注塑成型工藝對薄壁大曲率聚碳酸酯塑件沖擊行為影響的分析方法與流程

本發明涉及一種聚碳酸酯復合材料沖擊行為影響的分析方法，特別涉及一種注塑成型工藝對薄壁大曲率聚碳酸酯塑件沖擊行為影響的分析方法。

背景技術：

熱塑性聚合物聚碳酸酯(Polycarbonate，簡稱PC)的透明性、高延展性、耐沖擊性等優異性能，使其成為航空航天領域不可替代的新型結構材料之一，廣泛應用于航空、航天不同構型的聚碳酸酯部件及宇航員的防護用品等。PC的耐沖擊性，對于測量懸臂梁沖擊試驗，是熱塑性材料中最好的。因此，使其適用于沖擊應用包括飛機座艙罩、防護面罩、護目鏡、擋風玻璃、車窗等。注塑成型是用于制造熱塑性聚合物產品最廣泛使用的方法。在整個過程中，熔融的聚合物被注入模腔中，之后在高填充壓力下冷卻，注塑成型聚合物機械性能的影響因素通常為加工過程的熱歷史。

文獻“Processing-induced properties in glassy polymers:development of the yield stress in PC[J].International Polymer Processing,2005,20(2):170-177”公開了一種聚碳酸酯復合材料沖擊行為影響的分析方法。該方法直接預測高聚物在注塑成型過程中屈服應力的分布，該方法是基于退火過程中PC材料處于玻璃態溫度以下溫度與屈服應力的演變關系，經過注塑成型過程的數值模擬，可以估計屈服應力在一個產品中的分布，證明了從熔體到固化時的熱歷史影響了成型后PC產品的屈服應力，但是，在整個過程中，只說明了成型工藝條件對成型后薄壁大曲率聚碳酸酯塑件屈服應力的影響，沒有此種成型工藝條件對薄壁大曲率聚碳酸酯塑件沖擊行為的影響研究分析。

技術實現要素：

為了克服現有聚碳酸酯復合材料沖擊行為影響的分析方法實用性差的不足，本發明提供一種注塑成型工藝對薄壁大曲率聚碳酸酯塑件沖擊行為影響的分析方法。該方法對退火樣件進行拉伸實驗，測得不同退火溫度下樣件的屈服應力隨著退火時間的變化曲線，構造一條屈服應力主曲線，計算主曲線轉換因子。根據屈服應力-退火時間主曲線建立成型熱歷史與屈服應力的關系計算屈服應力。建立薄壁大曲率塑件有限元模型，然后對有限元模型施加相應的載荷邊界條件，對模型內的所有單元應用失效準則進行判斷，得出薄壁大曲率塑件在不同熱歷史情況下的沖擊行為。由于建立了一條屈服應力主曲線，構造出了在退火過程中屈服應力的對數演化方程，從加工條件的角度出發，整個注塑成型過程中簡潔明了地計算出屈服應力，分析了PC產品的沖擊行為，優化得到最適合使用的薄壁大曲率聚碳酸酯塑件；從建模到計算的整個過程簡潔高效，實用性強。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案：一種注塑成型工藝對薄壁大曲率聚碳酸酯塑件沖擊行為影響的分析方法，其特點是包括以下步驟：

步驟一、對退火樣件進行拉伸實驗，測得不同退火溫度下樣件的屈服應力隨著退火時間的變化曲線，構造一條屈服應力主曲線，用公式

計算主曲線轉換因子。

式中，ΔU_a為實驗參數，205kj/mol；R為通用氣體常數；T為任意退火過程的熱歷史；T_ref為參考溫度。

步驟二、根據主曲線轉換因子，用公式

計算注塑成型冷卻過程中每一個模具溫度下塑件的累積等效時間。

步驟三、注塑成型從玻璃態溫度T_g冷卻至模具溫度直至成型結束的這一過程看做等效退火過程，用下式約束冷卻過程中的PC材料：

T＞T_g：

T≤T_g：

式中，T_g為PC的玻璃態轉變溫度；T_c(t)為注射過程中材料的熱歷史。

步驟四、根據屈服應力-退火時間主曲線建立成型熱歷史與屈服應力的關系，用公式

σ_y＝σ_y，0+c·log(t_eff+t_a) (5)

