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擠吹線纜架結構優化設計
  瀏覽次數:7803  發布時間:2020年09月16日 10:41:25
[導讀] 針對擠吹線纜架抗支撐能力不足、使用過程中產品變形量大等問題,課題組對含不同加強筋結構的擠吹線纜架在支撐載荷作用下的力學性能進行了數值仿真研究。
 汪東升,劉淑梅,鄭贛,莫壯壯
上海工程技術大學材料工程學院,上海  201620

摘 要: 針對擠吹線纜架抗支撐能力不足、使用過程中產品變形量大等問題,課題組對含不同加強筋結構的擠吹線纜架在支撐載荷作用下的力學性能進行了數值仿真研究。利用UG(Unigraphics NX)軟件建立了2種擠吹線纜架的有限元模型,在受力面上設計了2種不同的加強筋結構;采用正交試驗法設計L9(43)正交表對其主要設計參數進行優化分析;仿真計算了擠吹線纜架在支撐載荷下的響應,比較分析了2種不同模型下的應力分布。實驗結果表明加強筋的脫模斜度對產品變形量的影響最大,受力面加強筋的角度對產品所受應力的影響最大。加強筋設計為凸起結構時更利于實際生產及產品的使用。
關鍵詞: 擠吹成型;線纜架;正交試驗法;加強筋;UG(Unigraphics NX)軟件

目前,隨著吹塑成型技術的快速發展,其生產制件已不僅僅限于各類瓶、桶、壺等中空軸對稱類包裝容器,已經應用到復雜的汽車制件如風管、注水管等工業零部件[1]。吹塑從成型方法上可以分為擠出吹塑、注射吹塑和拉伸吹塑3類,其中擠出吹塑成型技術憑借著設備造價低、操作簡單、成型性能及效率高、加工方便等特點,占據中空吹塑成型制件的75%以上,成為主流的成型方法?;诔尚吞攸c,中空制品往往力學性能較差。然而大型的工業制品,對于制品的力學性能有著更高的要求。擠出吹塑成型工藝上要求壁厚不能過厚,否則會導致制品冷卻不充分,產生冷斑等現象,造成外觀或結構上的缺陷;而壁厚過薄又達不到強度要求。這種情況下通常會對產品的結構進行強化設計以達到力學性能要求,通過查閱資料及對相關產品進行結構分析,可知設計加強筋結構,可有效提高中空制品的抗壓強度并減少其彎曲變形[2]。目前,常見的塑料制品加強筋的設計方法主要是在受力面上設計多個凸起或凹陷的條狀結構[3]。

課題組以擠吹線纜架為研究對象,基于線纜架實際使用要求及裝配過程設計結構,對不同形狀、參數的加強筋進行抗變形性能力學仿真,對數據結果進行正交試驗分析并獲得優化設計結果;對實驗結果進行驗證,通過優化產品及加強筋結構來提高產品力學性能,對中空儲物式擠吹制品的生產設計具有參考意義。

01 材料與初始模型靜力分析
1.1擠吹線纜架初始模型建立與材料分析
1.1  擠吹線纜架初始模型建立與材料分析
利用UG(Unigraphics NX)軟件建立了擠吹線纜架的初始模型,如圖1所示,擠吹線纜架直徑556mm,高174mm,平均壁厚為4mm。
圖 1 擠吹線纜架
基于產品成型及使用環境要求(耐高低溫,ROHS等級),擠吹線纜架選用材料為Marlex®  HHM 5502BN高密度聚乙烯(HDPE),其物理性質參數如表1所示[4]。
表 1 HDPE 材料物理性質參數

.2  基于初始模型的靜力學分析
擠吹線纜架的使用過程中,會通過工裝貫通2個開孔,工裝通過螺絲孔鎖住b面,轉動工裝使線纜一圈一圈地由a面孔盤入線纜架內壁,要求線纜架的a面在線纜架滿載的條件下能夠承受500N的支撐力,如圖2所示,在使用Workbench進行力學分析時,將b面與工裝接觸部位設置為固定約束,a面為受力面,施加均勻載荷,大小為500N。

