CN108007771A - 基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析设备及方法，其基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析设备包括测试系统、映射系统、分析系统等设备。基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析方法，先通过测试分析获得与注塑方向相交0°、45°和90°的测试样条的真实应力‑应变曲线，然后拟合出任一方向的真实应力‑应变曲线，依此再对样条进行有限元建模并进行虚拟拉伸试验，获得任一方向的对应虚拟应力‑应变曲线，从而精确预测塑件产品的结构性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料的测试系统及其使用方法，属于塑件成型领域，尤其适用于含有玻纤的塑件产品及其模具的基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析设备及方法。
背景技术
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
塑料件易成型加工，且具有高性能和低成本，其作为结构件替代传统金属材料正成为趋势，但也伴有挑战，产品的更新换代快、开发周期短，对进行循环“修改-完善”的传统设计方法难以满足现代设计要求。所以先进的有限元方法就成为支持产品设计的行之有效的工具，但目前对塑件的结构性能进行有限元分析中，将塑件材料当成理想的各向同性材料进行有限元建模，其分析结果极不合理，因为在注塑成型中，玻纤的方向随着流动会发生极大的改变，导致塑件的材料表现出极大的各向异性，直接影响成型塑件的结构性能。目前还没有一种行之有效的方法对注塑成形和强度校核的塑件材料进行测试分析并应用到实际的基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析系统。
发明内容
本发明正是针对以上技术问题，提供一种行之有效的方法对注塑成形和强度校核的塑件材料进行测试分析并应用到实际的基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析设备及方法。
本发明主要通过以下技术方案来实现。
基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析设备，包括测试系统、映射系统、分析系统，其特征在于所述测试系统、映射系统共用相同的样板和样条设计，所述测试系统包括样板模具设计、样板模具注塑成型、传感器监测、样板检测、激光切割样板、样条拉伸测试、真实应力-应变曲线绘制，所述传感器检测步骤中通过模内传感器对注塑成型的温度和压力进行监测，压力和温度符合成型标准，否则调整注塑参数重复进行模具注塑成型步骤，所述样板检测步骤中，通过CT扫描并计算样板张量，然后提供给映射系统，所述真实应力-应变曲线绘制步骤将数据与映射系统结合后提供给分析系统，同时将数据直接提供给分析系统进行数据校核；所述映射系统经有限元建模准备后，分别进行样板成型仿真建模和样条拉伸仿真建模，样板成型仿真建模后经样板注塑成型仿真获得有限元玻纤张量，然后使其与测试系统的样板测试所得CT扫描数据进行对比，不符合误差标准则调整仿真参数重新进行样板注塑成型仿真，符合误差标准则输出张量数据，然后把输出的张量数据映射至样条拉伸有限元模型的网格积分点上，输出含张量的样条拉伸有限元模型，此模型与测试系统的真实应力-应变曲线结合后提供给分析系统；所述分析系统得到测试系统与映射系统输出的结合数据后，进行数值分析并拟合，然后对拟合后的模型进行虚拟拉伸仿真试验，获得虚拟应力-应变曲线，与所述测试系统的真实应力-应变曲线绘制步骤所得数据进行校核，不符合误差标准，则调整数值分析参数，重新进行数值分析并拟合，符合标准则进行塑件产品的结构应用。所述激光切割步骤中，样条切割的方向为与注塑方向呈多角度相交。所述激光切割步骤中，样条切割数量为三条。所述激光切割步骤中，样条切割的方向为与注塑方向分别呈0°、45°、90°相交。
本发明还提供一种基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析方法，其特征在于先注塑生产出测试样板，然后进行激光切割，分别获得与注塑方向相交0°、45°和90°的测试样条，并分别对其进行拉伸测试，准确获得0°、45°和90°真实应力-应变曲线，然后分别建立测试样板注塑成型和测试样条结构强度的有限元模型，对样板进行注塑成型仿真获取玻纤张量，并把样板上的玻纤张量映射至样条模型中，结合0°、45°和90°真实应力-应变曲线，拟合出拉伸模型中任一网格单元的真实应力-应变曲线，然后对样条的有限元模型进行虚拟拉伸试验，获得虚拟应力-应变曲线，以精确预测塑件产品的结构性能。
