當(dāng)前塑料行業(yè)發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了飲料、引用水、藥品、食品、化學(xué)品和汽車行業(yè)等。^[1]一般情況下，制造商需要在有限的時(shí)間和成本里，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)新產(chǎn)品的包裝。然而，有限的時(shí)間及成本往往限制了設(shè)計(jì)師的思路，從而很難有所創(chuàng)新。但如今，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元仿真技術(shù)的應(yīng)用可使設(shè)計(jì)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)成本有所減少，使得設(shè)計(jì)師的概念設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。

塑料業(yè)中，吹塑成型是一種生產(chǎn)中空制品的加工過(guò)程，所用的模具只有凹模，僅適用于熱塑性塑料。^[2]吹塑成型是最常見(jiàn)的塑料成型方法之一，因其設(shè)備造價(jià)低，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛。隨著吹塑技術(shù)的發(fā)展， 制品形狀更加復(fù)雜，制品壁厚更加難保證均勻。^[3]同時(shí)，在吹塑成型過(guò)程伴隨著殘余應(yīng)力的出現(xiàn)。這些因素影響著塑件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

如圖1所示的塑料瓶，其強(qiáng)度需保證在使用的過(guò)程中不會(huì)破損。使用傳統(tǒng)的有限元方法，將零件作為等厚件分析，忽略了厚度薄弱的部分，分析結(jié)果并不能反應(yīng)真正的趨勢(shì)。故本文提出一種基于吹塑成型工藝的塑料件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法，能夠合理地分析計(jì)算塑料件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。此方法考慮到吹塑成型后，不均勻厚度以及殘余應(yīng)力對(duì)塑件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響：先應(yīng)用Abaqus/Explicit對(duì)塑料管進(jìn)行吹塑成型模擬，獲得塑件的形狀（非均勻厚度）以及殘余應(yīng)力，再把此塑件導(dǎo)入到Abaqus/Standard中，并映射厚度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)，精確進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

圖1 塑料瓶模型

1 吹塑成型分析

1.2吹塑成型建模

吹塑成型網(wǎng)格模型如圖3所示。將設(shè)計(jì)好的凹模劃分網(wǎng)格，創(chuàng)建模具的網(wǎng)格模型。建立吹塑管模型，裝配于模具中間位置。

圖3 吹塑分析有限元模型

1.2 材料和邊界設(shè)置

本文中，吹塑成型方法采用Abaqus顯式算法進(jìn)行求解，顯式算法求解速度快且收斂性良好。^[4]本文中主要分析非均勻厚度以及殘余應(yīng)力對(duì)強(qiáng)度的影響，所以吹塑管的材料模型采用簡(jiǎn)單的PET在高溫下的彈塑性模型，即定義材料密度為9.4E-010T/mm3，彈性模量10MPa，泊松比0.3，以及塑性參數(shù)如表1。

表1 塑性參數(shù)

在吹塑模型中，模具均設(shè)置為離散剛體，僅吹塑管為變形體。第一個(gè)分析步中，設(shè)置模具合模的位移，并設(shè)置吹塑管頭部的位移約束（需約束除Z向平移的其他自由度），施加吹塑管腔的Z向速度平移速度約束，及吹塑管腔上下側(cè)約束x向速度平移自由度，y、z向速度旋轉(zhuǎn)自由度，左右側(cè)約束y向速度平移自由度，x、z向速度旋轉(zhuǎn)自由度，在第二個(gè)分析步中，抑制吹塑管除頭部外的其他部位的約束，并約束吹塑管尾部的y向速度平移自由度，x、z向速度旋轉(zhuǎn)自由度。

圖4 吹塑分析中模具邊界條件

圖5 吹塑分析中吹塑管邊界條件

1.3 熱腔設(shè)置

在吹塑過(guò)程中，模具與吹塑管之間存在著熱交換，^[5]故在應(yīng)用有限元軟件分析吹塑成型中，需要設(shè)置模具與吹塑管之間的相互作用。本文中設(shè)置模具與吹塑管的摩擦接觸作用，摩擦系數(shù)為0.4，定義吹塑管腔為熱腔體，設(shè)置模具與吹塑管之間熱交換的相互作用。