圖 2 線纜架裝配使用示意簡圖
 
使用Workbench進行變形量的求解,如圖3和圖4所示,得到在實際使用中a面出現了較大變形,變形量最大處為5.48mm,應力最大處為4.31MPa[5]。根據產品的使用特性,該部位為線纜裝配入口,處于受力集中區易發生斷裂,變形量較大影響裝箱運輸及二次使用,因此需要在此區域設計加強筋結構以提升其力學性能。

圖 3 初始模型應力結果
圖 4 初始模型變形量結果

02 擠吹線纜架加強筋結構的設計及優化
2.1  含加強筋結構的擠吹線纜架模型的建立
在吹塑成型工藝中,根據成型特性,需遵循吹塑拉伸比不超過1.2的規則來進行產品的設計,即本產品中加強筋的高度要小于寬度的1.2倍,否則在產品吹氣成型時會導致壁厚太薄甚至拉伸脹破,如圖5所示。同時加強筋的兩邊必須加上脫模角及脫模斜度以便脫模,底部相接產品位置必須加上圓角以消除應力集中現象[6]。結合本產品的尺寸及生產成本、成型工藝及修模難易程度等,按照圖6中的結構均勻分布12根加強筋,加強筋的深度為9.27mm,長度為110mm[7]。
圖5 加強筋部位吹塑成型示意圖
圖 6 擠吹線纜架模型優化

2.2  優化方案設計
基于塑料制品加強筋的設計規范,結合本產品的實際生產工藝、使用要求及修模成本,以加強筋的寬度L、半徑R1、半徑R2、脫模斜度α共4種因素設計正交試驗[8],加強筋結構參數如圖7所示。每個因素設計3水平,制作L9(43)正交表如表2所示。
圖 7 加強筋結構參數
 表 2 L9 ( 43

2.3  方案優化結果分析與驗證
2.3.1優化方案結果分析
根據L9(43)正交試驗表分別對不同加強筋參數的擠吹線纜架建模及受力分析,對得到的最終變形量進行極差分析,找出對擠吹線纜架受力性能最佳的加強筋參數組合[9],最終結果如表3所示。


由表3可以看出,加強筋各參數對變形量大小影響程度依次為寬度、脫模斜度、R1、R2,即C>D>A>B,實驗參數最佳方案為A3B1C3D3。
對得到的最終應力進行極差分析,結果如表4所示。

加強筋各參數對應力大小影響程度依次為R1、R2、脫模斜度、寬度,即A>B>D>C,實驗參數最佳方案為A3B1C2D1。
可以看出因素C對變形量的影響程度最大,因素D對變形量的影響程度大于對應力的影響程度,結合對擠吹線纜架模型優化的目的主要是為了減少變形量[10],選擇參數組A3B1C2D3,即R1為6mm、 R2為3mm、脫模斜度為21.5°、寬度L為43mm。

2.3.2優化方案結果驗證
用優化方案的加強筋參數對產品模型優化修改,并將模型導入到Workbench中進行靜力學分析[11],得到的應力和變形量結果如圖8和圖9所示。優化加強筋的參數后的擠吹線纜架在使用環境下受到的最大應力為3.79MPa,最大變形量為4.45mm。較無加強筋結構的初始模型的最大應力及最大變形量分別減少了12%和18%。較大程度地提高了擠吹線纜架在產品裝配過程中的力學性能。
圖 8 優化模型應力結果圖 9 優化變形量結果

03 改變加強筋設置方式的擠吹線纜架結構及靜力學分析
3.1  通過改變加強筋方向得到的擠吹線纜架結構
初步優化后的內凹式加強筋結構對線纜架的力學性能有很大程度上的提高,但是內凹式的加強筋在使用過程中也會面臨著堆積灰塵,不易清理等問題,且修模時若想增加加強筋的個數,在模具上燒焊的成本較高[12]。在吹塑過程中,內凹式加強筋部位壁厚大于產品表面,當產品受到外力作用時抗壓能力較差,根據優化后得到的最佳加強筋參數組合,改變加強筋的方向,設計凸起式加強筋,使得吹塑時,料坯先貼近模具中受力面表面,然后進入加強筋內部,在吹氣完成后,壁厚最薄處由初步優化得到的產品中的產品受力面處轉移到加強筋處。凸起式加強筋結構如圖10所示。

