有限元分析技術(shù)在塑料包裝模具開發(fā)中的應(yīng)用

宋利君 張雅君 鄧玉明 陳琛 王興

（內(nèi)蒙古伊利實(shí)業(yè)集團(tuán)股份有限公司）

前言

塑料主要是以合成樹脂為基本成份，經(jīng)加入填充劑、功能添加劑、加工助劑等輔助材料后，可以做成各種“可塑性”的材料[1]。

它具有質(zhì)輕、絕緣、耐腐蝕、美觀，制品形式多樣化、便于加工、運(yùn)輸、回收等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于食品包裝材料、日用品、化妝品等快消品領(lǐng)域。

人類的生產(chǎn)生活離不開塑料制品，塑料制品無(wú)處不在，大的方面如汽車、飛機(jī)、輪船中的塑料部件，小到我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娔X、手機(jī)、水杯、化妝品和食品容器，遍及各個(gè)角落，而這些塑料制品的生產(chǎn)，都離不開一個(gè)重要環(huán)節(jié)，那就是塑料成型品模具的設(shè)計(jì)。

1. 塑料吹塑成型技術(shù)概述

塑料的加工主要有中空吹塑成型工藝、壓塑成型工藝、注塑成型工藝、擠塑成型工藝。其中，塑料吹塑成型工藝中，需要加熱至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或熔點(diǎn)以上，而后置于模具中吹制進(jìn)行冷卻定型，將制品從高彈態(tài)或熔融狀態(tài)冷卻至玻璃態(tài)。其中采用擠出吹塑成型在吹塑制品中占75%，注射吹塑成型占24%，其它吹塑成型約占1%。模具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及加工冷卻效果對(duì)于制品的壁厚分布和生產(chǎn)效率有著極其重要的影響[2]。

2. 應(yīng)用于塑料加工領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)

常用的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程，一般先是提出設(shè)計(jì)理念，依據(jù)設(shè)計(jì)概念繪制設(shè)計(jì)圖紙，在完成設(shè)計(jì)圖繪制后，需要制作可以測(cè)試小規(guī)模加工效果的單腔實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?、之后上機(jī)進(jìn)行制作效果測(cè)試加工、而后對(duì)加工出來(lái)的塑料制品進(jìn)行諸如承壓、跌落、耐破等加工效果的測(cè)試，依據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)加工模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、重新設(shè)計(jì)模具，之后再用重新設(shè)計(jì)的模具對(duì)塑料制品進(jìn)行生產(chǎn)加工。如此反復(fù)多次，才能得到相對(duì)理想的產(chǎn)品模具結(jié)構(gòu)。該過(guò)程不僅浪費(fèi)大量財(cái)力和人力，而且非常耗時(shí)。因此，需要采用一種簡(jiǎn)單、高效的模擬技術(shù)，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行預(yù)先的模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，不僅可以大大縮短整個(gè)產(chǎn)品包裝材料的開發(fā)周期，取得較好的設(shè)計(jì)效果，而且還為需求企業(yè)節(jié)省了大量的開發(fā)費(fèi)用及人員消耗。

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)是融合了分子力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、量子力學(xué)等學(xué)科知識(shí)的一種仿真模擬技術(shù)，在分子設(shè)計(jì)和材料加工領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)，計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)均屬于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，這3 種計(jì)算機(jī)輔助的功能各不相同，應(yīng)用領(lǐng)域囊括了由微觀分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到宏觀加工成型等各個(gè)方面。其功能涉及了新材料的開發(fā)、分子設(shè)計(jì)和模擬、材料加工成型時(shí)產(chǎn)品的模型設(shè)計(jì)、材料加工過(guò)程中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化、材料加工的整個(gè)過(guò)程輔助控制等，其中有限元分析技術(shù)（FEA）是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)[3]。

3. 有限元分析技術(shù)的應(yīng)用

有限元分析（FEA）是將一定幾何外形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成由節(jié)點(diǎn)及元素組合的有限元模型[4]。采用計(jì)算機(jī)軟件（ANSYS、ABAQUS、POLYFLOW等）分析在不同工況條件下，有限元模型的應(yīng)力、應(yīng)變的變化情況。有限元法在工程中最主要的應(yīng)用形式是工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。有限元分析方法的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)的加工模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨于理性，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品越來(lái)越精細(xì)，尤為突出的一點(diǎn)是，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的樣機(jī)試制次數(shù)大為減少，產(chǎn)品的可靠性大為提高。

