當前塑料行業發展迅速，應用領域涵蓋了飲料、引用水、藥品、食品、化學品和汽車行業等。^[1]一般情況下，制造商需要在有限的時間和成本里，設計并生產新產品的包裝。然而，有限的時間及成本往往限制了設計師的思路，從而很難有所創新。但如今，隨著計算機技術的發展，有限元仿真技術的應用可使設計時間和實驗成本有所減少，使得設計師的概念設計得以實現。

塑料業中，吹塑成型是一種生產中空制品的加工過程，所用的模具只有凹模，僅適用于熱塑性塑料。^[2]吹塑成型是最常見的塑料成型方法之一，因其設備造價低，適應性強等特點，在行業中的應用十分廣泛。隨著吹塑技術的發展， 制品形狀更加復雜，制品壁厚更加難保證均勻。^[3]同時，在吹塑成型過程伴隨著殘余應力的出現。這些因素影響著塑件的結構強度。

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

圖1 塑料瓶模型

1 吹塑成型分析

1.2吹塑成型建模

吹塑成型網格模型如圖3所示。將設計好的凹模劃分網格，創建模具的網格模型。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 材料和邊界設置

本文中，吹塑成型方法采用Abaqus顯式算法進行求解，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力對強度的影響，所以吹塑管的材料模型采用簡單的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，以及塑性參數如表1。

表1 塑性參數

在吹塑模型中，模具均設置為離散剛體，僅吹塑管為變形體。第一個分析步中，設置模具合模的位移，并設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，及吹塑管腔上下側約束x向速度平移自由度，y、z向速度旋轉自由度，左右側約束y向速度平移自由度，x、z向速度旋轉自由度，在第二個分析步中，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 熱腔設置

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

1.3 吹塑成型結果

1.3.1 動內能比

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

圖6 吹塑分析的動能與內能

圖7 吹塑分析中的動內能比

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，將結果進行過濾處理，可以清楚的看到瓶身左右兩側的厚度較小，上下兩側厚度較大。

（a）過濾前

（b）過濾后

圖8 吹塑分析后塑件厚度云圖

2 結構強度分析

結構強度采用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所示為應用本文所提出的方法建立的結構分析模型：如圖10所示將吹塑成型厚后的材料厚度以及殘余應力映射到PET塑料瓶上，再對此塑料件進行結構強度分析，邊界條件為瓶口處全固定約束，瓶身上下兩側用半球模型擠壓，分析半球所受到的力，得出力-位移曲線，即為此塑料件強度的考量。

圖10 強度分析中的邊界條件

圖9 映射厚度及應力場

3 強度分析結果

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

（a）均勻厚度分析（傳統方法）

（b）非均勻厚度分析（新方法）

圖11 強度分析后等效應力云圖

圖12為二者在強度分析中的力-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度稍低于均勻厚度塑件的強度。

圖12 不同方法計算所得的力-位移曲線

4 結論

（1）進行產品設計時，考慮產品制造工藝。將吹塑成型的吹塑工藝考慮到結構強度分析中，更為合理準確地對塑件強度進行分析。

（2）運用不同算法各自的優點，將顯式分析的結果映射到隱式求解的結構分析中。完美地將制造過程模擬與結構強度模擬融合到一起。

（3）考慮吹塑工藝的塑件強度分析結果表明，由于成形對材料的厚度影響導致厚度不均勻，強度下降。故在進行強度分析時，需適當的考慮工藝的影響，才能使結果更貼合實際。

參考文獻

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