圖10 含凸起式加強筋的線纜架優化模型
 
3.2  凸起式加強筋結構的靜力學分析
使用workbench對加強筋優化后的模型進行靜力分析,得到的最終應力及變形量結果如圖11和圖12所示。

圖 11 凸起式加強筋模型結構應力結果圖 12 凸起式加強筋模型結構變形量結果

由圖11和圖12可以看出,采用凸起式加強筋的擠吹線纜架在使用時受到的最大應力為3.93MPa,變形量最大處為4.67mm,且應力最大處及變形量最大處由產品表面轉移到加強筋處,相比于初步優化后模型的受力分析結果(最大應力3.79MPa,最大變形量4.45mm)差距不大。因此,通過設置凸起式加強筋的方式在滿足擠吹線纜架受力性能的基礎上,優化了內凹式加強筋線纜架使用面壁厚過薄、抗外力能力不足的問題,而且凸起式加強筋設計的產品易清洗,若增加加強筋的個數時可在模具上用車床按照參數銑出形狀[13],修模成本較低。

3.3  生產驗證
將優化后的含凸起式加強筋結構的擠吹線纜架參數運用到實際生產中,得到的擠吹成型線纜架如圖13所示,零件成型質量好,抗變形性能強。

圖 13 含凸起式加強筋的擠吹線纜架裝箱圖
4結論
課題組基于正交實驗得到的最佳加強筋參數,建立了2種含加強筋的擠吹線纜架模型,并利用Workbench對模型進行靜力分析,結合實際生產及使用要求,得到以下結論:

1) 通過在受力面設置加強筋的方式可明顯提高擠吹線纜架的受力性能,改善中空儲物式吹塑產品表面抗內壓能力差的問題。
2) 通過正交試驗的模擬結果分析可知: 在設置加強筋的參數時,加強筋的脫模斜度對變形量的影響最大,加強筋的R1對產品所受應力的影響最大。
3) 對中空儲物式吹塑制品進行結構加強時,為保證產品受力面的壁厚,而設置凸起式加強筋,在加強產品力學性能的同時也解決了內凹式加強筋的清潔問題,同時提高了抗外力的能力、節約了修模成本。對此類產品結合實際使用情況進行結構優化設計提供了參考。

參考文獻:
[1] 塑料制品工業研究所.中空吹塑[M]. 吉林省塑料研究所,譯. 輕工業出版社,1984: 67 - 89. 
[2] 佚名. 吹塑塑料瓶全球市場年復合增長率將達4%[J]. 塑料科技,2018,46(11) : 24. 
[3] 張治國. 塑料吹塑成型技術問答[M]. 北京: 印刷工業出版社, 2012: 32-42. 
[4] 段名鏡,許苗苗. 擠出中空吹塑用聚乙烯材料特性[J]. 西部皮革, 2019,41(2) : 7. 
[5] 潘鳳麗,李光. 基于Ansys Workbench的塑料蜂窩板仿真分析及優化[J]. 包裝工程,2016,37(23) : 44-49. 
[6] 苗德忠 . 塑料成型工藝與模具設計[M]. 北京: 北京理工大學出版社,2014: 40-49. 
[7] 陳杰,廖秋慧,張銀龍,等. 擠吹醫用床頭板加強筋的結構優化[J]. 塑料科技,2018,46(10) : 91-94. 
[8] 承善,陳登海,江丙云,等. 基于吹塑成型的PET塑料瓶強度分析[J]. 塑料工業,2018,46(4) : 76-79.
[9] Dr ROBIN K. Extrusion blow molding: insulation[J]. Plastics Engineering,2019,75(6) : 20-25.
[10] 王善凱 . 汽車儀表盤配件下蓋注塑成型及模具結構CAE分析與優化[D]. 西安: 西安工程大學,2016: 66-80.
[11] 韓麗美,孟德穎,葛慶海,等. 聚乙烯耐環境應力開裂性能測試方法的研究進展[J]. 油氣田地面工程,2019,38(增刊1) : 4-8.
[12] 王凱,王旭. 汽車零件加強筋結構設計[J]. 汽車工程師,2019(7) : 33-36.
[13] 王震虎,何芯,李落星. 鋁合金空心型材擠壓截面內凹變形有限元分析及模具結構優化設計[J]. 鍛壓技術,2017,42(11) : 73-78.