【干貨分享】Moldflow應(yīng)用常見(jiàn)翹曲問(wèn)題系列之五

2016-11-14 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

Moldflow應(yīng)用常見(jiàn)問(wèn)題解答,我們將整理定期與用戶分享。您可以通過(guò)長(zhǎng)按二維碼掃描關(guān)注即可。

系列五:

◆ 翹曲形成的原因

◆ 翹曲分析類(lèi)型

◆ 初始條件分析

◆ 初始條件和三種分析類(lèi)型

◆ 初始條件的影響

翹曲的形成原因

可導(dǎo)致零件變形的因素有若干種。

考慮造成翹曲的原因時(shí),很便于識(shí)別由于以下問(wèn)題產(chǎn)生的收縮:

區(qū)域與區(qū)域的收縮率變化(收縮不均)
模具的一側(cè)與另一側(cè)的溫度不同(冷卻不均)
材料取向方向的平行方向與垂直方向上的收縮量變化(取向效應(yīng))
上述每種收縮類(lèi)型都會(huì)推動(dòng)總翹曲的產(chǎn)生

收縮不均

此類(lèi)收縮通常是晶體成分和體積收縮率發(fā)生變化引起的。下圖顯示了連接到厚頂部的薄加強(qiáng)筋。通常,頂部的冷卻速率低于較薄部位的冷卻速率。頂部的晶體成分將增加,因此收縮程度將更大,從而導(dǎo)致所示的翹曲。

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下面的圖 (a) 顯示了由于澆口周?chē)湛s率高導(dǎo)致中央澆注圓盤(pán)產(chǎn)生鞍形翹曲。反之,如果圓盤(pán)外層周?chē)湛s率更高,則最終的翹曲可能導(dǎo)致圓盤(pán)凸起,如 (b) 中所示。

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冷卻不均

溫差引起的收縮通常會(huì)導(dǎo)致零部件彎曲,如下圖所示。此類(lèi)收縮通常是由于冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不佳所致。

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零件在模具中時(shí),模具一側(cè)與另一側(cè)的溫差會(huì)導(dǎo)致整個(gè)零部件厚度內(nèi)的收縮率發(fā)生變化。除此之外,當(dāng)零件兩側(cè)冷卻到室溫時(shí),頂出時(shí)的任何溫差都將導(dǎo)致更大的翹曲。

取向效應(yīng)

取向?qū)е虏牧先∠蚍较虻钠叫蟹较蚺c垂直方向上的收縮量變化。該類(lèi)型收縮產(chǎn)生的翹曲與收縮不均產(chǎn)生的翹曲相似。下面的圖 (a) 顯示了平行收縮大于垂直收縮時(shí)發(fā)生的翹曲。另一方面,如果垂直收縮高于平行收縮,則將產(chǎn)生凸起,請(qǐng)參閱 (b)。

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翹曲分析類(lèi)型

可從“工藝設(shè)置向?qū)А敝羞x擇以下幾種翹曲分析類(lèi)型。

挫曲

確定零件的翹曲是否穩(wěn)定。

如果挫曲分析表明翹曲是穩(wěn)定的(臨界載荷因子 > 1),則由挫曲分析獲得的變形結(jié)果能夠很好地表示零件變形后的最終形狀。

如果挫曲分析表明翹曲是不穩(wěn)定的(臨界載荷因子 < 1),則需要運(yùn)行大變形分析來(lái)確定零件變形后的最終形狀。

此分析在中性面網(wǎng)格模型上執(zhí)行。

小變形

如果預(yù)計(jì)零件的翹曲是穩(wěn)定的,則選擇這種分析類(lèi)型。假定零件內(nèi)存在線性應(yīng)力-應(yīng)變行為時(shí),小變形分析可提供零件變形后的最終形狀。

此分析可在中性面、雙層面和 3D 網(wǎng)格模型上執(zhí)行。

大變形

如果預(yù)計(jì)零件的翹曲是不穩(wěn)定的(由先前的自動(dòng)或挫曲分析確定),或者零件的翹曲是邊界穩(wěn)定/不穩(wěn)定的和/或希望最精確地預(yù)測(cè)零件形狀,請(qǐng)選擇這種分析類(lèi)型?？紤]零件內(nèi)的非線性應(yīng)力-應(yīng)變行為時(shí),大變形分析可提供零件變形后的最終形狀。

