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一般的機構人員在設計產品強度時,多半採用固定的楊氏係數與蒲松比,再根據分析之後的結果取一定的安全係數,進行結構設計的修改。這樣的作法雖然是正確的,但是在實際設計完產品後,結構強度往往與之前估算的不盡相同。最大的原因,在於塑件在成型過程中的殘留應力,無法在作結構分析時進行假設,使得結構設計人員往往要以較大的安全係數來保證產品的強度;而結構越複雜的產品,不但模具製作費用會隨之增加,成型的穩定性也不易控制。

圖 1 、一般模擬與真實變形的差異

在圖 1 中,上方為一般進行模擬的路徑。在輸入材料特性時僅輸入楊氏係數與蒲松比,產品的每一個角落其受力後變形均相同;但是在真實的成型塑件,產品在射出成型後各區域的材料特性會隨著成型條件的修改而不同,因此在一開始的假設就不一樣;也正式因為如此,往往花費大量時間完成的結構分析結果與真實的變形結果並不相同。
本文擬以一結構件為例,說明在不同的成型條件下,其受力後之變形差異;也藉著這個例子,說明在進行結構分析時,若能先取得塑件成形對產品造成之內應力影響,在執行結構分析時才能得到更精確的結果。由於分析資訊必須從模流分析傳遞至結構分析,因此兩者之網格必須能夠相同。 3D TIMON 塑膠模流分析軟體之充填 / 保壓 / 變形分析能夠完全支援 3D 網格,因此在網格轉換上沒有任何問題。本案例中將以 3D Tetra Element ( 4-Node )作為分析網格類型。

圖 2 、 3D TIMON 塑膠模流分析軟體操作介面

圖 2 為本次要執行的分析案例。為了得知成型條件對結構分析的影響,在成型時分別採用一點進澆以及兩點進澆。圖 3 與圖 4 分別是兩種不同進澆形式的流動波前動畫圖。

圖 3 、一點進澆之充填模式


圖 4 、兩點進澆之充填模式

由於兩者的進澆方式不同,因此其冷卻過程中產品的各個區域之體積收縮率也會隨之不同。圖 5 為一點進澆時,分別在成型時間第 3/5/10 /20 秒之塑料黏度變化。

圖 5 、一點進澆之黏度分佈( 3/5/10 /20 秒)

圖 6 則是兩點進澆之黏度分佈(成型時間第 3/5/10 /20 秒)。從兩張圖中,可以很清楚的看出兩者之差異。也因為進澆方式不同,因此在成型後之內應力也會隨之不同。

圖 6 、兩點進澆之黏度分佈( 3/5/10 /20 秒)

3D TIMON 塑膠模流分析軟體支援結構分析軟體的資料轉出,如圖 7 。

圖 7 、 3D TIMON 塑膠模流分析軟體與結構分析軟體之轉換介面


圖 7 、 3D TIMON 塑膠模流分析軟體與結構分析軟體之轉換介面

為了瞭解在不同的成型條件下之變形結果(包含變形量以及內應力),因此在本案例中選擇轉出 Warp analysis file ,再以 UG FEMAP V9.1 + NX Nastran 3.0 執行結構分析。

圖 8 為單點進澆在結構分析執行後之應力分佈( Solid Von-Mises Stress )圖。而圖 9 則是兩點進澆在結構分析執行後之應力分佈( Solid Von-Mises Stress )圖。

圖 8 、單點進澆之應力分佈( Solid Von-Mises Stress )


圖 9 兩點進澆之應力分佈( Solid Von-Mises Stress )

為了得知在不同的成型條件下,施加相同的負載時其結果會不會有所差異,因此直接以轉出之分析檔加上負載與拘束。

圖 10 、分析一之負載與拘束示意圖

圖 10 為定義的 Constraint (拘束)及 Load (負載)示意圖。圖 11 及圖 12 為產品在採用一點進澆後,受到施力後之變形量大小及應力分佈( Solid Von-Mises Stress )圖。

圖 11 、單點進澆製品受到施力後之變形分佈( Max 3.48 mm


圖 12 、單點進澆製品受到施力後之應力分佈

圖 13 為兩點進澆製品在受到施力後之變形量分佈,圖 14 則是兩點進澆製品在受到施力後之應力分佈。從變形量結果中,可以很明顯的得知在不同的進澆方式選擇下,其受力變形量會隨之不同。

圖 13 、兩點進澆製品受到施力後之變形分佈( Max 3.88 mm


圖 14 、兩點進澆製品受到施力後之應力分佈

從本案例中可以得知,即使是取得成型條件轉入內應力,在不同的成型條件下,其變形量以及所承受之應力分佈都會不同,更何況是採用固定材料數值做出的分析。

模流分析軟體與結構分析軟體之轉換應用必須經過時間的考驗。 3D TIMON 塑膠模流分析軟體早在 1996 年便推出 3D 模流分析模組,是世界上第一套商用版的三維模流分析。因此在與 3D 結構分析的搭配上,已經在日本各大公司的測試應用上通過了多年的考驗。

在現今開發週期不斷縮短的壓力下,如何在初步設計階段便將後續相關可能影響強度甚至是量產的問題加以解決,就成了交貨期縮短的重要關鍵。利用 3D TIMON 塑膠模流分析軟體搭配結構分析軟體,能夠讓傳統的結構分析人員將成型端的問題加以考慮,也讓後製程之模具及成型人員能夠將成型時可能的影響讓結構分析人員瞭解,進而優化塑膠產品的結構設計,這對於公司內部的設計強化以及資訊交流非常有幫助,也能協助累積設計人員的經驗,做出更好的產品設計。

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