PET材料實際強度與理論強度分析方法

王峰

摘? 要：在注塑成型領域，有一些特殊注塑材料在生產過程中對生產設備、生產工藝、材料管控等方面有著特殊要求，該文涉及的材料為杜邦PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）RE19051，它在生產過程中，水分含量對其強度有較大影響。該文尋求一種驗證方法，計算注塑材料零件的理論設計強度，計算實際強度，研究其與實測強度之間的關系，結合材料自身的特性，驗證這種特殊注塑材料零件在生產過程中的控制情況，判斷在其生產過程中是否嚴格按照要求對材料進行烘干，對含水率進行管控等。

關鍵詞：PET材料;建模過程;強度計算

中圖分類號：TQ342? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 問題分析過程

注塑零件的斷裂，在某種情況下可視為零件以懸臂梁形狀或者以獨立卡扣形狀，在外力的作用下發生斷裂的情況。但是往往問題發生后，要確認包括設計強度、實際零件計算強度和實際測量強度等多方面因素，然后確定其發生的原因，該文主要驗證零件實測強度與零件實際計算強度之間的關系，判斷特殊材料杜邦材料PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）RE19051水分含量（水分的占比嚴重影響PET材料的強度）及生產過程中的影響因素。

在分析材料斷裂的時候，首先要將斷裂部位形狀模擬成懸臂梁或者卡扣形狀進行計算，在模擬的過程中，盡量選擇標準的形狀，例如斷裂部位的形狀盡量模擬成矩形以便于簡化計算。對材料強度進行分析計算，可按照以下流程進行，如圖1所示。

對于以上的分析方法，需要有3個前提條件。1）選擇材料斷裂的形狀要盡可能的規則，要有可模擬性能。2）該文涉及的材料的受力情況，均是在集中荷載的作用下，如果是非集中荷載，需要查閱《機械設計手冊》，重新選擇公式。3）該文涉及的材料強度計算，只適用于注塑材料（杜邦PET RE19051），其他材料未進行驗證。

2 建模過程

實際材料斷裂形狀：截取斷裂位置的材料或模擬位置的材料，使其斷裂的零件形狀盡可能地像懸臂梁或卡扣形狀，模擬的目標形狀如圖2所示。不難看出，對材料的實際斷裂情況進行近似模擬后，材料強度可以通過理論計算得出。

3 強度計算過程

參考常量：根據杜邦PET RE19051材料物性，查表得出E彎曲彈性模量 9 700 MPa;σmax彎曲強度 170 MPa。

將材料模擬為卡扣形狀，在柔性平面的受力示意圖如圖3所示，參考公式如下。

安全系數：

式中：σ表示矩形截面梁的應力;σmax表示材料彎曲強度。

截面梁的應力：

式中：Fp為偏斜力，N（集中荷載）;Lb為卡爪的長度;Z為卡扣的截面模量，mm3。

截面模量：

式中：Wb為卡扣寬度;Tb為卡扣厚度。

偏斜力N（集中荷載）：

，此公式最終反映的是材料在斷裂時所受的最大力，在實際計算中，也近似默認為零件受到集中荷載而斷裂。如果在分布荷載的情況下，需查閱機械設計手冊，重新選擇公式。

最大裝配應變：

式中：Q為柔性平面的偏斜放大系數通過查表所得;δ為末端偏斜量，mm。

末端偏斜量：

，此公式可視為材料在斷裂的同時，末端最大的形變量，其中E為彈性模量，為材料自身物性;I為卡扣轉動慣量，mm4。

轉動慣量：

根據卡扣卡扣所在位置，選擇Q偏斜放大系數。

將材料模擬為懸臂梁（剛性平面）的形狀，其受力示意圖如圖4所示，參考公式如下：

安全系數：

截面梁的應力：

截面模量：

偏斜力N（集中荷載）：

式中：Y為末端偏斜量，mm。此公式最終反映的是材料在斷裂時所受的最大力，在實際計算中，也近似默認為零件受到集中荷載而斷裂。如果是在分布荷載的情況下，需查閱機械設計手冊，重新選擇公式

