聚合物注塑内应力计算的蠕变模型

从聚合物粘弹性理论出发,构建了注塑制品内应力计算的蠕变模型。结合蠕变试验结果,分析聚合物注塑粘弹性行为的非线性响应,并提出在应力、温度作用下聚合物弹性模量和粘度的计算公式。在此基础上,利用有限元法对工程塑料ABS(Acrylonitrile butadiene styrene)平板注塑制件脱模前的内应力进行了模拟计算并与相关试验数据及模拟结果进行比较。结果表明该模型计算精度较高,且计算过程简便,为进一步准确预测注塑制件内应力提供了新的途径。     

注塑制品残余应力数值模拟的研究

通过预测和优化注塑成形中的残余应力，可以提高注塑制品最终形状的尺寸稳定性和力学性能。采用线性粘弹性模型，计算了无定形热塑性材料在成形过程中由温度和压力引起的残余应力。该模型可以较好地反映成形过程中的应力松弛现象和保压压力对残余应力的影响。通过采用在时间上进行差分和在厚度方向进行分层处理的方法，结合注塑成形中的特定边界条件，建立了残余应力的数值计算方法，并采用该方法模拟计算了典型注塑件的残余应力。结果表明：在脱模时刻，制品的表层有着较大的拉应力，袁层以下存在着一个应力低谷，在制品中间区域存在着抛物线形的应力分布。     

残余应力对碳纤维填充聚合物注塑制品电阻率的影响

为了研究残余应力对注塑导电高分子复合材料导电性能的影响,以碳纤维填充聚合物注塑成型为试验对象,采用剥层法计算制品的残余应力,测量退火前后制品各层的电阻率变化,得到注塑工艺、残余应力和制品电阻率之间的关系。为了提高计算结果的可靠性,采用连续追踪截面形貌测量各层的纤维取向,并将结果集成于制品残余应力计算中。研究结果表明,残余应力对制品电阻率的影响主要集中在表层,芯部影响较小。在退火处理过程中,受残余应力释放和高分子链动态回复运动的双重影响,碳纤维在基体中分布状态更加均匀,提高了导电网络结构的连续性,从而使制品电阻率下降。残余压应力越高,退火过程中高分子链动态回复越快,制品表层电阻率下降越多,制品导电性能越好。     

GH4169合金的高温应力松弛行为及蠕变本构方程

针对涡轮盘用GH4169合金,在不同温度(550,650,750℃)下开展了应力松弛试验,并根据应力松弛曲线建立了蠕变本构方程。结果表明:GH4169合金在不同温度下的应力松弛曲线呈现出相同的特点,整个应力松弛过程可以分为快速松弛和缓慢松弛并趋于稳定两个区段;拟合曲线与试验曲线的符合程度表明二阶指数衰减函数可以很好地用来描述该合金的应力松弛过程;不同温度下应力-蠕变应变速率关系曲线可划分为低应力区、过渡区和高应力区三个区段,在低应力区与高应力区,应力与蠕变应变速率关系基本呈线性相关;通过Origin8.0软件对应力-蠕变应变速率关系曲线进行拟合得到了不同温度下的材料常数,建立了该合金的蠕变本构方程。     

GH4169合金的反常应力松弛行为

对GH4169合金在500,620,720℃下进行了应力松弛、蠕变和热膨胀试验,结合显微组织观察研究了合金的应力松弛行为。结果表明:在500℃和620℃应力松弛试验过程中,GH4169合金的应力随时间的延长反常增大,在蠕变过程中表现为负蠕变应变,而在720℃下合金的应力松弛和蠕变行为均正常;在不同温度热膨胀试验过程中,GH4169合金均出现了收缩现象;γ″相析出使得γ基体的晶格常数减小,是导致GH4169合金在620℃下应力反常增大的主要原因。     

不同温度下胶乳复合垫片蠕变松弛特性分析

螺栓法兰接头的垫片在高温下长期使用,会发生蠕变松弛。垫片的蠕变松弛会导致接头内部流体泄漏,因此建立一种预测密封垫片蠕变和应力松弛的方法尤为重要。利用三参量开尔文流体模型建立一种预测垫片高温蠕变残余应力随时间变化的解析模型,并对胶乳复合垫片进行不同温度、不同应力载荷的蠕变松弛实验。研究结果表明：胶乳复合垫片在相同应力载荷下温度越高残余应力整体下降越明显,且应力载荷越大,损失的应力越多,随时间的推移,残余应力下降逐渐平缓;垫片的高温蠕变松弛行为会导致垫片质量和厚度下降,但随着垫片应力载荷的继续增加,垫片质量和厚度下降的趋势会有所减缓,而随温度的增加,质量和厚度持续降低,且下降趋势不会变缓。三参量开尔文流体模型的预测值与实验数据非常接近,最大误差为4.104%,该模型可以准确地描述垫片的力学行为以及垫片由于蠕变松弛引起的应力载荷损失。     

