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在設計塑膠產品結構強度設計時,設計人員往往根據單一之材料強度來估算產品在受到外力時之變形量。然而,塑膠產品在成型過程中,會因為成型條件及模具冷卻條件等參數而產生成型之內應力,但是這部分的資訊並無法轉入結構分析軟體內,使得設計人員在進行強度設計時僅能根據簡單的強度資訊進行設計,如果運氣不好,設計出的製品可能強度不足;也可能因為取過高的安全係數,浪費了多餘的材料或者是讓原本簡單的結構變的複雜,使得產品開模的成本隨之增高。長久以來,設計工程師希望模流分析軟體的分析結果能夠轉入結構分析軟體內,加強在分析能夠考慮的資訊。但是受限於軟體功能,或者是在技術開發上的限制,這部分的應用一直無法讓業界順利的使用。

日本 Toray Engineering 所開發的 3D TIMON 塑膠模流分析軟體,自從 1996 年發表真實三維充填 / 保壓 / 翹曲變形模組後,便開始進行與結構分析軟體之搭配應用功能開發;在日本已經經過許多廠商測試並且得到非常良好的結果。在 2005 年 3D TIMON 塑膠模流分析軟體由泓崴科技引入台灣後,台灣的設計人員終於可以在 FEA 分析時將塑膠成型端一併考慮進去,得到較合理的結果。以下將以一個盒狀物,說明如何利用 3D TIMON 塑膠模流分析軟體的結構分析轉換器功能進行與結構分析軟體的搭配模擬。

圖 1 、測試產品之公母模側圖面

圖 1 為塑膠產品的外觀,利用 3D TIMON 塑膠模流分析軟體先建立網格。 3D TIMON 塑膠模流分析軟體 支援多種實體網格格式(包含 Tetra 、 Hexa 、 Voxal 、 Wedge… 等)。除了上述這幾種網格的混合網格圖檔外,亦接受其中任一種單獨之網格格式組成之網格圖檔。

圖 2 為 3D TIMON 塑膠模流分析軟體讀入產品 STL 圖檔後以內建之網格產生器產生之網格圖檔。

圖 2 、以3D TIMON 塑膠模流分析軟體產生之網格圖檔(圖檔格式: Voxal Element )

在完成網格生成後,可以按照一般的標準程序執行充填及保壓分析。圖 3 為該產品之充填動畫,圖 4 為該產品在充填結束瞬間以剖面方式顯示產品各部分之溫度分佈。

圖 3 、充填動畫


圖 4 、充填結束瞬間之表面溫度與截面溫度分佈

圖 5 則是在不同的保壓秒數其黏度變化。由於產品在充填 / 保壓過程中會隨著成型條件的差異(包括澆口位置)使得產品每個區域的比容(密度的倒數)變化值隨之差異,因此產品的強度並不是均一的,而是會隨著成型條件的變化而改變。

圖 5 、保壓過程中之黏度變化

在完成充填及保壓分析後,便可以根據實際需求,以 3D TIMON 塑膠模流分析軟體之結構轉換器功能將所需之資訊轉出至結構分析軟體。
3D TIMON 塑膠模流分析軟體轉出之檔案有三種,如圖 6 所示,分別是:
•  Warp Analysis File
•  File for Structural Analysis of pre-deformation model
•  File for Structural Analysis of post-deformation model

圖 6 、 3D TIMON 塑膠模流分析軟體之結構轉換器功能簡介

為了方便使用者應用,3D TIMON 塑膠模流分析軟體轉出之網格分析檔支援目前市面上常見之三種結構分析軟體,分別是 ABAQUS 、 ANSYS 以及 NASTRAN 。以下先以 Warp analysis file 為例。轉出的分析檔包含下面資訊:
•  Mesh :網格(在 3D TIMON 塑膠模流分析軟體內的網格格式會直接轉出)
•  Material :材料(成型過程中材料會因為成型條件而造成不等向性,相關的資訊會一併轉出)
•  Load :負載(將模穴表面溫度轉出)
•  Constraint :固定(固定點,可在 3D TIMON 內或者是在轉入結構分析軟體後再指定)。
三種分析檔的應用場合不完全相同,使用者可以根據自行之需求轉出所需之分析檔,再搭配結構分析軟體進行模擬。

圖 7 、 3D TIMON 塑膠模流分析軟體與結構分析軟體之搭配

圖 8 為利用 UGS 之 FEMAP 讀入 NASTRAN 之分析檔( *.NAS )之畫面。

圖 8 、 FEMAP 讀入 NASTRAN 之圖檔

圖 9 為 FEMAP 內讀取 3D TIMON 塑膠模流分析軟體轉出之材料檔畫面。

圖 9 、 Elastic Matrix

在 FEMAP 讀入分析檔後,可以直接在 FEMAP 內執行 NASTRAN ,取得產品在翹曲變形後之結果(圖 10 、變形量預測)。除了變形量預測外,使用者還可以取得相關之內應力結果。例如圖 11 、圖 12 ,及圖 13 分別是最大主應力、最大剪應力,以及 Von Mises 應力分佈。

圖 10 、變形量預測結果


圖 11 、最大主應力分佈 Max Prin. Stress


圖 12 、最大剪應力分佈 Max. Shear Stress


圖 13 、 Von Mises 應力分佈 Von Mises Stress

由於成型後所有的內應力資訊都在分析檔內,因此使用者可以以這個分析檔再進行其他分析(例如落下測試模擬、高低溫差模擬 … 等)。由於結構分析軟體還可以加上非線性之邊界條件,因此在分析上遠比傳統採用固定彈性係數之模擬結果更為精確。
使用者也可以採用另外兩個分析檔執行結構分析(另外兩個分析檔是在 3D TIMON 塑膠模流分析軟體內執行充填 / 保壓 / 翹曲變形後,再轉出相關資訊)。
圖 14 為採用 Tetra Element 之分析檔( PDA 外殼)。 3D TIMON 塑膠模流分析軟體在轉出分析檔時會自動採用最適當之網格類別。

圖 14 、採用 Tetra Element 之 PDA 外殼分析檔

由於 3D TIMON 塑膠模流分析軟體支援完整的結構分析轉換器,因此使用者在以 FEA 軟體作分析時可以考慮的更加周全,對於機構設計人員而言是個非常實用而且有效的工具。

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