可在中性面和 3D 網(wǎng)格模型上執(zhí)行此分析。

自動(dòng)

如果希望求解器確定翹曲是否穩(wěn)定,請(qǐng)選擇此選項(xiàng)。如果確定翹曲不穩(wěn)定并且您使用的是中性面網(wǎng)格,此選項(xiàng)將自動(dòng)運(yùn)行額外的大變形分析來(lái)確定真正的零件變形后的最終形狀。根據(jù)您的網(wǎng)格類(lèi)型,自動(dòng)分析會(huì)首先運(yùn)行挫曲分析。如果特征值小于 1.5,則運(yùn)行大變形分析,否則執(zhí)行小變形分析。

初始條件分析

此應(yīng)力分析建立在通過(guò)翹曲分析確定的變形零件基礎(chǔ)上。

我們將其稱(chēng)為“初始條件分析”。此分析使用通過(guò)翹曲分析確定的變形和收縮應(yīng)變作為應(yīng)力分析的起點(diǎn)。

初始條件分析可用于前面部分介紹的三種分析類(lèi)型中的任意一種。在本部分中,我們首先介紹如何將翹曲結(jié)果轉(zhuǎn)換到應(yīng)力分析,然后探討初始條件分析如何與主要的分析類(lèi)型一起使用。

這些分析類(lèi)型包括:小變形分析、挫曲分析、大變形分析和模型頻率分析。

如果規(guī)定:

G= 模型幾何

U= 位移 U0= 初始位移

e= 應(yīng)變 e0= 初始應(yīng)變

s= 應(yīng)力 s0= 初始應(yīng)力

那么,我們可以將翹曲分析的輸入與初始條件應(yīng)力分析的輸入進(jìn)行如下比較。

翹曲分析

G = G(mold)

U0 = 0

e0 = e(shrinkage)

s0 = 0

初始條件應(yīng)力分析

G = G(mold)

U0 = U(warpage result)

e0 = e(shrinkage)

s0 = 0

上述比較中需關(guān)鍵注意的是不使用初始應(yīng)力實(shí)現(xiàn)“翹曲中的殘余應(yīng)力”。而是通過(guò)U0和e0執(zhí)行。在應(yīng)力分析的第一步中,FENAS 會(huì)有效地重復(fù)翹曲分析最后一步中執(zhí)行的應(yīng)力計(jì)算。此過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生費(fèi)用,因?yàn)閼?yīng)力始終在大變形分析開(kāi)始時(shí)計(jì)算。

另一種(簡(jiǎn)化)方法是將翹曲形狀

G=G(mold+U(warpage result)) 和初始應(yīng)力 s0= S(warpage result) 轉(zhuǎn)換到初始條件應(yīng)力分析。

使用上述方法可以達(dá)到相同的效果,而且具有以下優(yōu)勢(shì):

在這兩個(gè)分析中采用一致的應(yīng)變定義(應(yīng)變=變形/長(zhǎng)度),因?yàn)閹缀螖?shù)據(jù) ( ) 無(wú)變化。為了說(shuō)明這一點(diǎn),未對(duì)翹曲零件施加載荷。所采用的方法沒(méi)有預(yù)測(cè)到響應(yīng),即沒(méi)有移動(dòng)。此結(jié)果與使用初始應(yīng)力方法時(shí)有所不同,因?yàn)楹笳咧械膽?yīng)變定義會(huì)發(fā)生變化,即通過(guò)“人為重新分布”應(yīng)力來(lái)應(yīng)對(duì)定義的變化。
通過(guò)減小應(yīng)力分析中的彈性模量,可以方便地按比例減小翹曲分析中的殘余應(yīng)力?？梢允褂脩?yīng)力分析中減小的彈性模量粗略模擬翹曲中殘余應(yīng)力減小的效果,并允許在載荷作用下緩慢移動(dòng)(可使用“有效的線性模量”)。

