【干货分享】Moldflow应用常见翘曲问题系列之五

2016-11-14 by:CAE仿真在线来源:互联网

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系列五:

◆ 翘曲形成的原因

◆ 翘曲分析类型

◆ 初始条件分析

◆ 初始条件和三种分析类型

◆ 初始条件的影响

翘曲的形成原因

可导致零件变形的因素有若干种。

考虑造成翘曲的原因时,很便于识别由于以下问题产生的收缩:

区域与区域的收缩率变化(收缩不均)
模具的一侧与另一侧的温度不同(冷却不均)
材料取向方向的平行方向与垂直方向上的收缩量变化(取向效应)
上述每种收缩类型都会推动总翘曲的产生

收缩不均

此类收缩通常是晶体成分和体积收缩率发生变化引起的。下图显示了连接到厚顶部的薄加强筋。通常,顶部的冷却速率低于较薄部位的冷却速率。顶部的晶体成分将增加,因此收缩程度将更大,从而导致所示的翘曲。

下面的图 (a) 显示了由于浇口周围收缩率高导致中央浇注圆盘产生鞍形翘曲。反之,如果圆盘外层周围收缩率更高,则最终的翘曲可能导致圆盘凸起,如 (b) 中所示。

冷却不均

温差引起的收缩通常会导致零部件弯曲,如下图所示。此类收缩通常是由于冷却系统设计不佳所致。

零件在模具中时,模具一侧与另一侧的温差会导致整个零部件厚度内的收缩率发生变化。除此之外,当零件两侧冷却到室温时,顶出时的任何温差都将导致更大的翘曲。

取向效应

取向导致材料取向方向的平行方向与垂直方向上的收缩量变化。该类型收缩产生的翘曲与收缩不均产生的翘曲相似。下面的图 (a) 显示了平行收缩大于垂直收缩时发生的翘曲。另一方面,如果垂直收缩高于平行收缩,则将产生凸起,请参阅 (b)。

【干货分享】Moldflow应用常见翘曲问题系列之五moldflow分析案例图片4

翘曲分析类型

可从“工艺设置向导”中选择以下几种翘曲分析类型。

挫曲

确定零件的翘曲是否稳定。

如果挫曲分析表明翘曲是稳定的(临界载荷因子 > 1),则由挫曲分析获得的变形结果能够很好地表示零件变形后的最终形状。

如果挫曲分析表明翘曲是不稳定的(临界载荷因子 < 1),则需要运行大变形分析来确定零件变形后的最终形状。

此分析在中性面网格模型上执行。

小变形

如果预计零件的翘曲是稳定的,则选择这种分析类型。假定零件内存在线性应力-应变行为时,小变形分析可提供零件变形后的最终形状。

此分析可在中性面、双层面和 3D 网格模型上执行。

大变形

如果预计零件的翘曲是不稳定的(由先前的自动或挫曲分析确定),或者零件的翘曲是边界稳定/不稳定的和/或希望最精确地预测零件形状,请选择这种分析类型。考虑零件内的非线性应力-应变行为时,大变形分析可提供零件变形后的最终形状。

可在中性面和 3D 网格模型上执行此分析。

自动

如果希望求解器确定翘曲是否稳定,请选择此选项。如果确定翘曲不稳定并且您使用的是中性面网格,此选项将自动运行额外的大变形分析来确定真正的零件变形后的最终形状。根据您的网格类型,自动分析会首先运行挫曲分析。如果特征值小于 1.5,则运行大变形分析,否则执行小变形分析。

初始条件分析

此应力分析建立在通过翘曲分析确定的变形零件基础上。

我们将其称为“初始条件分析”。此分析使用通过翘曲分析确定的变形和收缩应变作为应力分析的起点。

初始条件分析可用于前面部分介绍的三种分析类型中的任意一种。在本部分中,我们首先介绍如何将翘曲结果转换到应力分析,然后探讨初始条件分析如何与主要的分析类型一起使用。

这些分析类型包括:小变形分析、挫曲分析、大变形分析和模型频率分析。

如果规定:

G= 模型几何

U= 位移 U0= 初始位移

e= 应变 e0= 初始应变

s= 应力 s0= 初始应力

那么,我们可以将翘曲分析的输入与初始条件应力分析的输入进行如下比较。

翘曲分析

G = G(mold)

U0 = 0

e0 = e(shrinkage)

s0 = 0

初始条件应力分析

G = G(mold)

U0 = U(warpage result)

e0 = e(shrinkage)

s0 = 0

上述比较中需关键注意的是不使用初始应力实现“翘曲中的残余应力”。而是通过U0和e0执行。在应力分析的第一步中,FENAS 会有效地重复翘曲分析最后一步中执行的应力计算。此过程不会产生费用,因为应力始终在大变形分析开始时计算。

另一种(简化)方法是将翘曲形状

G=G(mold+U(warpage result)) 和初始应力 s0= S(warpage result) 转换到初始条件应力分析。

使用上述方法可以达到相同的效果,而且具有以下优势:

在这两个分析中采用一致的应变定义(应变=变形/长度),因为几何数据 ( ) 无变化。为了说明这一点,未对翘曲零件施加载荷。所采用的方法没有预测到响应,即没有移动。此结果与使用初始应力方法时有所不同,因为后者中的应变定义会发生变化,即通过“人为重新分布”应力来应对定义的变化。
通过减小应力分析中的弹性模量,可以方便地按比例减小翘曲分析中的残余应力。可以使用应力分析中减小的弹性模量粗略模拟翘曲中残余应力减小的效果,并允许在载荷作用下缓慢移动(可使用“有效的线性模量”)。

例如,如果对翘曲采用 E1=1600,E2=1200 MPa;对外部载荷采用 E1=800,E2=600 MPa;则外部载荷分析第一步开始时计算得到的应力为翘曲分析结束时残余应力输出的一半。因此可将“减小的残余应力”转换到外部载荷分析中。使用初始应力方法则无法轻松实现此点。

后处理得到简化,因为无需通过将初始应力添加到结构或翘曲分析的应力来生成最终应力。

初始条件和三种分析类型

挫曲分析

运行挫曲分析时,将执行两个分析;首先执行小变形分析,然后执行挫曲分析。

通常采用线性(经典)挫曲方法。初始小变形分析用于确定 100% 载荷下的零件配置。然后,挫曲分析使用 0 载荷和 100% 载荷下的已知配置。对结果执行后处理时,可以检查 100% 载荷下的偏移形状,以及通过挫曲分析确定的模式形状。

但对于具有初始条件的挫曲分析,经典线性挫曲理论则不能用于该问题,因为施加载荷前应力不为零。因此必须使用“线性化挫曲”方法。在此方法中,初始小变形分析用于确定极小百分比载荷下的零件配置。然后,线性化挫曲分析使用 0% 载荷下和此小百分比载荷步结束时的已知配置。

注意: 也就是说,对初始条件挫曲分析结果进行后处理时,100% 载荷下的偏移形状不可用。只能显示模式形状。

如果需要线性结果,需要运行小变形分析和挫曲分析。

由于通过挫曲分析确定的模式形状是一个增量模式形状(挫曲点的配置变化),因此必须将其与翘曲形状叠加(经过适当缩放后)。

大变形分析

注意: 应只对大变形翘曲结果执行大变形初始条件应力分析。