注塑成型工艺对薄壁大曲率聚碳酸酯塑件冲击行为影响的分析方法与流程

本发明涉及一种聚碳酸酯复合材料冲击行为影响的分析方法，特别涉及一种注塑成型工艺对薄壁大曲率聚碳酸酯塑件冲击行为影响的分析方法。

背景技术：

热塑性聚合物聚碳酸酯(Polycarbonate，简称PC)的透明性、高延展性、耐冲击性等优异性能，使其成为航空航天领域不可替代的新型结构材料之一，广泛应用于航空、航天不同构型的聚碳酸酯部件及宇航员的防护用品等。PC的耐冲击性，对于测量悬臂梁冲击试验，是热塑性材料中最好的。因此，使其适用于冲击应用包括飞机座舱罩、防护面罩、护目镜、挡风玻璃、车窗等。注塑成型是用于制造热塑性聚合物产品最广泛使用的方法。在整个过程中，熔融的聚合物被注入模腔中，之后在高填充压力下冷却，注塑成型聚合物机械性能的影响因素通常为加工过程的热历史。

文献“Processing-induced properties in glassy polymers:development of the yield stress in PC[J].International Polymer Processing,2005,20(2):170-177”公开了一种聚碳酸酯复合材料冲击行为影响的分析方法。该方法直接预测高聚物在注塑成型过程中屈服应力的分布，该方法是基于退火过程中PC材料处于玻璃态温度以下温度与屈服应力的演变关系，经过注塑成型过程的数值模拟，可以估计屈服应力在一个产品中的分布，证明了从熔体到固化时的热历史影响了成型后PC产品的屈服应力，但是，在整个过程中，只说明了成型工艺条件对成型后薄壁大曲率聚碳酸酯塑件屈服应力的影响，没有此种成型工艺条件对薄壁大曲率聚碳酸酯塑件冲击行为的影响研究分析。

技术实现要素：

为了克服现有聚碳酸酯复合材料冲击行为影响的分析方法实用性差的不足，本发明提供一种注塑成型工艺对薄壁大曲率聚碳酸酯塑件冲击行为影响的分析方法。该方法对退火样件进行拉伸实验，测得不同退火温度下样件的屈服应力随着退火时间的变化曲线，构造一条屈服应力主曲线，计算主曲线转换因子。根据屈服应力-退火时间主曲线建立成型热历史与屈服应力的关系计算屈服应力。建立薄壁大曲率塑件有限元模型，然后对有限元模型施加相应的载荷边界条件，对模型内的所有单元应用失效准则进行判断，得出薄壁大曲率塑件在不同热历史情况下的冲击行为。由于建立了一条屈服应力主曲线，构造出了在退火过程中屈服应力的对数演化方程，从加工条件的角度出发，整个注塑成型过程中简洁明了地计算出屈服应力，分析了PC产品的冲击行为，优化得到最适合使用的薄壁大曲率聚碳酸酯塑件；从建模到计算的整个过程简洁高效，实用性强。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种注塑成型工艺对薄壁大曲率聚碳酸酯塑件冲击行为影响的分析方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、对退火样件进行拉伸实验，测得不同退火温度下样件的屈服应力随着退火时间的变化曲线，构造一条屈服应力主曲线，用公式

计算主曲线转换因子。

式中，ΔU_a为实验参数，205kj/mol；R为通用气体常数；T为任意退火过程的热历史；T_ref为参考温度。

步骤二、根据主曲线转换因子，用公式

计算注塑成型冷却过程中每一个模具温度下塑件的累积等效时间。

步骤三、注塑成型从玻璃态温度T_g冷却至模具温度直至成型结束的这一过程看做等效退火过程，用下式约束冷却过程中的PC材料：

T＞T_g：

T≤T_g：

式中，T_g为PC的玻璃态转变温度；T_c(t)为注射过程中材料的热历史。

步骤四、根据屈服应力-退火时间主曲线建立成型热历史与屈服应力的关系，用公式

σ_y＝σ_y，0+c·log(t_eff+t_a) (5)