映射系统采用反距离加权插值算法，对空间距离最近的高斯点上的玻纤张量进行数值映射。数据分析和拟合主要采用以下步骤，先将塑料的基材成分特性输入到特定的微观力学模型中，该模型可适应不断变化的基体特性，然后，此微观力学模型将为具有纤维取向张量的得材拟合生成均质复合特性。最终对比判断，先对虚拟和真实应力-应变曲线分别进行数值积分计算出各自应变能，即应力-应变曲线所围成的面积，然后对虚拟应变能面积A，和真实应变能面积B进行对比，误差绝对值｜（A-B）/A｜＜5%即判定为满足标准。
本发明主要用于测试含玻纤塑料材料的各向异性力学性能，并通过玻纤张量映射方法，对所测试的力学性能进行分析校核。本发明系统包含测试系统、映射系统和分析系统3个模块，测试系统的应用步骤如下：a.使用配备模内传感器的注塑模具，填充成型测试样板，保证样板成型质量；b.对注塑后的测试样板进行激光切割，分别获得与注塑方向相交0°、45°和90°的测试样条，保证截面的光滑度；c.采用配备光学引伸计的拉伸机，分别对0°、45°和90°的测试样条进行拉伸测试，非接触式引伸计能够准确获得0°、45°和90°真实应力-应变曲线。映射系统的应用步骤如下：a.采用有限元数值模拟方法，分别创建测试样板的注塑成型模型和测试样条的结构强度模型；b.对注塑成型模型进行虚拟仿真分析，获得测试样板的玻纤张量；c.采用CT仪器扫描测试样板的中心位置玻纤排向，然后换算成张量值，使实测张量值与虚拟仿真张量值加以对比校核，如误差值超过系统评判标准，则返回本模块b步骤，调整有限元分析参数，再次迭代c步骤，直至获得准确的仿真张量；d.采用插值映射积分点数值方式，把样板上的玻纤张量映射至样条模型中；分析系统的应用步骤如下：a.结合0°、45°和90°真实应力-应变曲线，对样条模型中的张量进行数值分析，拟合出拉伸模型中任一网格单元的真实应力-应变曲线；b.对有限元样条模型进行虚拟拉伸试验，获得虚拟应力-应变曲线；c.校核虚拟应力-应变曲线和真实应力-应变曲线，如误差值超过系统评判标准，则返回本模块a步骤，调整拟合分析参数，再次迭代b和c步骤，直至获得可靠可用的材料数据。本发明系统，充分考量了玻纤排向和映射插值方法，提高了塑料材料的测试和使用数据的准确度，可精确预测塑件产品的结构强度。
附图说明
附图中，图1是本发明框图，图2是本发明测试系统框图，图3是本发明映射系统框图，图4是本发明分析系统框图，图5是本发明样板图，图6是本发明样条图，图7是本发明模具浇口设计图，图8是本发明样条切割方向图，图9是本发明0°方向切割样条图，图10是本发明45°方向切割样条图，图11是本发明90°方向切割样条图，图12是本发明真实应力-应变曲线图，图13是本发明样板注塑成型有限元模型图，图14是本发明样条结构强度有限元模型图，图15是本发明注塑样板玻纤张量图，图16是本发明虚拟应力-应变曲线图，图17是本发明玻纤张量映射图，图18是本发明0°虚拟应力应变积分面积图，图19是本发明0°真实应力应变积分面积图。其中：
1—测试系统，2—映射系统，3—分析系统，4—样板，5—样条，6—模具浇口和流道，7—样条切割方向，8—0°样条，9—45°样条，10—90°样条，11—0°真实应力应变曲线，12—45°真实应力应变曲线，13—90°真实应力应变曲线，14—样板注塑成型有限元模型，15—样条结构强度有限元模型，16—注塑样板的玻纤张量，17—0°虚拟实应力应变曲线，18—45°虚拟应力应变曲线，19—90°虚拟应力应变曲线，20—样板玻纤张量映射至样条算法图，21—0°仿真样条的虚拟应力-应变曲线，22—0°测试样条的真实应力-应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析设备，包括测试系统1、映射系统2、分析系统3，其特征在于所述测试系统1、映射系统2共用相同的样板4和样条5设计，所述测试系统1包括样板模具设计6、样板模具注塑成型、传感器监测、样板检测、激光切割样板、样条拉伸测试、真实应力-应变曲线绘制，所述传感器检测步骤中通过模内传感器对注塑成型的温度和压力进行监测，压力和温度符合成型标准，否则调整注塑参数重复进行模具注塑成型步骤，所述样板检测步骤中，通过CT扫描并计算样板张量，然后提供给映射系统2，所述真实应力-应变曲线绘制步骤将数据与映射系统2结合后提供给分析系统3，同时将数据直接提供给分析系统3进行数据校核；所述映射系统2经有限元建模准备后，分别进行样板成型仿真建模和样条拉伸仿真建模，样板成型仿真建模后经样板注塑成型仿真获得有限元玻纤张量，然后使其与测试系统1的样板测试所得CT扫描数据进行对比，不符合误差标准则调整仿真参数重新进行样板注塑成型仿真，符合误差标准则输出张量数据，然后把输出的张量数据映射至样条拉伸有限元模型的网格积分点上，输出含张量的样条拉伸有限元模型，此模型与测试系统的真实应力-应变曲线结合后提供给分析系统3；所述分析系统3得到测试系统1与映射系统2输出的结合数据后，进行数值分析并拟合，然后对拟合后的模型进行虚拟拉伸仿真试验，获得虚拟应力-应变曲线，与所述测试系统的真实应力-应变曲线绘制步骤所得数据进行校核，不符合误差标准，则调整数值分析参数，重新进行数值分析并拟合，符合标准则进行塑件产品的结构应用。所述激光切割步骤中，样条切割方向7为与注塑方向呈多角度相交。所述激光切割步骤中，样条5切割的数量为三条。所述激光切割步骤中，样条5切割的方向为与注塑方向分别呈0°样条8、45°样条9、90°样条10。
