【摘要】：随着汽车的发展,汽车零部件的美观性和舒适性越来越受重视。汽车中大量内外饰塑件是通过注塑成型工艺制造的,但是该工艺制得的注塑件往往存在翘曲变形的缺陷。人们研究注塑件翘曲变形时通常通过定性分析来优化工艺参数从而减小翘曲变形的程度,然而不通过实验仍然很难精确确定注塑件的实际翘曲变形。本文以车用聚丙烯(PP)、PP类热塑性弹性体(TPO)和长玻璃纤维增强聚丙烯(LGFRP)为研究对象,利用现有仿真软件,在对材料属性进行充分研究的基础上,开发了该类材料注塑件的翘曲变形精确预测体系。PP及TPO注塑件的翘曲变形模拟计算分两步完成,以避免流固耦合和热力耦合计算,简化了有限元模型。第一步为模流分析,利用商用注塑成型软件Moldex3D进行模流分析,获取注塑件不同时间的温度分布:第二步为力学计算,在通用有限元软件Abaqus中建立翘曲变形有限元模型,以第一步获得的温度分布作为边界条件。改进了PP及TPO材料属性(PVT性能和本构关系)的模型,分别开发了对应的Abaqus用户子程序UEXPAN和UMAT,并嵌入到翘曲变形有限元模型中,成功在有限元计算中引入了影响PP及TPO注塑件翘曲变形的关键材料属性。针对玻璃纤维增强PP复合材料,首先通过X光断层扫描技术测量了长纤维在注塑件中的取向分布,采用图像处理技术在Matlab中对纤维取向分布进行了定量表征,验证了纤维取向分布Moldflow模拟结果的准确性。然后在纤维取向结果基础上模拟材料的力学性能,并应用于该材料注塑件的局部力学性能和翘曲变形模拟预测中。论文取得的主要研究成果如下:1)PP及TPO标准PVT和DSC试验结果表明压力不影响PP及TPO材料PVT曲线的形状;压力越大,结晶温度就越大;冷却速度对这些材料的结晶性能影响较大。结合材料的PVT性能和结晶性能,改进了PVT曲线的数学模型,成功描述了该曲线在不同压力、冷却速度和结晶度下的不同表现,获得了PP及TPO材料符合注塑成型实际加工条件的PVT曲线,开发了Abaqus子程序UEXPAN,实现了三维模型中的PVT曲线模拟,获得的PVT模拟曲线与实验结果吻合程度较高。2)PP及TPO拉伸-压缩连续加载试验结果表明其变形行为在所研究的应变速率和温度范围内具有明显的应变速率和温度相关性,应力应变曲线卸载段的斜率取决于应变极限的大小。采用Chaboche弹性-粘塑性模型描述了PP及TPO的本构关系,并通过卸载弹性模量与总应变加载极限的关系修正了Chaboche模型,获得了连续本构方程。采用试错法拟合不同温度下各材料的拉伸-压缩应力应变曲线,获得了不同材料Chaboche弹性-粘塑性本构模型的参数值,结果表明Chaboche模型预测的应力应变曲线与实验曲线吻合度较高。最后,成功开发了Abaqus用户子程序UMAT,实现了Chaboche模型在翘曲变形有限元模型中的应用。3)在Abaqus中建立了注塑件翘曲变形模拟的有限元模型,以Moldex3D模流分析获得的各时间点的温度分布为边界条件,嵌入了Abaqus用户子程序UEXPAN和UMAT分别计算注塑件上的位移场和应力场,成功实现了PP板、TPO复杂几何体以及汽车手套箱内板的翘曲变形模拟预测。结果表明所建立的有限元模拟系统不仅能够准确地预测简单PP注塑板、TPO复杂几何体以及汽车手套箱内板的翘曲变形分布趋势和过度收缩位置,还能模拟简单注塑板最大挠度的大小。4)为实现长纤维增强PP复合材料的翘曲变形模拟,对注塑件内纤维取向分布和等效弹性模量进行了模拟及验证。首先利用商用模流分析软件Moldflow进行纤维取向的模拟预测,并通过X光扫描和图像处理技术定量表征和分析了注塑件中的长纤维分布;然后结合玻璃纤维及PP基体的力学性能,在材料设计软件Digimat中通过Mori-Tanaka微观力学模型预测纤维增强聚丙烯注塑板典型方向的最终力学性能;最后对汽车仪表盘翘曲变形以及局部弹性模量进行了预测。Moldflow纤维取向模拟结果中纤维的取向方向与实验结果基本吻合,能够描述纤维从表层至芯层的旋转;纤维取向程度在厚度方向上的平均值与实际平均值相近。纤维增强PP复合材料板的Digimat模拟结果显示,材料等效弹性模量模拟结果与实验结果的差异在8%以内;纤维取向分布引起的等效弹性模量的差异超过了20%,说明纤维的取向使材料产生了各向异性。纤维增强PP复合材料汽车仪表盘的翘曲变形Moldflow模拟结果与实验结果一致,未发现明显的翘曲变形。在汽车仪表盘各部分等效弹性模量的预测结果中,绝大部分位置模拟结果与实际测试结果较为接近。说明该方法能够用于长纤维材料的力学性能预测,也能为后续翘曲变形分析提供基础数据支持。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ325.14;TB332
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