注塑機的ANSYS疲勞分析

2013-06-21 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

利用有限元法,直接應用ANSYS FE-SAFE系統的功能和特點,對160 t和120 t注塑機定模板進行結構分析及疲勞分析,得出定模板四臺階孔處為薄弱區,所以在模板設計中不應使四臺階孔內側處太薄,且與四臺階孔對角線連接處加強筋應加寬,否則易發生疲勞斷裂。

產品投放市場后, 如果在耐久性方面出現問題將會造成許多新產品失去競爭力, 給企業帶來巨大經濟損失。在傳統的設計過程中, 設計人員在概念或詳細設計階段通常使用簡單而不真實的計算來估計產品的壽命, 而對這些估計壽命的驗證通常是通過一定量物理樣機的耐久試驗得到。不但試驗周期長、耗資大,而且許多參數與失效的定量關系也不能在試驗中得出, 試驗結論還可能受許多偶然因素的影響。因此對于產品疲勞壽命的仿真分析方法越來越受到產品設計人員的關注。
在塑料機械中, 模板是注塑機最重要的零件之一, 它的成本是注塑機成本的主要組成部分, 模板斷裂, 注塑機就不能正常工作。從強度出發, 當然是選用高質量的材料, 而且盡量將模板做得厚一些, 但這兩點均提高模板造價, 影響整機成本。目前模板大部分采用球墨鑄鐵鑄造。這主要考慮: (1) 在模板上鑄出加強筋或將模板掏空, 可有效減少質量; (2) 由于球鐵較易于精鑄(樹脂砂鑄造) , 使加工余量大大減少, 可有效減少加工成本; (3) 球鐵剛性較好, 也具有一定強度。雖然設計者充分考慮了模板的強度、剛度, 但仍然有許多模板斷裂的事故發生, 其原因在于模板斷裂不是因為靜力破壞而是因為疲勞破壞。

一、元原理及模型建立

當材料或結構受到多次重復變化的載荷作用后,在應力值雖然始終沒有超過材料的強度極限, 甚至比彈性極限還低的情況下就可能發生破壞。這種在交變載荷作用下材料或結構的破壞現象稱為疲勞破壞。

結構的疲勞破壞, 首先在局部區域產生裂縫, 一般是在零件和構件的表面, 也可能在零件內部有缺陷處,即應力最高的區域。由于該區域代表了整個結構的疲勞強度, 所以該區域稱為危險區, 危險區的應力、應變變化情形為結構疲勞分析中所需的應力或應變2時間歷程。因此, 結構疲勞應力分析的目的, 就是要求得結構在承受各種負荷時, 對其危險區的應力或應變響應, 作為結構疲勞設計的依據之一。

在進行工程結構疲勞分析時, 常應用ANSYS 軟件為分析工具來確定結構的高應力危險區, 并進行負荷譜轉化為應力譜或應變譜的工作。本工作將引用基本理論[2 ] :

其中, 式中, [ B ] 為應變矩陣; [ D] 為彈性矩陣; { f e} 及[ Ke ] 為單元節點力及單元剛度矩陣。建立一組以結點位移為未知量的代數方程組, 解這些方程組就可以求出物體上有限個離散結點上的位移, 從而得到所需的應力和應變。

利用三維通用軟件UGNX310 建立供分析用的三維幾何模型。根據零件的受力情況及要求, 建模時作了一些簡化: (1) 忽略模板上一些對整體受力影響不大的小孔; (2) 忽略模板上四臺柱孔處的小凸臺;(3) 忽略頂出聯接臺; (4) 忽略大部分較小的圓角并作了一定的簡化。同時利用ANSYS 的前處理器進行網格劃分, 得圖1 模型。

圖1 定模板有限元模型

二、ANSYS/ FE2SAFE分析

用ANSYS FE2SAFE 讀取有限元分析計算出的單位載荷或實際工作載荷下的彈性應力, 然后根據實際載荷工況和交變載荷形式將結果比例迭加以產生工作應力時間歷程; 也可換算成特定類型載荷作用下的彈塑性應力。ANSYS/ FE2SAFE 采用廣泛使用的應力2壽命方法, 綜合考慮平均應力、載荷條件與疲勞強度系數等疲勞影響因素并按線性累積損傷理論[3 ]進行疲勞計算。

