聚丙烯及其復合材料注塑件翹曲變形數值模擬與實驗研究.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越受重視。汽車中大量內外飾塑件是通過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通常通過定性分析來優(yōu)化工藝參數從而減小翹曲變形的程度，然而不通過實驗仍然很難精確確定注塑件的實際翹曲變形。本文以車用聚丙烯（PP）、PP類熱塑性彈性體（TPO）和長玻璃纖維增強聚丙烯（LGFRP）為研究對象，利用現有仿真軟件，在對材料屬性進行充分研究的基礎上，開發(fā)了該

2、類材料注塑件的翹曲變形精確預測體系。
　　PP及TPO注塑件的翹曲變形模擬計算分兩步完成，以避免流固耦合和熱力耦合計算，簡化了有限元模型。第一步為模流分析，利用商用注塑成型軟件Moldex3D進行模流分析，獲取注塑件不同時間的溫度分布：第二步為力學計算，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。改進了PP及TPO材料屬性（PVT性能和本構關系）的模型，分別開發(fā)了對應的Abaqus用戶

3、子程序UEXPAN和UMAT，并嵌入到翹曲變形有限元模型中，成功在有限元計算中引入了影響PP及TPO注塑件翹曲變形的關鍵材料屬性。針對玻璃纖維增強PP復合材料，首先通過X光斷層掃描技術測量了長纖維在注塑件中的取向分布，采用圖像處理技術在Matlab中對纖維取向分布進行了定量表征，驗證了纖維取向分布Moldflow模擬結果的準確性。然后在纖維取向結果基礎上模擬材料的力學性能，并應用于該材料注塑件的局部力學性能和翹曲變形模擬預測中。論文取得

4、的主要研究成果如下：
　　1）PP及TPO標準PVT和DSC試驗結果表明壓力不影響PP及TPO材料PVT曲線的形狀；壓力越大，結晶溫度就越大；冷卻速度對這些材料的結晶性能影響較大。結合材料的PVT性能和結晶性能，改進了PVT曲線的數學模型，成功描述了該曲線在不同壓力、冷卻速度和結晶度下的不同表現，獲得了PP及TPO材料符合注塑成型實際加工條件的PVT曲線，開發(fā)了Abaqus子程序UEXPAN，實現了三維模型中的PVT曲線模擬，獲得

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

6、Chaboche彈性-粘塑性本構模型的參數值，結果表明Chaboche模型預測的應力應變曲線與實驗曲線吻合度較高。最后，成功開發(fā)了Abaqus用戶子程序UMAT，實現了Chaboche模型在翹曲變形有限元模型中的應用。
　　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間點的溫度分布為邊界條件，嵌入了Abaqus用戶子程序UEXPAN和UMAT分別計算注塑件上的位移場和應力場，成功實

7、現了PP板、TPO復雜幾何體以及汽車手套箱內板的翹曲變形模擬預測。結果表明所建立的有限元模擬系統(tǒng)不僅能夠準確地預測簡單PP注塑板、TPO復雜幾何體以及汽車手套箱內板的翹曲變形分布趨勢和過度收縮位置，還能模擬簡單注塑板最大撓度的大小。
　　4）為實現長纖維增強PP復合材料的翹曲變形模擬，對注塑件內纖維取向分布和等效彈性模量進行了模擬及驗證。首先利用商用模流分析軟件Moldflow進行纖維取向的模擬預測，并通過X光掃描和圖像處理技術定

8、量表征和分析了注塑件中的長纖維分布；然后結合玻璃纖維及PP基體的力學性能，在材料設計軟件Digimat中通過Mori-Tanaka微觀力學模型預測纖維增強聚丙烯注塑板典型方向的最終力學性能；最后對汽車儀表盤翹曲變形以及局部彈性模量進行了預測。Moldflow纖維取向模擬結果中纖維的取向方向與實驗結果基本吻合，能夠描述纖維從表層至芯層的旋轉；纖維取向程度在厚度方向上的平均值與實際平均值相近。纖維增強PP復合材料板的Digimat模擬結果顯