本发明还提供一种基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析方法，其特征在于先注塑生产出测试样板4，然后进行激光切割，分别获得与注塑方向相交0°样条8、45°样条9、90°样条10，并分别对其进行拉伸测试，准确获得0°真实应力应变曲线11、45°真实应力应变曲线12、90°真实应力应变曲线13，然后创建样板注塑成型有限元模型14，样条结构强度有限元模型15，注塑样板的玻纤张量16，再把注塑样板的玻纤张量16映射至样条结构强度有限元模型15中，结合0°真实应力应变曲线11、45°真实应力应变曲线12、90°真实应力应变曲线13，拟合出拉伸模型中任一网格单元的真实应力-应变曲线，然后对样条的有限元模型进行虚拟拉伸试验，获得0°虚拟实应力应变曲线17、45°虚拟应力应变曲线18、 90°虚拟应力应变曲线19，以精确预测塑件产品的结构性能。
本发明主要用于测试含玻纤塑料材料的各向异性力学性能，并通过玻纤张量映射方法，对所测试的力学性能进行分析校核。本发明系统包含测试系统1、映射系统2和分析系统3共3个模块，测试系统1的应用步骤如下：a.使用配备模内传感器的注塑模具，填充成型测试样板，保证样板成型质量；b.对注塑后的测试样板进行激光切割，分别获得与注塑方向相交0°样条8、45°样条9、90°样条10，保证截面的光滑度；c.采用配备光学引伸计的拉伸机，分别对0°样条8、45°样条9、90°样条10进行拉伸测试，非接触式引伸计能够准确获得0°真实应力应变曲线11、45°真实应力应变曲线12、90°真实应力应变曲线13。映射系统2的应用步骤如下：a.采用有限元数值模拟方法，分别创建测试样板的注塑成型模型14和测试样条的结构强度模型15；b.对注塑成型模型14进行虚拟仿真分析，获得测试样板的玻纤张量16；c.采用CT仪器扫描测试样板的中心位置玻纤排向，然后换算成张量值，使实测张量值与虚拟仿真张量值加以对比校核，如误差值超过系统评判标准，则返回本模块b步骤，调整有限元分析参数，再次迭代c步骤，直至获得准确的仿真张量；d.采用反距离加权插值算法，对空间距离最近的高斯积分点上的玻纤张量进行数值映射20，把样板上的玻纤张量16映射至样条模型15中；分析系统3的应用步骤如下：a.结合0°真实应力应变曲线11、45°真实应力应变曲线12、90°真实应力应变曲线13，对样条模型中的张量进行数值分析，拟合出拉伸模型中任一网格单元的真实应力-应变曲线；b.对有限元样条模型进行虚拟拉伸试验，获得0°虚拟实应力应变曲线17、45°虚拟应力应变曲线18、 90°虚拟应力应变曲线19；c.校核虚拟应力-应变曲线和真实应力-应变曲线，如误差值超过系统评判标准，则返回本模块a步骤，调整拟合分析参数，再次迭代b和c步骤，直至获得可靠可用的材料数据，形成样板玻纤张量映射至样条算法图20。本发明系统，充分考量了玻纤排向和映射插值方法，提高了塑料材料的测试和使用数据的准确度，可精确预测塑件产品的结构强度。
分析系统3的数据分析和拟合主要采用以下步骤，先将塑料的基材成分特性输入到特定的微观力学模型中，该模型可适应不断变化的基体特性，然后，此微观力学模型将为具有纤维取向张量的得材拟合生成均质复合特性。最终对比判断，先对虚拟和真实应力-应变曲线分别进行数值积分计算出各自应变能，即应力-应变曲线围成的面积；比如0°仿真样条的虚拟应力-应变曲线21围成面积A ，0°测试样条的真实应力-应变曲线22围成面积B,然后对虚拟应变能面积A和真实应变能面积B进行对比，误差绝对值｜（A-B）/A｜＜5%即判定为满足标准。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析设备，包括测试系统、映射系统、分析系统，其特征在于所述测试系统、映射系统共用相同的样板和样条设计，所述测试系统包括样板模具设计、样板模具注塑成型、传感器监测、样板检测、激光切割样板、样条拉伸测试、真实应力-应变曲线绘制，其中，所述传感器检测步骤中通过模内传感器对注塑成型的温度和压力进行监测，压力和温度符合成型标准，否则调整注塑参数重复进行模具注塑成型步骤，所述样板检测步骤中，通过CT扫描并计算样板张量，然后提供给映射系统，所述真实应力-应变曲线绘制步骤将数据与映射系统结合后提供给分析系统，同时将数据直接提供给分析系统进行数据校核；所述映射系统经有限元建模准备后，分别进行样板成型仿真建模和样条拉伸仿真建模，样板成型仿真建模后经样板注塑成型仿真获得有限元玻纤张量，然后使其与测试系统的样板测试所得CT扫描数据进行对比，不符合误差标准则调整仿真参数重新进行样板注塑成型仿真，符合误差标准则输出张量数据，然后把输出的张量数据映射至样条拉伸有限元模型的网格积分点上，输出含张量的样条拉伸有限元模型，此模型与测试系统的真实应力-应变曲线结合后提供给分析系统；所述分析系统得到测试系统与映射系统输出的结合数据后，进行数值分析并拟合，然后对拟合后的模型进行虚拟拉伸仿真试验，获得虚拟应力-应变曲线，与所述测试系统的真实应力-应变曲线绘制步骤所得数据进行校核，不符合误差标准，则调整数值分析参数，重新进行数值分析并拟合，符合标准则进行塑件产品的结构应用。