例如,如果對(duì)翹曲采用 E1=1600,E2=1200 MPa;對(duì)外部載荷采用 E1=800,E2=600 MPa;則外部載荷分析第一步開(kāi)始時(shí)計(jì)算得到的應(yīng)力為翹曲分析結(jié)束時(shí)殘余應(yīng)力輸出的一半。因此可將“減小的殘余應(yīng)力”轉(zhuǎn)換到外部載荷分析中。使用初始應(yīng)力方法則無(wú)法輕松實(shí)現(xiàn)此點(diǎn)。

后處理得到簡(jiǎn)化,因?yàn)闊o(wú)需通過(guò)將初始應(yīng)力添加到結(jié)構(gòu)或翹曲分析的應(yīng)力來(lái)生成最終應(yīng)力。

初始條件和三種分析類(lèi)型

挫曲分析

運(yùn)行挫曲分析時(shí),將執(zhí)行兩個(gè)分析;首先執(zhí)行小變形分析,然后執(zhí)行挫曲分析。

通常采用線性(經(jīng)典)挫曲方法。初始小變形分析用于確定 100% 載荷下的零件配置。然后,挫曲分析使用 0 載荷和 100% 載荷下的已知配置。對(duì)結(jié)果執(zhí)行后處理時(shí),可以檢查 100% 載荷下的偏移形狀,以及通過(guò)挫曲分析確定的模式形狀。

但對(duì)于具有初始條件的挫曲分析,經(jīng)典線性挫曲理論則不能用于該問(wèn)題,因?yàn)槭┘虞d荷前應(yīng)力不為零。因此必須使用“線性化挫曲”方法。在此方法中,初始小變形分析用于確定極小百分比載荷下的零件配置。然后,線性化挫曲分析使用 0% 載荷下和此小百分比載荷步結(jié)束時(shí)的已知配置。

注意: 也就是說(shuō),對(duì)初始條件挫曲分析結(jié)果進(jìn)行后處理時(shí),100% 載荷下的偏移形狀不可用。只能顯示模式形狀。

如果需要線性結(jié)果,需要運(yùn)行小變形分析和挫曲分析。

由于通過(guò)挫曲分析確定的模式形狀是一個(gè)增量模式形狀(挫曲點(diǎn)的配置變化),因此必須將其與翹曲形狀疊加(經(jīng)過(guò)適當(dāng)縮放后)。

大變形分析

注意: 應(yīng)只對(duì)大變形翹曲結(jié)果執(zhí)行大變形初始條件應(yīng)力分析。

僅當(dāng)已知翹曲響應(yīng)的線性度非常高(即挫曲分析的特征值非常高)時(shí),才能使用大變形翹曲分析結(jié)果。

模型頻率分析

模型頻率分析也可以使用翹曲分析的初始條件。在此采用與初始條件挫曲分析類(lèi)似的注釋

包括初始條件的影響

翹曲中的應(yīng)力可對(duì)載荷作用下的零件造成穩(wěn)定或失穩(wěn)影響。例如,如果殘余應(yīng)力造成細(xì)長(zhǎng)曲面壓縮,則會(huì)有效增加由壓縮載荷引起的應(yīng)力。在此情況下,不包括初始條件的分析將過(guò)度預(yù)測(cè)破壞載荷。或者,如果翹曲應(yīng)力造成伸張,壓縮載荷可能抵消殘余應(yīng)力,因此不包括初始條件的分析將過(guò)于保守地預(yù)測(cè)破壞載荷。

應(yīng)力結(jié)果能否用作初始條件?

已使用規(guī)定位移應(yīng)力分析將翹曲零件強(qiáng)制成形。此外希望獲取該零件對(duì)其他外部載荷的響應(yīng)。

已向零件施加外部載荷。此外希望獲取該零件對(duì)熱載荷的響應(yīng)。

但基于以下原因,不能在此版本中將結(jié)構(gòu)結(jié)果用作其他應(yīng)力分析的初始條件。

翹曲分析結(jié)果可以用作應(yīng)力分析的初始條件,因?yàn)槁N曲分析的約束反作用接近于零。對(duì)于外部載荷的應(yīng)力分析,其中的約束反作用并非全部為零,必須將這些反作用傳遞到第二個(gè)分析中。如果不傳遞這些反作用,可能違背平衡要求,尤其是移動(dòng)約束時(shí)。

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