塑料CAE设计--安全系数

塑料以其质量轻、设计空间大、制造成本低、性能优异的显著特点，成为了二十一世纪汽车、电子、家电等工业领域最好材料的选择之一。尤其是工程塑料，以其较高的拉伸强度、弯曲弹性模量、耐热性，在有承载要求的结构件中应用日益广泛。为达到预期使用寿命，工程师采用传统的思路一安全系数来设计产品。但塑料注塑件设计的失败通常发生在设计者不明白不同载荷条件下的安全系数与塑料的行为(呈现与时间、温度相关的黏塑性)的关系，以及注塑加工过程对设计强度的影响，从而导致注塑件断裂、变形的各种失效。

1 注塑件的强度设计及预测

1.1 注塑件的强度设计

安全系数是衡量产品能达到预期使用寿命的能力，它给出了零件在任意操作条件下都不会失效的保证。与金属零件不同，对于塑料注塑件而言，其安全系数的设计不仅仅要考虑材料本身的性能，还应该能补偿零件从加工到成型整个过程的缺陷，以及后续使用过程的波动。

材料性能安全系数，用于在零件设计初期阶段的材料选择。在快速装配(如卡扣)和压力装配的应用场合，主要利用塑料的弹性变形性能，要求塑料发生弹性变形但不能发生塑性变形，因此，材料安全系数可基于屈服应力来计算，即n快速装酊肝力装配=6屈服/6许用。而对于柔性铰链的应用场所，失效形式表现为断裂，此时，材料安全系数是基于极限应力来计算，即17,柔性铰链=6板限/8许用。在许用应力一定情况下，材料的屈服应力或极限应力越高，其安全性能越好。

设计安全系数，不仅与载荷类型有关，还与塑料的力学特性(呈现与时间、温度相关的黏塑性)有关。典型载荷类型、塑料的相关性质与安全系数的不同分类如表1。

表1 塑料特性、载荷特点与安全系数

1)静态安全系数：当外部载荷为短时载荷时，比如组装或使用时偶尔短时加载，该种载荷下零件强度主要与材料的应力应变曲线中的屈服强度有关，此时的安全系数体现为静态安全系数。

2)时间安全系数：当零件在较长时间内承受较大外载荷，比如过盈配合、扣位或螺纹紧固，此时，载荷表现出长期性特点。对于塑料材料而言，随着时间变化，将发生蠕变和应力松弛现象，零件承受这种载荷时应考虑塑料材料的蠕变特性来进行零件的安全系数计算，以避免发生应力断裂，或者发生应力松弛而导致配合松动。

3)动态安全系数：当零件在长时间范围内承受间断或周期的外部载荷时，就需要利用塑料材料的S-N特性来设计零件的安全系数。

4)冲击安全系数：对于高速或冲击载荷(高速载荷是指速度大于1 m/s;而冲击载荷指的是速度大于50 m/s)，需要避免载荷施加在残余应力或装配应力大的区域，应采用屈服强度来设计零件的安全系数。当宽度、厚度发生改变时，应采用光滑的大圆角设计来避免应力集中;

加工过程安全系数，主要用来补偿注塑成型缺陷所导致的强度降低，这些注塑成型缺陷包括熔接痕、气泡、应力集中等。

操作条件安全系数，主要用来补偿特殊的操作条件，如储藏、运输和使用过程中的过热、过冷或过高的相对湿度、紫外线照射、盐水浸泡、腐蚀介质环境，也就是说，耐候性条件对操作条件安全系数影响很大。对于应用在过高或过低温度的场合，应避免零件问的热膨胀系数差异过大，给与零件较大的间隙以容纳材料随温度变化的伸缩。

1.2注塑件的强度预测

塑料件的强度不仅依赖于材料本身，也与零件几何形状、施加在零件上的载荷特点、注塑成型缺陷等有关。制造商对最终出货产品的检验验证，包括耐久性验证、承载能力、高温高湿测试等，非常重视。但这些性能若等到试模样品才能进行，则风险高得多。因此，需要对注塑件的强度及其加工过程进行预测，而传统的解析计算方法对复杂零件几乎难于应用。

通用数值模拟软件如Ansys、Marc等，能够利用零件的3维CAD模型，虚拟施加预期应用场合的载荷或其他条件后，预测出零件的动态或静态强度，更为准确地计算零件的设计安全系数，以优化零件设计。

注塑件的专用模流分析Moldflow、HSCAE及Moldex等软件，能够预测塑料在注塑模具内的充填、冷却情况和由此带来的成型缺陷，包括：熔接痕、气泡、应力集中，更为准确地预测注塑缺陷所带来的安全系数损失，以优化模具设计及工艺设定，从而减少零件差错，降低生产成本。

2 注塑件强度的预测、验证案例

2.1注塑件的断裂验证

如图1零件材料为ABS，在使用中偶尔发生断裂，为分析断裂原因，采用Ansys软件进行结构强度分析。首先测试获得ABS的应力应变，弹性模量2.5GPa，拉伸强度约为44 MPa，采用Solidi87网格划分模型，忽略冲击影响，假设载荷为静载。

图1 断裂实物图样

计算结果显示零件受力区域较小，受力较为集中，危险区域如图2、图3所示，第一危险区域最大应力5 MPa，第二危险区域最大应力4 MPa，危险区域位置与实物断裂区相吻合。在正常静载下，不考虑Ansys本身的计算误差，零件静态(设计)安全系数为8.5，似乎比较安全。

图2 零件局部应力分布图

图3 零件整体应力分布图

但实际注射成型中，因为该两个危险区域存在熔接线以及应力集中，如图4所示。研究表明：对于脆性聚合物的熔接线融合强度系数在最佳工艺条件下在0.6～0.7以下，典型

材料如PS、SAN、PMMA;对于韧性聚合物的熔接线融合强度系数在最佳工艺条件下在0.7～0.8以上，典型材料如POM、PP、PC、ABS。

图4 零件的熔接线分布

危险区域熔接线、应力集中的存在已经削弱实际强度，再加实际成型加工工艺很难保证最佳，以及载荷偶尔过载和实际上的微小冲击作用，导致零件发生断裂，尽管其静态设计安全系数设定比较充裕。

2.2注塑件的强度预测

为提高该零件的可靠性，曾依据经验，延长加强筋长度，如图5所示，以期提高危险区域的强度。但通过CAE结构分析发现，更改设计第一区域最大应力5.3 MPa，比原始设计的更危险，更改设计的第二区域更安全些，其最大应力约1.8 MPa，如图6、7所示。与传统经验相反，通过CAE可以预测出更改设计方案未能显示明显的改善，并不可取。

图5更改设计3D