注塑機(jī)的ANSYS疲勞分析

2013-06-21 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

利用有限元法,直接應(yīng)用ANSYS FE-SAFE系統(tǒng)的功能和特點(diǎn),對(duì)160 t和120 t注塑機(jī)定模板進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及疲勞分析,得出定模板四臺(tái)階孔處為薄弱區(qū),所以在模板設(shè)計(jì)中不應(yīng)使四臺(tái)階孔內(nèi)側(cè)處太薄,且與四臺(tái)階孔對(duì)角線連接處加強(qiáng)筋應(yīng)加寬,否則易發(fā)生疲勞斷裂。

產(chǎn)品投放市場(chǎng)后, 如果在耐久性方面出現(xiàn)問(wèn)題將會(huì)造成許多新產(chǎn)品失去競(jìng)爭(zhēng)力, 給企業(yè)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中, 設(shè)計(jì)人員在概念或詳細(xì)設(shè)計(jì)階段通常使用簡(jiǎn)單而不真實(shí)的計(jì)算來(lái)估計(jì)產(chǎn)品的壽命, 而對(duì)這些估計(jì)壽命的驗(yàn)證通常是通過(guò)一定量物理樣機(jī)的耐久試驗(yàn)得到。不但試驗(yàn)周期長(zhǎng)、耗資大,而且許多參數(shù)與失效的定量關(guān)系也不能在試驗(yàn)中得出, 試驗(yàn)結(jié)論還可能受許多偶然因素的影響。因此對(duì)于產(chǎn)品疲勞壽命的仿真分析方法越來(lái)越受到產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。
在塑料機(jī)械中, 模板是注塑機(jī)最重要的零件之一, 它的成本是注塑機(jī)成本的主要組成部分, 模板斷裂, 注塑機(jī)就不能正常工作。從強(qiáng)度出發(fā), 當(dāng)然是選用高質(zhì)量的材料, 而且盡量將模板做得厚一些, 但這兩點(diǎn)均提高模板造價(jià), 影響整機(jī)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(qiáng)筋或?qū)⒛０逄涂? 可有效減少質(zhì)量; (2) 由于球鐵較易于精鑄(樹(shù)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(qiáng)度。雖然設(shè)計(jì)者充分考慮了模板的強(qiáng)度、剛度, 但仍然有許多模板斷裂的事故發(fā)生, 其原因在于模板斷裂不是因?yàn)殪o力破壞而是因?yàn)槠谄茐摹?BR>
一、元原理及模型建立

當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后,在應(yīng)力值雖然始終沒(méi)有超過(guò)材料的強(qiáng)度極限, 甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞。這種在交變載荷作用下材料或結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象稱為疲勞破壞。

結(jié)構(gòu)的疲勞破壞, 首先在局部區(qū)域產(chǎn)生裂縫, 一般是在零件和構(gòu)件的表面, 也可能在零件內(nèi)部有缺陷處,即應(yīng)力最高的區(qū)域。由于該區(qū)域代表了整個(gè)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度, 所以該區(qū)域稱為危險(xiǎn)區(qū), 危險(xiǎn)區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變變化情形為結(jié)構(gòu)疲勞分析中所需的應(yīng)力或應(yīng)變2時(shí)間歷程。因此, 結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力分析的目的, 就是要求得結(jié)構(gòu)在承受各種負(fù)荷時(shí), 對(duì)其危險(xiǎn)區(qū)的應(yīng)力或應(yīng)變響應(yīng), 作為結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的依據(jù)之一。

在進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)疲勞分析時(shí), 常應(yīng)用ANSYS 軟件為分析工具來(lái)確定結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū), 并進(jìn)行負(fù)荷譜轉(zhuǎn)化為應(yīng)力譜或應(yīng)變譜的工作。本工作將引用基本理論[2 ] :

其中, 式中, [ B ] 為應(yīng)變矩陣; [ D] 為彈性矩陣; { f e} 及[ Ke ] 為單元節(jié)點(diǎn)力及單元?jiǎng)偠染仃嚒＝⒁唤M以結(jié)點(diǎn)位移為未知量的代數(shù)方程組, 解這些方程組就可以求出物體上有限個(gè)離散結(jié)點(diǎn)上的位移, 從而得到所需的應(yīng)力和應(yīng)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(jù)零件的受力情況及要求, 建模時(shí)作了一些簡(jiǎn)化: (1) 忽略模板上一些對(duì)整體受力影響不大的小孔; (2) 忽略模板上四臺(tái)柱孔處的小凸臺(tái);(3) 忽略頂出聯(lián)接臺(tái); (4) 忽略大部分較小的圓角并作了一定的簡(jiǎn)化。同時(shí)利用ANSYS 的前處理器進(jìn)行網(wǎng)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(jì)算出的單位載荷或?qū)嶋H工作載荷下的彈性應(yīng)力, 然后根據(jù)實(shí)際載荷工況和交變載荷形式將結(jié)果比例迭加以產(chǎn)生工作應(yīng)力時(shí)間歷程; 也可換算成特定類型載荷作用下的彈塑性應(yīng)力。ANSYS/ FE2SAFE 采用廣泛使用的應(yīng)力2壽命方法, 綜合考慮平均應(yīng)力、載荷條件與疲勞強(qiáng)度系數(shù)等疲勞影響因素并按線性累積損傷理論[3 ]進(jìn)行疲勞計(jì)算。

