短玻纖增強復(fù)合材料RHCM注塑件纖維取向的數(shù)值模擬

1、短玻纖增強復(fù)合材料 RHCM注塑件纖維取向的數(shù)值模 擬引言 將動態(tài)模溫控制方法應(yīng)用到注塑成型中形成的快速熱循環(huán) 注塑技術(shù)（ RHCM）1 ，2 ，能夠在熔體注射前快速加熱模具，使 模具型腔保持在較高的溫度， 然后型腔中注射塑料熔體。 料流分 析軟件 MoldFlow 中的 MPI/Fiber 模塊是專門用于纖維增強復(fù)合 材料注塑成型過程的模擬分析。它是在 MPI/Flow 即常規(guī)流動分 析的基礎(chǔ)上， 進一步預(yù)測復(fù)合材料熔體和制件中纖維的取向。 目 前對RHCM注塑成型得到的纖維增強制品內(nèi)部纖維取向方面的研 究較少 3 ，4 。為此，本文利用該模塊在計算機上模擬分析整個 注塑過程，預(yù)測熔體在模具

2、內(nèi)部的充填、 流動、保壓和冷卻情況， 對模具或制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計起到指導作用。1. 注塑成型有限元建模本文選取的模型是根據(jù)快速熱循環(huán)注塑工藝要求和 ASTM試 驗標準，設(shè)計的包含有標準沖擊、彎曲和沖擊的試樣，同時將每 種模型設(shè)計成單澆口和雙澆口注塑成型兩組，在三維造型軟件 UG中造型，得到模具型腔、澆注系統(tǒng)及試樣結(jié)構(gòu)。通過接口程 序 Moldflow Design Link，簡稱 MDL 將 CAD模型讀入 Moldflow， 在 Moldflow 中進行網(wǎng)格劃分及修復(fù)，修復(fù)之后網(wǎng)格劃分模型及 澆注系統(tǒng)分別如圖 1 和圖 2 所示。2. 工藝條件的設(shè)定在Moldflow中設(shè)定材料為短玻纖維增強 A

3、BS纖維含量為 20%選定注塑機中注塑機最大注射速率為5000cm3/s，模具溫度分別設(shè)置為60C, 120C, 160C三個其它成型工藝參數(shù)設(shè)定 實際快速熱循環(huán)注射成型時的數(shù)值，列其具體情況如表 1 。3. 注塑過程的模擬實驗及結(jié)果分析 為研究快速熱循環(huán)技術(shù)下可控的模具型腔表面溫度對制品內(nèi)部纖維取向的影響，在Moldflow中分別設(shè)定模具溫度為 60C、 120C、160C，進行充填模擬。對三種模具溫度下的單澆口標準 彎曲試樣模型，在試樣長度方向的中間截面沿厚度方向平均取 12個測試點，對各個點處纖維取向張量進行記錄，得到圖 3沿 單澆口標準彎曲試樣厚度方向的纖維取向張量路徑圖。從圖 3 可

4、以看出， 在不同模具溫度下， 沿試樣厚度方向的纖 維取向呈明顯的層狀分布。 在靠近型腔壁面， 有一個取向程度較 低的很薄的層， 即表?印？拷?表層的一定厚度范圍內(nèi)， 纖維出現(xiàn) 較高程度的取向，而在中心部位，纖維取向程度較低。纖維取向 出現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)的原因表現(xiàn)在： 由于型腔壁面溫度低于復(fù)合材料熔 體的溫度， 當高溫熔體流入模具時， 與型腔壁面接觸的一部分熔 體溫度下降，流動性能降低，該部分熔體凝結(jié)后，內(nèi)部纖維縱橫 交錯，基本沒有規(guī)則，形成一個纖維取向程度較低的薄殼層；之 后，在薄殼層內(nèi)部流動的熔體會受到薄殼層的剪切作用， 復(fù)合材 料熔體內(nèi)部的短玻纖維在剪切力的作用下會沿著流動方向取向， 形成一個較厚的高度取向?qū)樱?在熔體中心部位受到的剪切作用較 小，而會受到注射壓力等拉伸作用， 因此中心部位熔體中纖維易 沿拉伸方向取向，但是取向程度較輕。由以上分析可知，短玻纖 維增強復(fù)合材料注射成型件在試樣厚度方向上形成表層 - 剪切層 - 中心層 - 剪切層 - 表層的分層結(jié)構(gòu)。4. 結(jié)論本文利用 Moldflow 料流分析軟件對不同模具溫度下的纖維 增強復(fù)合材料快速熱循環(huán)注塑成型的充模過程進行了模擬研究， 得到了其纖維取向分布規(guī)律，提出了試樣在厚度方向上的表層 - 剪切層 -中心層 -剪切層 -表層的纖維取向分層結(jié)構(gòu)，隨著模具溫 度的變化，成