計算屈服應力。

式中，σ_y，0，c，t_a為試驗擬合參數；t_eff為等效時間。

步驟五、建立薄壁大曲率塑件有限元模型，然后對有限元模型施加相應的載荷邊界條件，對模型內的所有單元應用失效準則進行判斷，如果某單元的應變超過規定的某一個固定值ε，則認為該單元已經損傷失效。全部單元分析判斷完畢后，則沖擊分析結束。最終得出薄壁大曲率塑件在不同熱歷史情況下的沖擊行為。

本發明的有益效果是：該方法對退火樣件進行拉伸實驗，測得不同退火溫度下樣件的屈服應力隨著退火時間的變化曲線，構造一條屈服應力主曲線，計算主曲線轉換因子。根據屈服應力-退火時間主曲線建立成型熱歷史與屈服應力的關系計算屈服應力。建立薄壁大曲率塑件有限元模型，然后對有限元模型施加相應的載荷邊界條件，對模型內的所有單元應用失效準則進行判斷，得出薄壁大曲率塑件在不同熱歷史情況下的沖擊行為。由于建立了一條屈服應力主曲線，構造出了在退火過程中屈服應力的對數演化方程，從加工條件的角度出發，整個注塑成型過程中簡潔明了地計算出屈服應力，分析了PC產品的沖擊行為，優化得到最適合使用的薄壁大曲率聚碳酸酯塑件；從建模到計算的整個過程簡潔高效，實用性強。

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作詳細說明。

附圖說明

圖1是本發明方法中不同模具溫度下PC材料塑件的熱歷史曲線。

圖2是本發明方法中隨著模具溫度升高，實驗結果與模擬結果對比的屈服應力結果圖。

圖3是本發明方法中在不同模具溫度下，沖擊落錘在沖擊過程中的動能變化曲線。

具體實施方式

參照圖1-3。本發明注塑成型工藝對薄壁大曲率聚碳酸酯塑件沖擊行為影響的分析方法具體步驟如下：

下面針對模具溫度為40℃、60℃、80℃、120℃、130℃的薄壁PC材料塑件，計算不同模具溫度下薄壁PC材料的屈服應力并將此屈服應力施加在薄壁模型上進行沖擊分析，并將所得到的結果與真實試驗結果進行對比驗證。

步驟1：通過模具溫度為40℃、60℃、80℃、120℃、130℃的薄壁PC材料的注塑過程仿真模擬，得出不同模具溫度的熱歷史。

步驟2：根據熱歷史數據，用公式

計算屈服應力-退火時間主曲線轉換因子。式中，ΔU_a為實驗參數，205kj/mol；R為通用氣體常數；T為任意退火過程的熱歷史；T_ref為參考溫度。

步驟3：根據主曲線轉換因子，用公式

計算注塑成型冷卻過程中每一個模具溫度下塑件的累積等效時間。

步驟4：注塑成型從玻璃態溫度T_g冷卻至模具溫度直至成型結束的這一過程看做等效退火過程，用下式約束冷卻過程中的PC材料：

T＞T_g：

T≤T_g：

式中，T_g為PC的玻璃態轉變溫度；T_c(t)為注射過程中材料的熱歷史。

步驟5：假設在整個注塑成型過程中，屈服應力的物理演化過程與退火過程中屈服應力的演化過程是相同的，研究中進行了一系列的實驗探討在退火過程中屈服應力的演化，用下式

σ_y(t)＝σ_y，0+c·log(t_eff+t_a) (5)

計算薄壁大曲率聚碳酸酯塑件的屈服應力。式中，σ_y，0，c，t_a為試驗擬合參數。

步驟6：將屈服應力的材料屬性附加給薄壁大曲率聚碳酸酯塑件模型并對模型內的所有單元應用最大應變強度準則依次判斷，如果某單元的應變超過規定的某一個固定值ε，則認為該單元已經損傷失效。全部單元分析判斷完畢后，則沖擊分析結束。此方法能夠分析薄壁大曲率塑件在不同熱歷史情況下的沖擊行為。圖3是在不同模具溫度下，沖擊落錘在沖擊過程中的動能變化。與實驗結果趨勢相同，可以看出采用本發明檢測得到的結果與實驗測量結果吻合較好。