基于蠕变公式的时效应力松弛行为预测模型

研究时效成形过程蠕变与应力松弛行为的关联规律及其转换模型。通过分析金属材料蠕变与应力松弛行为的产生机理及其相互关系,分别建立基于加工硬化假说和时效假说的蠕变-应力松弛基本转换模型。在此基础上,针对蠕变/应力松弛时效成形过程将蠕变与时效同步进行的特征,进一步建立基于蠕变公式的时效应力松弛行为预测模型。以铝合金7055T6为试验材料,在120℃时效温度下分别进行不同应力水平下的蠕变与应力松弛试验,利用SPSS和Origin软件,开展蠕变本构方程中的材料常数拟合分析,并引入时效应力松弛预测模型,实现对应力松弛行为的预测。经不同应力水平下的预测结果与试验结果对比分析表明,该模型能较好地实现对时效成形过程中的应力松弛行为预测。     

精密镗床床身制造过程残余应力的仿真与试验研究

针对残余应力会造成精密镗床精度保持性变差的问题,对精密镗床床身制造过程中的残余应力进行了仿真和试验研究。应用ProCAST与ABAQUS软件对精密数控卧式坐标镗床床身的铸造、粗加工和热时效工艺进行数值模拟,得到各工序中床身残余应力的分布规律。基于钻孔应变法对床身关键点残余应力进行跟踪试验,结果表明,在精密镗床床身制造过程中,残余应力仿真结果与试验结果基本吻合,从而验证床身制造过程多工序连续仿真的有效性。     

弯曲残余应力对转子蠕变性能的影响研究

针对某600 MW火力发电机组高中压合缸汽轮机转子的中部弯曲进行分析,认为高温蠕变和残余应力的耦合作用是导致转子发生塑性永久变形的主要原因。首先按照转子结构图利用有限元软件ANSYS建立精细化的三维实体模型,并进行温度场和应力场的有限元分析。在此基础上对高中压转子进行热-固耦合分析,通过对转子材料蠕变试验数据进行处理,得到Norton蠕变模型参数,并在ANSYS中对转子的高温蠕变和残余应力进行有限元仿真。研究表明,单纯的高温蠕变不足以引起转子在启动过程中发生弯曲,耦合残余应力的作用后该高中压转子会在很短时间内发生弯曲值超标,选取Norton三参数模型和残余应力生成方法比较有效。该研究对高中压合缸转子中部弯曲原因分析具有借鉴和指导作用。     

车灯塑件退火状态下应力松弛规律研究

针对注塑件中普遍存在残余应力这一问题,以材料为聚碳酸酯(PC)的车灯塑件为例,对注塑件在退火工艺下的应力松弛规律进行了研究,对工业玻璃在退火状态下的应力松弛计算公式进行了分析,提出了一种针对聚碳酸酯(PC)材料在退火状态下的应力松弛的数学模型。采取实验的方法,利用钻孔法对3种不同退火状态下得到的车灯塑件的残余应力进行了检测,根据其中测得的两组残余应力数据计算出了应力松弛数学模型中的待定参数,建立起了退火时间、退火温度、退火前残余应力以及退火后残余应力四者之间的关系,并将由该数学模型计算得到的残余应力与第3组测得的残余应力数据进行了对比。研究结果表明,通过由模型和实验得到的结果两者的误差非常小,因此说明该数学模型具有较高的可靠性与准确性。     

基于双弹簧双活塞本构模型的聚合物密封材料黏弹特性表征

提出一种新型的双弹簧、双活塞黏弹性本构模型来表征聚合物密封材料黏弹特性,并推导相应的蠕变方程和应力松驰方程。以聚四氟乙烯和聚醚型聚氨酯,在CETR UMT-2型试验机及LKDM-2000轮廓摩擦磨损仪上考察其蠕变、松驰特性,并与本构模型计算结果进行比较。该本构模型计算得到的聚四氟乙烯和聚醚型聚氨酯的蠕变、松驰特性与实验结果基本一致,表明该本构模型能较好地反映这2种聚合物材料的黏弹性质。     

Three-dimensional numerical modeling of an induction heated injection molding tool with flow visualization

Using elevated mold temperature is known to have a positive influence of final injection molded parts. Induction heating is a method that allow obtaining a rapid thermal cycle, so the overall molding cycle time is not increased. In the present research work, an integrated multi-turn induction heating coil has been developed and assembled into an injection molding tool provided with a glass window, so the effect of induction heating can directly be captured by a high speed camera. In addition, thermocouples and pressure sensors are also installed, and together with the high speed videos, comparison of the induction heating and filling of the cavity is compared and validated with simulations. Two polymer materials ABS and HVPC were utilized during the injection molding experiments carried out in this work. A nonlinear electromagnetic model was employed to establish an effective linear magnetic permeability. The three-dimensional transient thermal field of the mold cavity was then calculated and compared with the experiments. This thermal field was transferred to an injection molding flow solver to compare simulations and experimental results from the high speed video, both with and without the effect of induction heating. A rapid thermal cycle was proved to be feasible in a mold with an integrated induction coil. Furthermore, it was shown that the process can be modeled with good accuracy, both in terms of the thermal field and of the flow pattern.     

