【摘要】：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(nèi)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(shù)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(xiàn)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(gòu)關系)的模型,分別開發(fā)了對應的Abaqus用戶子程序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(shù)測量了長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(jié)果的準確性。然后在纖維取向結(jié)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。論文取得的主要研究成果如下:1)PP及TPO標準PVT和DSC試驗結(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,改進了PVT曲線的數(shù)學模型,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際加工條件的PVT曲線,開發(fā)了Abaqus子程序UEXPAN,實現(xiàn)了三維模型中的PVT曲線模擬,獲得的PVT模擬曲線與實驗結(jié)果吻合程度較高。2)PP及TPO拉伸-壓縮連續(xù)加載試驗結(jié)果表明其變形行為在所研究的應變速率和溫度范圍內(nèi)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(gòu)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(gòu)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(xiàn)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,成功實現(xiàn)了PP板、TPO復雜幾何體以及汽車手套箱內(nèi)板的翹曲變形模擬預測。結(jié)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(nèi)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(xiàn)長纖維增強PP復合材料的翹曲變形模擬,對注塑件內(nèi)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(shù)定量表征和分析了注塑件中的長纖維分布;然后結(jié)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(jié)果中纖維的取向方向與實驗結(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際平均值相近。纖維增強PP復合材料板的Digimat模擬結(jié)果顯示,材料等效彈性模量模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的差異在8%以內(nèi);纖維取向分布引起的等效彈性模量的差異超過了20%,說明纖維的取向使材料產(chǎn)生了各向異性。纖維增強PP復合材料汽車儀表盤的翹曲變形Moldflow模擬結(jié)果與實驗結(jié)果一致,未發(fā)現(xiàn)明顯的翹曲變形。在汽車儀表盤各部分等效彈性模量的預測結(jié)果中,絕大部分位置模擬結(jié)果與實際測試結(jié)果較為接近。說明該方法能夠用于長纖維材料的力學性能預測,也能為后續(xù)翹曲變形分析提供基礎數(shù)據(jù)支持。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ325.14;TB332

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本文編號：2698939