1.3 吹塑成型結(jié)果

1.3.1 動(dòng)內(nèi)能比

本文中通過(guò)動(dòng)內(nèi)能比判斷該吹塑模型是否合理。模型的動(dòng)內(nèi)能曲線如圖6所示，可以看出隨著時(shí)間的增加，模型的內(nèi)能總體成上升趨勢(shì)，且在合模步驟完成后繼續(xù)吹塑時(shí)上升幅度較大，動(dòng)能在吹塑模擬過(guò)程中非常小，幾乎為0。所以動(dòng)內(nèi)能之比如圖7所示，隨著動(dòng)內(nèi)能比趨于平穩(wěn)時(shí)，其小于5%。由此可知，此吹塑成型分析結(jié)果是較為合理的。

圖6 吹塑分析的動(dòng)能與內(nèi)能

圖7 吹塑分析中的動(dòng)內(nèi)能比

1.3.2 厚度分布

吹塑件厚度分布如圖8所示，由圖可知，吹塑件并非等厚件，瓶口處的厚度最大，瓶身相比瓶口處厚度較小，很難看出瓶身的厚度分布。為了看出瓶身的厚度分布，將結(jié)果進(jìn)行過(guò)濾處理，可以清楚的看到瓶身左右兩側(cè)的厚度較小，上下兩側(cè)厚度較大。

（a）過(guò)濾前

（b）過(guò)濾后

圖8 吹塑分析后塑件厚度云圖

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度采用Abaqus隱式算法求解，隱式算法求解非線性靜力更為精確。材料選用常溫下PET材料屬性，如圖9所示為應(yīng)用本文所提出的方法建立的結(jié)構(gòu)分析模型：如圖10所示將吹塑成型厚后的材料厚度以及殘余應(yīng)力映射到PET塑料瓶上，再對(duì)此塑料件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，邊界條件為瓶口處全固定約束，瓶身上下兩側(cè)用半球模型擠壓，分析半球所受到的力，得出力-位移曲線，即為此塑料件強(qiáng)度的考量。

圖10 強(qiáng)度分析中的邊界條件

圖9 映射厚度及應(yīng)力場(chǎng)

3 強(qiáng)度分析結(jié)果

強(qiáng)度分析結(jié)果如圖11所示，圖（a）為傳統(tǒng)方法計(jì)算所得的等效應(yīng)力云圖，圖（b）為采用本文所述方法分析的等效應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，雖然二者應(yīng)力分布趨勢(shì)基本相同一樣，但是二者在應(yīng)力數(shù)值上是有所差別的，傳統(tǒng)方法分析所得的應(yīng)力值稍大一點(diǎn)。

（a）均勻厚度分析（傳統(tǒng)方法）

（b）非均勻厚度分析（新方法）

圖11 強(qiáng)度分析后等效應(yīng)力云圖

圖12為二者在強(qiáng)度分析中的力-位移曲線圖，由于考慮到塑件的加工工藝，非均勻厚度塑件的強(qiáng)度稍低于均勻厚度塑件的強(qiáng)度。

圖12 不同方法計(jì)算所得的力-位移曲線

4 結(jié)論

（1）進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，考慮產(chǎn)品制造工藝。將吹塑成型的吹塑工藝考慮到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中，更為合理準(zhǔn)確地對(duì)塑件強(qiáng)度進(jìn)行分析。

（2）運(yùn)用不同算法各自的優(yōu)點(diǎn)，將顯式分析的結(jié)果映射到隱式求解的結(jié)構(gòu)分析中。完美地將制造過(guò)程模擬與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度模擬融合到一起。

（3）考慮吹塑工藝的塑件強(qiáng)度分析結(jié)果表明，由于成形對(duì)材料的厚度影響導(dǎo)致厚度不均勻，強(qiáng)度下降。故在進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，需適當(dāng)?shù)目紤]工藝的影響，才能使結(jié)果更貼合實(shí)際。

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