玻璃精密模压成形的研究进展

玻璃精密模压成形是一种高效率、绿色环保的先进光学元件制造技术,近年来得到了飞速发展。本文首先介绍了光学元件的需求与种类,提出玻璃精密模压成形技术存在的问题。综述了国内外近年来精密模压成形光学透镜的重要研究进展,其中包括光学玻璃材料、模具材料与涂层、模具加工、模压过程仿真以及各种参数对透镜质量的影响。阐述了光学模压成形元件的坯料、镀膜技术和冷加工技术、成形元件的残余应力分布以及折射率、模具与玻璃间摩擦效应、模具的补偿技术、成形透镜质量的预测、模压技术的其他应用等。最后,对未来光学玻璃精密模压成形趋势进行了预测。     

残余应力松弛和自增强处理压力对在役高压容器的安全影响

为了确定残余应力松弛和自增强处理压力对在役高压容器安全性能的影响,通过分析测试结果获得了残余应力的松弛规律,计算了在工作压力、残余应力作用下的当量等效应力沿壁厚分布情况,模拟计算出了不同的工作压力、自增强处理压力下的安全系数,推导出了最佳自增强处理压力。结果表明所研究的高压聚乙烯反应管在使用10年后,环向应力在近内壁区衰减最快,从-600MPa衰减到-333MPa,衰减率达45%;在弹性区衰减较小,残余应力峰值位置外移,但其峰值大小变化不大。对于自增强处理后的压力容器,在工作压力作用下,随着残余应力的松弛,内壁面当量等效应力增大,当量等效应力在弹塑性交界处最大,应该按此处的当量等效应力计算安全系数。依据示例聚乙烯反应管尺寸,模拟计算出在工作压力分别为180、280、380MPa时,经过自增强处理压力分别为606、677、743MPa的最佳自增强处理后,其安全系数比残余应力全部衰减为0时分别高16%、26%、37%。压力容器工作压力越大,经最佳自增强处理后安全系数增大得越多,但残余应力衰减对其安全影响越大。     

基于粘弹本构模型的注射成型充填过程模拟研究

为反映聚合物粘弹属性对注塑产品质量的影响,基于粘弹本构模型,对三维薄壁制件的注射成型充填过程进行了数值模拟研究。针对三维薄壁件,经合理简化假设,建立了其充填成型过程的数学模型,采用不可压缩Leonov粘弹本构模型。采用有限元/有限差分法来求解压力场和温度场,采用控制体积法来实现前沿界面跟踪,采用4阶龙格-库塔方法求解弹性应变张量。以一薄壁圆盘为例,对其注射充填过程中的充填时间及压力、剪切应力和第一法向应力差分布进行了数值模拟。模拟结果与前人的实验结果吻合较好,说明了本文建立的模型和数值方法的有效性及可靠性。     

Three-dimensional numerical simulation for plastic injection-compression molding

Compared with conventional injection molding, injection-compression molding can mold optical parts with higher precision and lower flow residual stress. However, the melt flow process in a closed cavity becomes more complex because of the moving cavity boundary during compression and the nonlinear problems caused by non-Newtonian polymer melt. In this study, a 3D simulation method was developed for injection-compression molding. In this method, arbitrary Lagrangian- Eulerian was introduced to model the moving-boundary flow problem in the compression stage. The non-Newtonian characteristics and compressibility of the polymer melt were considered. The melt flow and pressure distribution in the cavity were investigated by using the proposed simulation method and compared with those of injection molding. Results reveal that the fountain flow effect becomes significant when the cavity thickness increases during compression. The back flow also plays an important role in the flow pattern and redistribution of cavity pressure. The discrepancy in pressures at different points along the flow path is complicated rather than monotonically decreased in injection molding.     

双曲肘连杆式合模装置数字样机刚柔耦合问题求解方法

目前精密塑料注射成型装备的数字样机广泛采用多刚体动力学系统,没有考虑机构运动过程中构件的内应力大小和分布情况,难以求解大位移的合模运动与小位移的结构变形的相互耦合问题。针对精密塑料注射成型装备复杂的动力学特性,建立双曲肘连杆式合模装置数字样机,并在此基础上柔性化处理拉杆、十字头连杆、前肘杆、销轴等关键零部件,获得拉杆的前22阶模态。在合模装置数字样机的仿真分析中,十字头连杆起动过程出现速度拐点,需要考虑十字头连杆的弹性变形。对双曲肘连杆式合模装置数字样机进行刚柔耦合动力学分析,通过中心差分法,求解合模装置数字样机起动过程中十字头连杆的弹性变形,为精密塑料注射成型装备新产品的开发提供了可借鉴的方法。