基于UG的頭帽塑件有限元分析

陳森林

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

隨著塑料產(chǎn)品的普遍運(yùn)用和塑料模具企業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)塑料產(chǎn)品外形質(zhì)量和實(shí)用性能的期待越來(lái)越高。塑料產(chǎn)品的翹曲是塑件注射成型最主要的缺陷之一，它直接影響塑件的外觀形狀和實(shí)用性能，翹曲嚴(yán)重的塑料產(chǎn)品將會(huì)變成廢品。因此，對(duì)于塑件翹曲變形研究始終是技術(shù)人員不變的話題。

當(dāng)今，工程師們解決塑件翹曲變形僅僅停留在塑件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化方面，而對(duì)于企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中遇到的翹曲問(wèn)題，只是通過(guò)改變塑件注射成型的工藝參數(shù)來(lái)消除塑料產(chǎn)品的翹曲變形，這種解決方案往往效果甚微。本文將利用UG軟件的有限元分析來(lái)解決塑料產(chǎn)品的翹曲變形問(wèn)題[1]。

本文首先使用工程力學(xué)的理論計(jì)算方法，認(rèn)真分析了頭帽塑件的剛度和強(qiáng)度，然后運(yùn)用UG軟件的有限元分析方法對(duì)頭帽塑件實(shí)行靜態(tài)的有限元力學(xué)分析。UG軟件的有限元分析包括以下三個(gè)方面，第一、要分析出系統(tǒng)的受力狀態(tài)和塑件運(yùn)動(dòng)的特性，建立三維立體的頭帽模型；第二、根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)各部分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定約束關(guān)系；第三、對(duì)其施加力學(xué)驅(qū)動(dòng)或零件運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，對(duì)零件進(jìn)行力學(xué)仿真分析。

根據(jù)頭帽塑件[2]的實(shí)際需求，上下頭帽的具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1和圖2所示。頭帽的材料為：聚乙烯（PE）。手動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭帽運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)：最大轉(zhuǎn)速500 r/min；相應(yīng)角速度為500÷60×360=3000度/秒；許用旋轉(zhuǎn)推力3 N。

2 頭帽塑件三維有限元建模

UG NX8.0三維實(shí)體建模的過(guò)程是一個(gè)三維實(shí)體模型的繪制過(guò)程[3]，如拉伸，旋轉(zhuǎn)，沿線掃描等等，有時(shí)還要進(jìn)行必要的求和、求差等布爾運(yùn)算，將產(chǎn)品的二維圖形轉(zhuǎn)化成為三維模型。UG NX8.0三維軟件中有許多快速有效地建模方法，例如：能夠通過(guò)草圖工具中的尺寸修改和驅(qū)動(dòng)命令來(lái)繪制建模的二維草圖[4]。旋轉(zhuǎn)、拉伸、網(wǎng)格曲線命令等特征也能夠?qū)a(chǎn)品的部分參數(shù)化或非參數(shù)化的三維圖形實(shí)行再次修改，并快速地生成與圖紙尺寸相符合的三維立體圖形。

圖1 上頭帽平面圖

圖2 下頭帽平面圖

3 頭帽塑件的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

3.1 頭帽塑件的剛度和強(qiáng)度理論分析

頭帽塑件是電風(fēng)扇頭上旋轉(zhuǎn)零件[5]，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)的頭帽塑件，在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)受到比較復(fù)雜的力、力矩和剪切力的作用。對(duì)塑件的受力狀態(tài)及剛度和強(qiáng)度進(jìn)行正確的理論分析，對(duì)于設(shè)計(jì)工作來(lái)說(shuō)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

3.1.1 頭帽塑件旋轉(zhuǎn)時(shí)剛度分析

根據(jù)實(shí)際測(cè)試，啟動(dòng)手動(dòng)電風(fēng)扇時(shí)對(duì)下頭帽三個(gè)斜曲面施加的力F約為3 N，如圖3所示，力F作用使頭帽產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，其力臂L取為頭帽外圈的平均半徑即為（23.5-2.3）/2=10.6 mm，轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，因此每個(gè)斜曲面上產(chǎn)生的力矩為：