计算屈服应力。

式中，σ_y，0，c，t_a为试验拟合参数；t_eff为等效时间。

步骤五、建立薄壁大曲率塑件有限元模型，然后对有限元模型施加相应的载荷边界条件，对模型内的所有单元应用失效准则进行判断，如果某单元的应变超过规定的某一个固定值ε，则认为该单元已经损伤失效。全部单元分析判断完毕后，则冲击分析结束。最终得出薄壁大曲率塑件在不同热历史情况下的冲击行为。

本发明的有益效果是：该方法对退火样件进行拉伸实验，测得不同退火温度下样件的屈服应力随着退火时间的变化曲线，构造一条屈服应力主曲线，计算主曲线转换因子。根据屈服应力-退火时间主曲线建立成型热历史与屈服应力的关系计算屈服应力。建立薄壁大曲率塑件有限元模型，然后对有限元模型施加相应的载荷边界条件，对模型内的所有单元应用失效准则进行判断，得出薄壁大曲率塑件在不同热历史情况下的冲击行为。由于建立了一条屈服应力主曲线，构造出了在退火过程中屈服应力的对数演化方程，从加工条件的角度出发，整个注塑成型过程中简洁明了地计算出屈服应力，分析了PC产品的冲击行为，优化得到最适合使用的薄壁大曲率聚碳酸酯塑件；从建模到计算的整个过程简洁高效，实用性强。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明方法中不同模具温度下PC材料塑件的热历史曲线。

图2是本发明方法中随着模具温度升高，实验结果与模拟结果对比的屈服应力结果图。

图3是本发明方法中在不同模具温度下，冲击落锤在冲击过程中的动能变化曲线。

具体实施方式

参照图1-3。本发明注塑成型工艺对薄壁大曲率聚碳酸酯塑件冲击行为影响的分析方法具体步骤如下：

下面针对模具温度为40℃、60℃、80℃、120℃、130℃的薄壁PC材料塑件，计算不同模具温度下薄壁PC材料的屈服应力并将此屈服应力施加在薄壁模型上进行冲击分析，并将所得到的结果与真实试验结果进行对比验证。

步骤1：通过模具温度为40℃、60℃、80℃、120℃、130℃的薄壁PC材料的注塑过程仿真模拟，得出不同模具温度的热历史。

步骤2：根据热历史数据，用公式

计算屈服应力-退火时间主曲线转换因子。式中，ΔU_a为实验参数，205kj/mol；R为通用气体常数；T为任意退火过程的热历史；T_ref为参考温度。

步骤3：根据主曲线转换因子，用公式

计算注塑成型冷却过程中每一个模具温度下塑件的累积等效时间。

步骤4：注塑成型从玻璃态温度T_g冷却至模具温度直至成型结束的这一过程看做等效退火过程，用下式约束冷却过程中的PC材料：

T＞T_g：

T≤T_g：

式中，T_g为PC的玻璃态转变温度；T_c(t)为注射过程中材料的热历史。

步骤5：假设在整个注塑成型过程中，屈服应力的物理演化过程与退火过程中屈服应力的演化过程是相同的，研究中进行了一系列的实验探讨在退火过程中屈服应力的演化，用下式

σ_y(t)＝σ_y，0+c·log(t_eff+t_a) (5)

计算薄壁大曲率聚碳酸酯塑件的屈服应力。式中，σ_y，0，c，t_a为试验拟合参数。

步骤6：将屈服应力的材料属性附加给薄壁大曲率聚碳酸酯塑件模型并对模型内的所有单元应用最大应变强度准则依次判断，如果某单元的应变超过规定的某一个固定值ε，则认为该单元已经损伤失效。全部单元分析判断完毕后，则冲击分析结束。此方法能够分析薄壁大曲率塑件在不同热历史情况下的冲击行为。图3是在不同模具温度下，冲击落锤在冲击过程中的动能变化。与实验结果趋势相同，可以看出采用本发明检测得到的结果与实验测量结果吻合较好。