HDPE 和PET 是目前聚合物吹塑加工工藝中常用的兩種聚合物材料。Corlier,Mahendrasingam,Ajji,Vigny,Marco[5-6],黃漢雄[7]等以此為材料模型開展了大量的有限元分析研究。

PET 是一種較為復(fù)雜的材料，在中空成型模擬時(shí)材料模型的建立較為困難。Chung[8]和McEovy[9]開發(fā)了一種超塑性材料模型來(lái)模擬注拉吹過(guò)程，這種材料模型能夠很好的表現(xiàn)PET 材料的黏彈性，但不能體現(xiàn)與溫度有關(guān)。隨后，很多人開始嘗試使用三維結(jié)構(gòu)模型來(lái)描述PET 材料的特性。在這個(gè)領(lǐng)域的帶頭人，Boyce[10]和Buckley[11]等人，他們材料模型的物理基礎(chǔ)相似，不同的是他們采用的聚合物變形的原理以及模型的結(jié)構(gòu)。Menary[12]等人采用有限元分析軟件ABAQUS 進(jìn)行330 mlPET 瓶注拉吹過(guò)程的模擬，采用三種不同的材料模型（超彈性模型、蠕變模型、Buckley 非線性黏彈性模型）來(lái)研究與PET材料的近似程度，最終Buckley 模型分析得到的壁厚分布和實(shí)際測(cè)量出的結(jié)果很吻合。Yang[13]等人采用非等溫有限元模型來(lái)模擬PET 注拉吹過(guò)程，PET 的材料模型是以Buckley 模型為基礎(chǔ)，模擬了拉伸桿、瓶坯及模具之間的熱交換，完整的演示了吹塑的全過(guò)程，模擬壁厚分布的結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果較為吻合[14]。

國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了一些與中空成型相關(guān)的模擬研究。魏小玲和梁瑞風(fēng)[15]運(yùn)用Polyflow 有限元分析軟件進(jìn)行了三種高密度聚乙烯樹脂的瓶子等溫吹塑過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬研究。表珍和宗殿瑞[16]在模擬時(shí)模型采用二維6 節(jié)點(diǎn)單元分割，很好地預(yù)測(cè)軸對(duì)稱高密度聚乙烯吹塑制品壁厚的分布。黃漢雄基于ANSYS 有限元軟件，對(duì)吹塑制品的三維冷卻進(jìn)行了模擬，預(yù)測(cè)了制品厚度方向任一位置的瞬態(tài)溫度分布，并可預(yù)測(cè)成型工藝參數(shù)。郭太松、蘇良瑤等綜合應(yīng)用Hypermesh、ANSYS 等有限元分析，對(duì)現(xiàn)有PET 瓶結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，也取得一些好的應(yīng)用效果。

結(jié)語(yǔ)

隨著中空成型過(guò)程模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些商業(yè)化的模擬軟件：Accuform公司的B-SIM，F(xiàn)luent 公司的Polyflow 等。B-SIM是一個(gè)模擬吹塑成型的軟件包，在給定指定的工藝參數(shù)（如壓力等級(jí)、模具速度、胚管的溫度分布等）的基礎(chǔ)上，B-SIM 可以預(yù)測(cè)最終制品的壁厚分布。Polyflow 系采用有限元的分析軟件，專用于高彈態(tài)材料的流動(dòng)模擬。此外，還有ANSYS、ABAQUS 等有限元分析軟件模擬制品在設(shè)定工況下（負(fù)載、負(fù)壓等）的應(yīng)力應(yīng)變情況，發(fā)現(xiàn)薄弱點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)目前的文獻(xiàn)顯示，國(guó)內(nèi)外學(xué)者局限于有限元軟件分別對(duì)工藝進(jìn)行模擬，依據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，避免局部厚薄不均和應(yīng)力集中，提升制品的合格率?；虿捎糜邢拊浖?duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的包裝制品進(jìn)行分析和優(yōu)化，缺乏從加工模擬至制品性能模擬的綜合解決方案。因此，采用B-SIM 或Polyflow 模擬吹塑工藝后壁厚分布、并將該模擬結(jié)果作為ANSYS、ABAQUS 等瓶型結(jié)構(gòu)的分析軟件的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析該塑料件在不同工況下的受力變形情況，綜合優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和工藝，更具有現(xiàn)實(shí)意義。