圖3 頭帽塑件受力圖

頭帽塑件在工作旋轉(zhuǎn)時(shí)受到的扭矩為：

頭帽塑件剪切模量G=3.77×108Pa，頭帽塑件在工作旋轉(zhuǎn)時(shí)單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角為：

頭帽塑件對(duì)于其角度旋轉(zhuǎn)的誤差要求并不高，容許扭轉(zhuǎn)角[θ]一般可取為5°/m，由計(jì)算可見(jiàn)θ＜[θ]，因此頭帽塑件在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中剛度是足夠的。

3.1.2 頭帽塑件旋轉(zhuǎn)時(shí)強(qiáng)度分析

1）頭帽旋轉(zhuǎn)時(shí)受到的正應(yīng)力分析

頭帽塑件在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，外載荷產(chǎn)生的力矩通過(guò)三個(gè)加強(qiáng)筋傳遞給軸，加強(qiáng)筋表面會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的壓力F1，此壓力產(chǎn)生的力矩與外載荷產(chǎn)生的力矩相平衡，因此F1值為：

假設(shè)壓力F1均勻分布在加強(qiáng)筋表面上，加強(qiáng)筋面積A1為：

式中的b是寬度，h是高度。

則加強(qiáng)筋內(nèi)部所受到的壓應(yīng)力σ大小為：

頭帽塑件（PE）的屈服強(qiáng)度為11.7 MPa，取安全系數(shù)為n=2.0，則許用拉壓應(yīng)力[σ]=5.85 MPa。由計(jì)算可見(jiàn)σ＜[σ]，因此頭帽塑件在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中抗拉壓強(qiáng)度是足夠的。

2）頭帽旋轉(zhuǎn)時(shí)受到的切應(yīng)力分析

加強(qiáng)筋將力矩傳遞給軸時(shí)，在其根部會(huì)受到剪切力的作用，剪切面加強(qiáng)筋與頭帽基體的連接面，剪切力FS為：

式中的r是連接面處半徑，剪切面積A2為

假設(shè)剪切力FS均勻分布在整個(gè)剪切面上，則加強(qiáng)筋根部所受到的切應(yīng)力τ大小為：

頭帽塑件（PE）的許用切應(yīng)力和許用拉壓應(yīng)力相同，即[τ]=5.85 MPa?？梢?jiàn)，頭帽塑件在工作旋轉(zhuǎn)時(shí)的切應(yīng)力也遠(yuǎn)小于其許用切應(yīng)力，因此頭帽塑件在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中抗剪切強(qiáng)度是足夠的。

總之，通過(guò)力學(xué)分析，得出頭帽塑件在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中剛度和強(qiáng)度都滿足要求，所以該塑件在使用的過(guò)程中是安全的。

3.2 頭帽塑件的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元分析

3.2.1 頭帽塑件結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元分析主要步驟[6]

通過(guò)UG NX8.0軟件的結(jié)構(gòu)分析功能，可以對(duì)頭帽塑件進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元分析，其主要步驟如下：

1）建立頭帽塑件的實(shí)體模型，該部分已在上節(jié)中完成。

2）在選擇材料的對(duì)話框中，選定頭帽塑件的材料屬性為PE。

3）劃分頭帽模型網(wǎng)格。UG NX8.0中提供了三種網(wǎng)格劃分的方法，該頭帽模型選擇了四面體單元的劃分方法，單元網(wǎng)格的大小為2毫米，完成頭帽網(wǎng)格模型的建立。

4）模型數(shù)據(jù)的解算，選擇懸浮菜單上的解算命令，打開(kāi)解算對(duì)話框，啟動(dòng)ANSYS解算器，解算頭帽模型的參數(shù)。

5）確定頭帽模型的約束和載荷條件。根據(jù)頭帽模型在裝配體中各零件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定該塑件的約束關(guān)系，并對(duì)其受力狀況進(jìn)行分析，由此施加約束和載荷。

