計算機有限元法在注塑機模板強度分析中的應用

摘要本文利用目前應用廣泛的計算機有限元分析軟件ANSYS，建立注塑機模板的準確真實的力學模型，對模板的工作狀態進行模擬，并對模板進行靜力學以及疲勞壽命的有限元分析，根據有限元分析的結果對模板結構進行優化，從而可使模板的結構設計更加合理。

關鍵詞注塑機有限元分析軟件模板

中圖分類號:TP39文獻標識碼:A

1 引言

隨著塑料工業的迅速發展，塑料制品廣泛應用于航天、電子、船舶和汽車等工業部門和日常生活中。注塑機是加工塑料制品的一種常用機械，由于塑料制品精度要求高，對注塑機特別是注塑機模板的變形要求嚴格，模板作為注塑機的重要剛性零件，具有固定模具和運動導向的定位基準作用，因此模板結構及其剛度將直接影響到機器的質量，在設計制造過程中，需要控制注塑機模板的變形量。本文利用目前應用廣泛的計算機有限元分析軟件ANSYS，建立注塑機模板的準確真實的力學模型，對模板的工作狀態進行模擬，并對模板進行靜力學以及疲勞壽命的有限元分析，根據有限元分析的結果對模板結構進行優化，從而可使模板的結構設計更加合理。與傳統力學計算方法相比，分析結果更加符合實際，不必采用物理樣機進行實驗，可以大大縮短模板設計周期;使得制造工藝過程更加優化，提高材料的利用率，降低制造成本。

2 有限元原理及模型建立

疲勞破壞是指當材料或結構受到多次重復變化的載荷作用后，在應力值雖然始終沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低的情況下發生的破壞現象。結構的疲勞破壞一般在應力最高的區域產生裂縫， 由于該區域代表了整個結構的疲勞強度，所以該區域稱為危險區，危險區的應力、應變變化情形為結構疲勞分析中所需的應力或應變-時間歷程。因此，結構疲勞應力分析的目的， 就是要求得結構在承受各種負荷時， 對其危險區的應力或應變響應， 并根據分析結果對結構進行優化設計。

目前在塑料機械中，模板大部分采用球墨鑄鐵鑄造。這是因為球鐵剛性較好，也具有一定強度，易于精鑄，使加工余量大大減少，在工藝上還可以鑄出加強筋或將模板掏空，可有效減少質量，從而減少成本。雖然在設計過程中充分考慮了模板的強度、剛度，但是仍模板斷裂的現象仍時有發生，其主要原因為疲勞破壞所引起。

利用ansys軟件的前處理器對模板進行建模并劃分網格，得到有限元分析模型如圖1。根據零件的受力情況及要求，建模時對模板進行了適當的簡化，包括忽略了一些對整體受力影響不大的小孔、凹槽以及大部分較小的圓角。

3 模板的有限元疲勞分析

用ANSYS疲勞分析的原理為首先讀取有限元應力分析計算出的單位載荷或實際工作載荷下的彈性應力，然后根據實際載荷工況和交變載荷形式將結果比例迭加以產生工作應力時間歷程;也可換算成特定類型載荷作用下的彈塑性應力。ANSYS疲勞分析采用廣泛使用的應力-壽命方法，綜合考慮平均應力、載荷條件與疲勞強度系數等疲勞影響因素并按線性累積損傷理論進行疲勞計算。

模板的材料為QT500-7，其彈性模量和泊松比分別為E = 173 GPa 和0.3，其疲勞特性曲線如圖2。

有限元分析邊界條件的設定:在工作時，模板的四個導柱孔的X 與Y 方向被固定， 故限制其X 與Y 方向的自由度，而Z 方向的自由度則被模板前方的螺栓限制。

載荷的施加:注塑機的定模板受到900KN 的鎖模力，其均布于中央的中心孔周圍;

疲勞參數設定:疲勞強度換算系數為0.9;疲勞載荷類型為History Data ;設計壽命為107個循環周期。

4 結果與討論

圖3為900KN 鎖模力作用下的定模板應力分析結果。從圖中可看出，最大變形發生在定模板中央，最大變形量為0.048mm，最大應力發生在四導柱孔處，最大應力為193MPa 。QT500-7 的強度為€%lb = 500 MPa ，€%l0.2 = 320 MPa 。從分析結果看，根據材料力學的材料強度理論，不管采用何種應力理論，模板的強度是足夠的。

從應力分析的結果知道模板在工作的時候應力最高的區域位于四導柱孔處，因此該區域是危險區域，最易發生疲勞破壞的地方。對該區域的疲勞分析結果表明，在該危險區域的允許疲勞循環次數為1.5X107，大于設計壽命的循環次數107，疲勞使用系數為0.66667，模板的使用是安全的。

5 結論

由于模板幾何形狀復雜且實際應力狀況比較復雜，因而為了方便分析，一般把定模板沿四臺階孔對角線簡化成簡支梁。模板在頻繁的合模力作用下， 承受頻繁沖擊，從而造成模板疲勞破壞。而當模板鑄造有鑄造缺陷時， 就特別容易疲勞斷裂。利用模板的有限元疲勞分析模板的疲勞壽命進行預測并根據分析結果對模板結構進行優化，實現模板的疲勞設計。通過限元分析可知定模板四導柱孔處為危險區域，所以在模板設計中不應使四臺階孔內側處太薄，在四導柱孔對角線連接處設置一定寬度的加強筋，從而避免疲勞破壞的發生。