吹塑制品加工技術三階段的建模、仿真和分析

聚合物要成為具有使用價值的材料，須經過加工成型，故聚合物加工成型技術的發展決定著聚合物材料科學技術的總體發展水平。 吹塑制品加工技術是第三大聚合物成型技術，更是近期發展較快的一種聚合物成型技術。 與廣泛應用的注塑技術相比，吹塑的裝備和模具造價較低 ( 如吹塑汽車保險杠和導流板的模具造價約為注塑的 1 /4) 、鎖模力小 ( 吹塑型坯的吹脹壓力一般低于 1MPa，而注塑模腔內熔體壓力一般為 15 ～140MPa) 、能耗較低、適應性強 ( 可成型結構復雜、雙壁的制作) ，成型的工業制件整體性高、綜合性能好、附加值高、缺陷較小、成本較低，因而 吹塑制品加工技術在汽車工業等領域得到越來越廣泛的應用。 

近期，吹塑工業配件向復雜化和大型化方向發展。然而，汽車等工業配件吹塑制品中存在材料消耗大、加工能耗高和生產效率低等突出問題。 汽車內的各種連接管和通風管的結構復雜，多呈三維彎曲狀，其吹塑時會產生大量的飛邊。 如某汽車配件制造公司采用常規 吹塑制品加工技術生產的一種汽車管件的飛邊質量為該配件質量的 2 倍多；吹塑的某車型排水罐連接管的飛邊質量為該連接管質量的 9 倍。此外，結構復雜且壁厚差異較大的吹塑制件，存在表觀性能和成型合格率低等問題。 

吹塑制品加工技術包括型坯成型、型坯吹脹和制品冷卻 3 個階段，它們直接影響吹塑制品的尺寸和各種性能，而且是決定吹塑過程材料和能量消耗的主要因素。

1、型坯成型

型坯成型階段主要受離模膨脹和垂伸這兩種復雜流變現象的影響，它們的綜合效應決定了型坯吹脹前的尺寸和形狀。

1) 型坯尺寸的神經網絡模型預測。基于實驗或有限元( FE) 模擬獲得的系列數據，建立了可在一定范圍內預測型坯尺寸( 直徑 D和壁厚 H) 分布的神經網絡( NN) 模型。

將 NN 方法應用于受多因素影響的型坯成型的研究，可確定型坯尺寸與機械參數、材料性能參數和吹塑制品加工參數之間的定量關系，具有不需或 Z少的簡化假設、不需采用本構方程、可在線預測、較快的響應等優點。利用建立的 NN 模型預測的結果與實驗結果很吻合，為型坯尺寸的在線控制提供了理論依據。

2) 變機頭模口間隙下型坯尺寸的模擬。

對每個預設的模口間隙，均采用 FE 法進行一次模擬；把在各個模口間隙下模擬獲得的型坯子段組合在一起，即可得到模口間隙變化情況下擠出的整段型坯，獲得的吹塑制品型坯輪廓和尺寸分布應與實驗結果比較吻合。

2、型坯吹脹

吹脹階段型坯要經受大變形，且涉及幾何、材料和接觸三方面的非線性，故對其建模和仿真有較大的難度。從對型坯( 薄殼) 微體積元的力平衡出發，建立型坯自由吹脹的物理模型。基于薄膜近似和 neo-Hookean 本構關系，推導出描述型坯自由吹脹的數學模型。上述建立的數學模型可用于預測型坯自由吹脹時局部的拉伸比、軸向和周向的局部應力分布以及壁厚分布，還可預測型坯的自由吹脹對材料性能、型坯尺寸和 吹塑制品加工參數等的依賴性。

3、制品冷卻與固化

吹塑制品的冷卻效率直接影響吹塑的生產率和能耗，而且是制品內形成的晶體結構的主要影響因素之一，其少量變化就會導致晶體生長從而使制品性能發生較大變化。可以建立吹塑制品冷卻階段的三維溫度場、結晶動力學和制品楊氏模量 ( E) 的數學模型。

通過模擬，預測了吹塑制品壁內的瞬態溫度分布，并與實驗結果進行比較，為進一步分析制品的微結構性能( 取向度、結晶度、密度和殘余熱應力 ) 和性能提供溫度數據。

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