高分子材料注塑固化阶段的残余应力分析1.PDF

第 30 卷 　第 2 期 　 Vol. 30 ,No. 2 力 　学 　学 　报 　 1998 年 3 月 ACTA MECHANICA SINICA Mar. , 1998 高分子材料注塑固化阶段的残余应力分析1) 徐千军 (清华大学水电工程系 , 北京 100084) 余寿文 (清华大学工程力学系 , 北京 100084) 摘要　在结晶性高分子材料注塑过程的固化阶段 , 温度分布、材料细观结构和应力应变之间相 互耦合 , 因而其变化规律非常复杂. 本文在井上等人考虑材料细观结构变化的金属热加工工艺 应力分析[3～ 6 ] 的基础上 , 发展了一套用于高分子注塑固化阶段残余应力分析的本构描述和有 限元分析方法. 在本构模型中 , 同时考虑了温度变化、结晶和“冻结取向”对变形的贡献. 关键词 　高分子材料 , 注塑固化阶段 , 残余应力 , 结晶 , 冻结取向 引　言 热塑性高聚物是一种重要的工程材料. 由于工艺简单, 生产周期短 , 能耗低的特点 , 工程 中通常采用注塑法成型. 不过在成型后期温度不易控制 , 冷却时间短 , 其残余应力成为较严重 的问题. 这通常会导致注塑制品翘曲变形 , 引起形状和尺寸误差; 同时 , 残余应力导致的银纹 及其它各种缺陷 , 都会促使构件在使用过程中过早地失效 , 影响其使用性[1 ] . 因此 , 对注塑固 化阶段残余应力的形成机理、应力分析及其控制的研究 , 一直是注塑加工工艺的重要课题 , 也 是工艺优化的依据. 高聚物的注塑过程大体上包括塑料熔体的充模流动和固化两个阶段[1 ] , 因此熔体的流动情 况、固化阶段高分子材料所经历的温度变化、以及其内部结构形态上的变化就成为引起残余应 力的几种主要因素. 其中 , 内部结构形态的变化主要是指熔体在冷却时, 要经历从粘流态、橡 胶态 (或称高弹态) 到玻璃态的变化 , 每一阶段的材料参数都有明显的差别 ; 同时在橡胶态通 常会发生结晶 , 结晶度则取决于材料在橡胶态所停留的时间. 结晶也会产生体积收缩 , 结晶度 越大 , 体积收缩就越大 ; 另外 , 高分子材料具有一定的粘性 , 因此在成型过程中通常会发生内 应力的松弛现象. 上述各种因素对残余应力的形成都起着重要的作用[1 ] , 在分析中必须全面考 虑. 与此同时 , 在注塑过程中 , 高分子熔体与模具之间除了发生热交换以外 , 凝固时还有一个 明显的放热峰 , 结晶速度最大时还有一个明显的吸热峰[2 ] . 　这又会反过来影响温度场的变 化. 因此 , 温度、细观结构和应力这三方面之间是互相耦合的 , 如图 1 所示. 只有综合考虑它 们之间的相互作用 , 才能准确模拟注塑过程产生的残余应力. 不过 , 应力分布对其它两方面的 ( ) ( ) 影响通常很小 , 作为一种近似 , 可以忽略. 因此 , 把图 1 中的 5 和 6 画成虚线.