和電子電器等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。注射成形是短纖維增強(qiáng)塑料最高效的成形方式。該工藝過程包含自由界面運(yùn)動、塑料與纖維相互作用、熱傳導(dǎo)和相變等多個(gè)物理和化學(xué)過程，十分復(fù)雜。因此，通過注射成形生產(chǎn)合格的短纖維增強(qiáng)塑料產(chǎn)品是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，其難點(diǎn)和特殊性主要體現(xiàn)在：1）纖維在成形中發(fā)生取向行為，嚴(yán)重影響產(chǎn)品性能，但其形成機(jī)理復(fù)雜，調(diào)控難度大；2）成形中的冷卻過程會使制品產(chǎn)生殘余應(yīng)力，

2、引起產(chǎn)品翹曲變形，二者幾乎受所有成形工藝參數(shù)影響，難以定量分析與優(yōu)化；3）制品使用過程中的濕熱老化會造成其性能惡化，且受纖維取向和殘余應(yīng)力水平的影響，但濕氣擴(kuò)散過程的影響因素及規(guī)律尚不明晰，難以預(yù)測。
　　面對上述纖維取向、殘余應(yīng)力、翹曲變形和濕熱老化等復(fù)雜問題，傳統(tǒng)依賴經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整成形工藝參數(shù)的試錯法不僅成本高、改進(jìn)空間有限、難以同時(shí)兼顧濕熱老化問題，而且在很多情況下會失效，無法給出令人滿意的結(jié)果。建立相關(guān)過程的數(shù)理方程，采用數(shù)值

3、計(jì)算的方法來近似求解，進(jìn)而優(yōu)化控制，是解決該問題相對經(jīng)濟(jì)和有效的手段。
　　本文基于表面模型，針對纖維取向、殘余應(yīng)力、翹曲變形和濕氣傳播數(shù)值模擬的難點(diǎn)進(jìn)行研究，具體內(nèi)容如下。
　　單根纖維的取向用單位向量來表征，相應(yīng)的取向變化方程根據(jù)動力學(xué)原理建立。纖維增強(qiáng)塑料熔體中眾多纖維的取向，用概率密度函數(shù)來描述，其變化過程滿足Fokker-Planck方程。結(jié)合單根纖維取向變化方程和Fokker-Planck方程，可以推導(dǎo)出描述纖維

4、取向張量演化的 Folgar-Tucker方程。數(shù)值求解 Folgar-Tucker方程，可以得到注射成形過程中的纖維取向。其難點(diǎn)在于算法的穩(wěn)定性。針對以上難點(diǎn)，本文提出了基于 IBOF閉合近似法，運(yùn)用有限元/有限差分混合法離散Folgar-Tucker方程，并用Lagrange乘子法來處理計(jì)算穩(wěn)定性的數(shù)值算法。通過與試驗(yàn)對比，該算法精度較高。
　　結(jié)合計(jì)算得到的纖維取向張量，可以計(jì)算纖維增強(qiáng)制品的各向異性殘余應(yīng)。其難點(diǎn)在于建立考

5、慮應(yīng)變歷史的各向異性熱-粘彈性本構(gòu)方程和殘余應(yīng)力高精度算法。針對以上難點(diǎn)，本文提出了適合短纖維增強(qiáng)材料的各向異性熱-粘彈性本構(gòu)方程。并結(jié)合注射成形實(shí)際過程，給出了殘余應(yīng)力的數(shù)值算法。通過盲孔法測量殘余應(yīng)力，驗(yàn)證了該算法的準(zhǔn)確性。
　　以殘余應(yīng)力作為載荷，制品的翹曲變形能夠被計(jì)算出來。基于表面模型的翹曲變形計(jì)算模型的難點(diǎn)在于構(gòu)造高效的偏心平板殼單元和多點(diǎn)約束方程。針對以上難點(diǎn)，本文采用膜單OPT和板單元DKT作為母單元，構(gòu)造了性能優(yōu)

6、良的偏心殼單元EOPT-EDKT；并基于域分解理論和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論分別推導(dǎo)出相同的多點(diǎn)約束方程，該方程可以確保收斂性。通過試驗(yàn)和對比，驗(yàn)證了新模型的準(zhǔn)確性。
　　注射成形短纖維增強(qiáng)塑料制品在濕熱環(huán)境中服役，濕熱環(huán)境對材料性能的具有重要影響。該過程可分為兩部分來研究：濕氣的傳播和濕氣對力學(xué)性能的影響。其難點(diǎn)在于環(huán)境因子對擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律不明和濕氣對性能的影響難以量化。針對以上難點(diǎn)，本文用試驗(yàn)方法分析了溫度、濕度和纖維濃度對濕氣擴(kuò)

7、散過程影響，并建立了相應(yīng)的模型。基于合理假設(shè)，提出了濕氣擴(kuò)散的數(shù)值算法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了它的精度。同時(shí)，通過拉伸試驗(yàn)和DMA試驗(yàn)分別研究了水分對纖維增強(qiáng)塑料的靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能的影響。
　　基于以上研究，開發(fā)了相應(yīng)的纖維取向、殘余應(yīng)力、翹曲變形和濕氣擴(kuò)散軟件模塊，并集成到HsCAE3D7.5系統(tǒng)中。合理地使用這些模塊不僅能有效地調(diào)控纖維取向，優(yōu)化殘余應(yīng)力和翹曲變形，減少濕氣吸收，提升產(chǎn)品質(zhì)量；而且能提高模具設(shè)計(jì)效率，減少試模次數(shù)，