基于Abaqus的PET塑件吹塑成型强度分析

当前塑料行业发展迅速，应用领域涵盖了饮料、引用水、药品、食品、化学品和汽车行业等。^[1]一般情况下，制造商需要在有限的时间和成本里，设计并生产新产品的包装。然而，有限的时间及成本往往限制了设计师的思路，从而很难有所创新。但如今，随着计算机技术的发展，有限元仿真技术的应用可使设计时间和实验成本有所减少，使得设计师的概念设计得以实现。

塑料业中，吹塑成型是一种生产中空制品的加工过程，所用的模具只有凹模，仅适用于热塑性塑料。^[2]吹塑成型是最常见的塑料成型方法之一，因其设备造价低，适应性强等特点，在行业中的应用十分广泛。随着吹塑技术的发展， 制品形状更加复杂，制品壁厚更加难保证均匀。^[3]同时，在吹塑成型过程伴随着残余应力的出现。这些因素影响着塑件的结构强度。

如图1所示的塑料瓶，其强度需保证在使用的过程中不会破损。使用传统的有限元方法，将零件作为等厚件分析，忽略了厚度薄弱的部分，分析结果并不能反应真正的趋势。故本文提出一种基于吹塑成型工艺的塑料件结构强度分析方法，能够合理地分析计算塑料件的结构强度。此方法考虑到吹塑成型后，不均匀厚度以及残余应力对塑件的结构强度的影响：先应用Abaqus/Explicit对塑料管进行吹塑成型模拟，获得塑件的形状（非均匀厚度）以及残余应力，再把此塑件导入到Abaqus/Standard中，并映射厚度场以及应力场，精确进行结构强度分析。

图1 塑料瓶模型

1 吹塑成型分析

1.2吹塑成型建模

吹塑成型网格模型如图3所示。将设计好的凹模划分网格，创建模具的网格模型。建立吹塑管模型，装配于模具中间位置。

图3 吹塑分析有限元模型

1.2 材料和边界设置

本文中，吹塑成型方法采用Abaqus显式算法进行求解，显式算法求解速度快且收敛性良好。^[4]本文中主要分析非均匀厚度以及残余应力对强度的影响，所以吹塑管的材料模型采用简单的PET在高温下的弹塑性模型，即定义材料密度为9.4E-010T/mm3，弹性模量10MPa，泊松比0.3，以及塑性参数如表1。

表1 塑性参数

在吹塑模型中，模具均设置为离散刚体，仅吹塑管为变形体。第一个分析步中，设置模具合模的位移，并设置吹塑管头部的位移约束（需约束除Z向平移的其他自由度），施加吹塑管腔的Z向速度平移速度约束，及吹塑管腔上下侧约束x向速度平移自由度，y、z向速度旋转自由度，左右侧约束y向速度平移自由度，x、z向速度旋转自由度，在第二个分析步中，抑制吹塑管除头部外的其他部位的约束，并约束吹塑管尾部的y向速度平移自由度，x、z向速度旋转自由度。

图4 吹塑分析中模具边界条件

图5 吹塑分析中吹塑管边界条件

1.3 热腔设置

在吹塑过程中，模具与吹塑管之间存在着热交换，^[5]故在应用有限元软件分析吹塑成型中，需要设置模具与吹塑管之间的相互作用。本文中设置模具与吹塑管的摩擦接触作用，摩擦系数为0.4，定义吹塑管腔为热腔体，设置模具与吹塑管之间热交换的相互作用。

1.3 吹塑成型结果

1.3.1 动内能比

本文中通过动内能比判断该吹塑模型是否合理。模型的动内能曲线如图6所示，可以看出随着时间的增加，模型的内能总体成上升趋势，且在合模步骤完成后继续吹塑时上升幅度较大，动能在吹塑模拟过程中非常小，几乎为0。所以动内能之比如图7所示，随着动内能比趋于平稳时，其小于5%。由此可知，此吹塑成型分析结果是较为合理的。

图6 吹塑分析的动能与内能

图7 吹塑分析中的动内能比

1.3.2 厚度分布

吹塑件厚度分布如图8所示，由图可知，吹塑件并非等厚件，瓶口处的厚度最大，瓶身相比瓶口处厚度较小，很难看出瓶身的厚度分布。为了看出瓶身的厚度分布，将结果进行过滤处理，可以清楚的看到瓶身左右两侧的厚度较小，上下两侧厚度较大。

（a）过滤前

（b）过滤后

图8 吹塑分析后塑件厚度云图

2 结构强度分析

结构强度采用Abaqus隐式算法求解，隐式算法求解非线性静力更为精确。材料选用常温下PET材料属性，如图9所示为应用本文所提出的方法建立的结构分析模型：如图10所示将吹塑成型厚后的材料厚度以及残余应力映射到PET塑料瓶上，再对此塑料件进行结构强度分析，边界条件为瓶口处全固定约束，瓶身上下两侧用半球模型挤压，分析半球所受到的力，得出力-位移曲线，即为此塑料件强度的考量。

图10 强度分析中的边界条件

图9 映射厚度及应力场

3 强度分析结果

强度分析结果如图11所示，图（a）为传统方法计算所得的等效应力云图，图（b）为采用本文所述方法分析的等效应力云图。从图中可以看出，虽然二者应力分布趋势基本相同一样，但是二者在应力数值上是有所差别的，传统方法分析所得的应力值稍大一点。

（a）均匀厚度分析（传统方法）

（b）非均匀厚度分析（新方法）

图11 强度分析后等效应力云图

图12为二者在强度分析中的力-位移曲线图，由于考虑到塑件的加工工艺，非均匀厚度塑件的强度稍低于均匀厚度塑件的强度。

图12 不同方法计算所得的力-位移曲线

4 结论

（1）进行产品设计时，考虑产品制造工艺。将吹塑成型的吹塑工艺考虑到结构强度分析中，更为合理准确地对塑件强度进行分析。

（2）运用不同算法各自的优点，将显式分析的结果映射到隐式求解的结构分析中。完美地将制造过程模拟与结构强度模拟融合到一起。

（3）考虑吹塑工艺的塑件强度分析结果表明，由于成形对材料的厚度影响导致厚度不均匀，强度下降。故在进行强度分析时，需适当的考虑工艺的影响，才能使结果更贴合实际。

参考文献

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