轉動慣量：

采取以上2種方式，均可計算出F偏斜力，N（集中荷載）的理論值。根據零件的實際情況選擇。

4 數據分析方法

通過以上的計算方法，首先要得出以下數據：3D模型理論計算最大偏斜力Fp，理論計算最大末端偏斜量δ，實際零件理論計算最大偏斜力Fp，實測零件理論最大末端偏斜量δ，實測最大偏斜力Fp，實測最大末端偏斜量δ（根據實測力推算）。

其次對數據進行分析對比，該文分析的主要內容為實測破壞力與實際零件理論計算的占比，即實測破壞偏斜力/實際零件理論計算破壞偏斜力得出比值。比值體現出實測材料強度是否與實際零件強度保持一致，如果低于實際零件的理論計算值，需要深究零件是否在成型過程中出現塑化、原材料水分含量過高（材料降解）等問題。

5 實際應用

5.1 背景

激光打印機定影部分工作環境溫度高，需要耐高溫材料，實際生產中通常添加玻璃纖維來增強其耐高溫性能，材料使用的為該文中的材料杜邦PET RE19051，同時也會帶來一些弊端，導致材料成型難度大，易脆。

5.2 問題描述

定影組件PET材料零件出現螺絲滑牙，易斷裂等問題多發，因為是螺絲孔破裂，無法從螺絲孔下手進行分析，但是螺絲孔的斷裂反應出材料的輕度已經出現問題，因此采用卡扣強度的驗證方法，來驗證此款PET材料的強度是否存在問題。

5.3 分析問題

5.3.1 數學模型的應用以及含水率計算

通過綜合分析，將螺絲孔滑牙、零件斷裂等問題的原因定位為零件塑性太差，抗沖擊強度弱。應用上述理論進行計算，得出的數據見表1（計算傾斜力Fp）。

該機器試產階段未發生螺絲滑牙等，因此確認歷史數據見表2。

其中：Wb，Tb，Lb為卡扣的寬度，厚度和長度，單位為mm;F，Fp為理論計算與實際測量的偏斜力，單位為N。

圖5為材料供應商（杜邦公司）提供的含水量-機械性能對照圖，根據圖示大致推斷出零件含水量略大于0.05%，明顯不滿足要求0.02%（杜邦公司要求，在材料成型前，需要測量原材料干燥后的含水量，達到0.02%以下，才能滿足材料的強度要求）。

5.3.2 廠家解析不良品

杜邦公司對不良零件分析結果見表3（#1和#3為原材料，#2和#4為零件），推斷出成型率=（零件熔體黏度）/（原材料熔體黏度）。

NG零件=（零件熔體黏度）/（原材料熔體黏度）=#1/#2=0.54。

OK零件=（零件熔體黏度）/（原材料熔體黏度）=#4/#3=0.64。

對照杜邦公司提供的成型率與零件黏性關系表。表格為杜邦公司提供的Development of Viscosity Retention Guidelines for Parts Molded from Rynite PET（PET注塑零件黏度開發指南）中的Summary of General Rynite PET Viscosity Molding Ratios（一般PET黏度成型比的總結），通過查詢表格，成型率在0.65以上才能保證零件沖擊強度滿足材料強度規格，不良品不滿足。

6 結論

該文構造的簡易模型以及沖擊強度算法符合實際要求，可以作為一種經驗計算公式來計算零件的沖擊強度及其相關數據，如含水量等。

參考文獻

[1]機械設計手冊編委會.機械設計手冊（第三版）[M].北京：機械工業出版社，2004（4）：4-78.

[2]保羅 R. 博登伯杰.塑料卡扣連接技術[M].北京：化工工業出版社，2004：175.