ANSYS/ FE2SAFE 進(jìn)行疲勞分析包含三個(gè)步驟:材料疲勞性能參數(shù)設(shè)定、疲勞分析與疲勞結(jié)果評(píng)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(jī)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(nèi)) 反力; 2) 邊界條件則因該零件的四個(gè)臺(tái)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(gè)圓孔限制; 3) 設(shè)定疲勞強(qiáng)度換算系數(shù)( 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(shè)定設(shè)計(jì)壽命為107 個(gè)循環(huán)周期。

    三、結(jié)果與討論

a - 總變形圖b - 等效應(yīng)力圖

    圖3 160 t 定模板結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

圖3 是160 t 鎖模力的注塑機(jī)的定模板結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。從圖3 可看出, 最大變形發(fā)生在定模板中央,最大變形量為0.268 mm , 最大Von Mises 應(yīng)力發(fā)生在四臺(tái)柱孔處, 最大應(yīng)力為246.785 MPa 。QT50027 的強(qiáng)度為σb = 500 MPa , σ0.2 = 320 MPa 。從分析結(jié)果看,不管采用何種應(yīng)力理論, 其最大應(yīng)力與零件所用材料的σ0.2相比較, 均有一定的安全系數(shù)。由于零件所用材料球墨鑄鐵為脆性材料, 可采用第一強(qiáng)度理論進(jìn)行校核, 即最大拉應(yīng)力(第一主應(yīng)力σ1) 不應(yīng)超過(guò)某一數(shù)值。該零件受載荷是σ0.2/σ1 = 2.413 , 應(yīng)該說(shuō),強(qiáng)度儲(chǔ)備是足夠的。

對(duì)160 t (圖4) 和120 t (圖5) 鎖模力的注塑機(jī)的定模板進(jìn)行疲勞分析可知: 等效交變應(yīng)力最大值也在四臺(tái)階孔處, 數(shù)值為210.365 MPa 和246.785 MPa ,疲勞壽命最低發(fā)生在四臺(tái)階孔, 數(shù)值分別為1.438 ×105 和2.523 ×105 , 指定設(shè)計(jì)壽命條件(1 ×107) 下的疲勞損傷以及最小安全系數(shù)亦在四臺(tái)階孔處。

a - 疲勞壽命圖b - 安全系數(shù)圖

圖4 160 t 定模板疲勞壽命與安全系數(shù)圖

圖5 120 t 定模板壽命圖

定模板由于本身幾何形狀復(fù)雜及與拉桿聯(lián)接狀況各有不同, 實(shí)際應(yīng)力狀況比較復(fù)雜, 因而在傳統(tǒng)的定模板強(qiáng)度分析中, 為了分析簡(jiǎn)便, 把定模板沿四臺(tái)階孔對(duì)角線簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁。而實(shí)際上, 四臺(tái)階孔處已鎖死, 應(yīng)視四臺(tái)階孔處為固定端(變?yōu)閼冶哿旱某o定問(wèn)題) 。由材料力學(xué)中的彎曲應(yīng)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(tái)階孔(內(nèi)側(cè)) 處產(chǎn)生最大的彎曲應(yīng)力和剪力, 在頻繁的開(kāi)合模作用下, 使系統(tǒng)產(chǎn)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(dāng)模板采用球鐵鑄造時(shí), 使用時(shí)間一長(zhǎng), 鑄件產(chǎn)生疲勞,當(dāng)有鑄造缺陷時(shí), 就特別容易斷裂; 而四臺(tái)階孔(外側(cè)) 不受這一頻繁的最大彎曲應(yīng)力和剪力, 故可達(dá)預(yù)期壽命。從120 t 和160 t 鎖模力的注塑機(jī)的定模板仿真分析也確證了這一論述。

四、結(jié)論

利用模板的有限元疲勞分析預(yù)測(cè)模板的疲勞壽命以改進(jìn)模板結(jié)構(gòu), 實(shí)現(xiàn)模板的疲勞設(shè)計(jì)。經(jīng)有限元疲勞分析分析得出定模板四臺(tái)階孔處為薄弱區(qū), 所以在模板設(shè)計(jì)中不應(yīng)使四臺(tái)階孔內(nèi)側(cè)處太薄, 且與四臺(tái)階孔對(duì)角線連接處加強(qiáng)筋應(yīng)加寬, 否則易發(fā)生危險(xiǎn)。

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