ANSYS/ FE2SAFE 進行疲勞分析包含三個步驟:材料疲勞性能參數設定、疲勞分析與疲勞結果評估。

定模板的材料為QT50027A , 其彈性模量和泊松比分別為E = 173 GPa 和0.3 , 其疲勞特性曲線如圖2。

圖2 球墨鑄鐵疲勞特性曲線

    建立疲勞分析如下: 1) 注塑機的定模板受到模具施加同樣大小的(160 t 均布于中央Φ 320 mm范圍內) 反力; 2) 邊界條件則因該零件的四個臺階孔的X 與Y 方向被固定, 故限制其X 與Y 方向的自由度,而Z 方向的自由度由前模板的四個圓孔限制; 3) 設定疲勞強度換算系數( Kf ) 為0.9 ; 4) 確定疲勞載荷類型為History Data (并輸入1 , 1 , 0 , 0) ; 5) 設定設計壽命為107 個循環周期。

    三、結果與討論

a - 總變形圖b - 等效應力圖

    圖3 160 t 定模板結構分析結果

圖3 是160 t 鎖模力的注塑機的定模板結構分析結果。從圖3 可看出, 最大變形發生在定模板中央,最大變形量為0.268 mm , 最大Von Mises 應力發生在四臺柱孔處, 最大應力為246.785 MPa 。QT50027 的強度為σb = 500 MPa , σ0.2 = 320 MPa 。從分析結果看,不管采用何種應力理論, 其最大應力與零件所用材料的σ0.2相比較, 均有一定的安全系數。由于零件所用材料球墨鑄鐵為脆性材料, 可采用第一強度理論進行校核, 即最大拉應力(第一主應力σ1) 不應超過某一數值。該零件受載荷是σ0.2/σ1 = 2.413 , 應該說,強度儲備是足夠的。

對160 t (圖4) 和120 t (圖5) 鎖模力的注塑機的定模板進行疲勞分析可知: 等效交變應力最大值也在四臺階孔處, 數值為210.365 MPa 和246.785 MPa ,疲勞壽命最低發生在四臺階孔, 數值分別為1.438 ×105 和2.523 ×105 , 指定設計壽命條件(1 ×107) 下的疲勞損傷以及最小安全系數亦在四臺階孔處。

a - 疲勞壽命圖b - 安全系數圖

圖4 160 t 定模板疲勞壽命與安全系數圖

圖5 120 t 定模板壽命圖

定模板由于本身幾何形狀復雜及與拉桿聯接狀況各有不同, 實際應力狀況比較復雜, 因而在傳統的定模板強度分析中, 為了分析簡便, 把定模板沿四臺階孔對角線簡化成簡支梁。而實際上, 四臺階孔處已鎖死, 應視四臺階孔處為固定端(變為懸臂梁的超靜定問題) 。由材料力學中的彎曲應力、剪力以及超靜定理論分析可得, 模具反作用于定模板中央的壓力在四臺階孔(內側) 處產生最大的彎曲應力和剪力, 在頻繁的開合模作用下, 使系統產生頻繁沖擊, 這種沖擊力往往是造成模板疲勞斷裂的主要原因。特別是當模板采用球鐵鑄造時, 使用時間一長, 鑄件產生疲勞,當有鑄造缺陷時, 就特別容易斷裂; 而四臺階孔(外側) 不受這一頻繁的最大彎曲應力和剪力, 故可達預期壽命。從120 t 和160 t 鎖模力的注塑機的定模板仿真分析也確證了這一論述。

四、結論

利用模板的有限元疲勞分析預測模板的疲勞壽命以改進模板結構, 實現模板的疲勞設計。經有限元疲勞分析分析得出定模板四臺階孔處為薄弱區, 所以在模板設計中不應使四臺階孔內側處太薄, 且與四臺階孔對角線連接處加強筋應加寬, 否則易發生危險。

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