2.根据权利要求1所述基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析设备，其特征在于所述激光切割步骤中，样条切割的方向为与注塑方向呈多角度相交。
3.根据权利要求2所述基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析系设备，其特征在于所述激光切割步骤中，样条切割数量为三条。
4.根据权利要求2或3所述基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析设备，其特征在于所述激光切割步骤中，样条切割的方向为与注塑方向分别呈0°、45°、90°相交。
5.基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析方法，其特征在于先注塑生产出测试样板，然后进行激光切割，分别获得与注塑方向相交0°、45°和90°的测试样条，并分别对其进行拉伸测试，准确获得0°、45°和90°真实应力-应变曲线，然后分别建立测试样板注塑成型和测试样条结构强度的有限元模型，并对样板进行注塑成型仿真以获取玻纤张量，再把样板上的玻纤张量映射至样条模型中，结合0°、45°和90°真实应力-应变曲线，拟合出拉伸模型中任一网格单元的真实应力-应变曲线，然后对样条有限元模型进行虚拟拉伸试验，获得虚拟应力-应变曲线，以精确预测塑件产品的结构性能。
6.根据权利要求5所述基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析方法，其特征在于所述映射系统采用反距离加权插值算法，对空间距离最近的高斯点上的玻纤张量进行数值映射。
7.根据权利要求5所述基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析方法，其特征在于所述分析系统的数据分析和拟合主要采用以下步骤，先将塑料的基材成分特性输入到特定的微观力学模型中，该模型可适应不断变化的基体特性，然后，此微观力学模型将为具有纤维取向张量的得材拟合生成均质复合特性。
8.根据权利要求5所述基于注塑成形和强度校核的塑件材料测试分析方法，其特征在于所述分析系统最终对比判断中，先对虚拟和真实应力-应变曲线分别进行数值积分计算出各自应变能，即应力-应变曲线所围成的面积，然后对虚拟应变能面积A，和真实应变能面积B进行对比，误差绝对值｜（A-B）/A｜＜5%即判定为满足标准。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108732927A (zh) * | 2018-06-09 | 2018-11-02 | 王天骄 | 能量束热作用状态控制方法 |
| CN110749510A (zh) * | 2019-09-30 | 2020-02-04 | 武汉钢铁有限公司 | 基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法 |
| CN111982680B (zh) * | 2020-08-12 | 2023-07-04 | 中广核俊尔(浙江)新材料有限公司 | 一种测试玻璃纤维增强复合材料制件破坏强度的方法 |
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2017
- 2017-05-23 CN CN201710369862.5A patent/CN108007771A/zh not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108732927A (zh) * | 2018-06-09 | 2018-11-02 | 王天骄 | 能量束热作用状态控制方法 |
| CN110749510A (zh) * | 2019-09-30 | 2020-02-04 | 武汉钢铁有限公司 | 基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法 |
| CN110749510B (zh) * | 2019-09-30 | 2022-05-10 | 武汉钢铁有限公司 | 基于有限元仿真检测金属材料弯曲性能的方法 |
| CN111982680B (zh) * | 2020-08-12 | 2023-07-04 | 中广核俊尔(浙江)新材料有限公司 | 一种测试玻璃纤维增强复合材料制件破坏强度的方法 |
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