6）結(jié)果分析，根據(jù)約束和載荷，采用有限元法求解模型。

7）結(jié)果后處理。通過(guò)云圖、曲線等形式，將位移、應(yīng)力、應(yīng)變等計(jì)算結(jié)果顯示出來(lái)，并進(jìn)行分析。

3.2.2 下頭帽有限元計(jì)算結(jié)果分析

現(xiàn)以下頭帽為例，對(duì)頭帽塑件在工作過(guò)程中的位移、應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行有限元分析。

1）對(duì)下頭帽塑件進(jìn)行有限元高級(jí)仿真分析。在UG NX8.0軟件[7]中，先打開(kāi)下頭帽的有限元模型，并切換到高級(jí)仿真模塊，在材料對(duì)話框，在材料庫(kù)中選用HDPE（低壓度聚乙烯）作為頭帽塑件的材料，這樣下頭帽塑件就具備了所選塑料的所有性能特征。然后，運(yùn)用UG的有限元模塊對(duì)下頭帽進(jìn)行網(wǎng)格劃分，具體網(wǎng)格劃分的模型如圖4所示。

圖4 下頭帽模型的四面體網(wǎng)格圖

2）選擇下頭帽的孔為固定面施加固定約束，三個(gè)傾斜面為受力面施加載荷，并通過(guò)解算方案解算出頭帽塑件在外力作用下，模型節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力及應(yīng)變情況。

下頭帽模型的節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖可見(jiàn)，頭帽零件的位移變形量范圍為0～0.0218毫米。最大位移0.0218毫米產(chǎn)生在三個(gè)傾斜面的頂端，而下頭帽的中心孔附近幾乎沒(méi)有位移變形?？偟膩?lái)說(shuō)，整個(gè)下頭帽模型位移變形量非常小，幾乎可以忽略不計(jì)，不會(huì)影響塑件的正常工作。

圖6 下頭帽模型節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

下頭帽模型的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖可見(jiàn)，下頭帽的中心圓柱面的根部孔附近存在應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值為0.773 MPa，遠(yuǎn)小于頭帽塑料（PE）屈服極限11.7 MPa，因此下頭帽零件工作時(shí)的強(qiáng)度是足夠的。此外計(jì)算結(jié)果也表明，下頭帽零件在結(jié)構(gòu)上對(duì)中心部位的加固設(shè)計(jì)也是合理的。

3.2.3 下頭帽塑件有限元高級(jí)運(yùn)動(dòng)仿真分析報(bào)告[8]

1）解算方案匯總?cè)绫?所示。

表1 解算方案

2）材料匯總?cè)绫?所示。

表2 材料參數(shù)

3）網(wǎng)格類(lèi)型采用 Solid（1） PSOLID1 Polyethylene（Material inherited），網(wǎng)格劃分如表3所示。

表3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

4）計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表4 計(jì)算結(jié)果

綜上所述，通過(guò)對(duì)頭帽塑件受力狀態(tài)的理論分析，并結(jié)合UG軟件進(jìn)行位移和應(yīng)力的有限元計(jì)算[9]，可以得出該塑件工作時(shí)的強(qiáng)度和剛度完全符合其使用要求，塑件圖紙的設(shè)計(jì)是合理的。

4 結(jié)論

本文使用了UG NX8.0軟件繪制了頭帽產(chǎn)品的有限元空間立體圖形，且對(duì)該產(chǎn)品使用了有限元力學(xué)分析。具體建模和分析的結(jié)論如下：

1）所繪制的有限元三維模型圖完全符合頭帽零件的尺寸要求；

2）由于頭帽零件的節(jié)點(diǎn)位移變形量只有0.0218 mm，故其剛度完全符合使用要求；

3）頭帽零件的自身屈服極限應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其使用過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)力[10]，故其強(qiáng)度完全符合使用要求。

總之，通過(guò)詳細(xì)的分析計(jì)算可得，頭帽零件的節(jié)點(diǎn)位移變形量非常?。?.0218 mm），且自身屈服極限應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其使用過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)力，頭帽塑件模型具有足夠的強(qiáng)度和剛度，因此該頭帽塑件的設(shè)計(jì)模型完全滿足使用要求，可以批量投入生產(chǎn)。