【干貨分享】Moldflow應用常見翹曲問題系列之五

2016-11-14 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

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系列五:

◆ 翹曲形成的原因

◆ 翹曲分析類型

◆ 初始條件分析

◆ 初始條件和三種分析類型

◆ 初始條件的影響

翹曲的形成原因

可導致零件變形的因素有若干種。

考慮造成翹曲的原因時,很便于識別由于以下問題產生的收縮:

區(qū)域與區(qū)域的收縮率變化(收縮不均)
模具的一側與另一側的溫度不同(冷卻不均)
材料取向方向的平行方向與垂直方向上的收縮量變化(取向效應)
上述每種收縮類型都會推動總翹曲的產生

收縮不均

此類收縮通常是晶體成分和體積收縮率發(fā)生變化引起的。下圖顯示了連接到厚頂部的薄加強筋。通常,頂部的冷卻速率低于較薄部位的冷卻速率。頂部的晶體成分將增加,因此收縮程度將更大,從而導致所示的翹曲。

下面的圖 (a) 顯示了由于澆口周圍收縮率高導致中央澆注圓盤產生鞍形翹曲。反之,如果圓盤外層周圍收縮率更高,則最終的翹曲可能導致圓盤凸起,如 (b) 中所示。

冷卻不均

溫差引起的收縮通常會導致零部件彎曲,如下圖所示。此類收縮通常是由于冷卻系統(tǒng)設計不佳所致。

零件在模具中時,模具一側與另一側的溫差會導致整個零部件厚度內的收縮率發(fā)生變化。除此之外,當零件兩側冷卻到室溫時,頂出時的任何溫差都將導致更大的翹曲。

取向效應

取向導致材料取向方向的平行方向與垂直方向上的收縮量變化。該類型收縮產生的翹曲與收縮不均產生的翹曲相似。下面的圖 (a) 顯示了平行收縮大于垂直收縮時發(fā)生的翹曲。另一方面,如果垂直收縮高于平行收縮,則將產生凸起,請參閱 (b)。

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翹曲分析類型

可從“工藝設置向導”中選擇以下幾種翹曲分析類型。

挫曲

確定零件的翹曲是否穩(wěn)定。

如果挫曲分析表明翹曲是穩(wěn)定的(臨界載荷因子 > 1),則由挫曲分析獲得的變形結果能夠很好地表示零件變形后的最終形狀。

如果挫曲分析表明翹曲是不穩(wěn)定的(臨界載荷因子 < 1),則需要運行大變形分析來確定零件變形后的最終形狀。

此分析在中性面網格模型上執(zhí)行。

小變形

如果預計零件的翹曲是穩(wěn)定的,則選擇這種分析類型。假定零件內存在線性應力-應變行為時,小變形分析可提供零件變形后的最終形狀。

此分析可在中性面、雙層面和 3D 網格模型上執(zhí)行。

大變形

如果預計零件的翹曲是不穩(wěn)定的(由先前的自動或挫曲分析確定),或者零件的翹曲是邊界穩(wěn)定/不穩(wěn)定的和/或希望最精確地預測零件形狀,請選擇這種分析類型?？紤]零件內的非線性應力-應變行為時,大變形分析可提供零件變形后的最終形狀。

可在中性面和 3D 網格模型上執(zhí)行此分析。

自動

如果希望求解器確定翹曲是否穩(wěn)定,請選擇此選項。如果確定翹曲不穩(wěn)定并且您使用的是中性面網格,此選項將自動運行額外的大變形分析來確定真正的零件變形后的最終形狀。根據您的網格類型,自動分析會首先運行挫曲分析。如果特征值小于 1.5,則運行大變形分析,否則執(zhí)行小變形分析。

初始條件分析

此應力分析建立在通過翹曲分析確定的變形零件基礎上。

我們將其稱為“初始條件分析”。此分析使用通過翹曲分析確定的變形和收縮應變作為應力分析的起點。

初始條件分析可用于前面部分介紹的三種分析類型中的任意一種。在本部分中,我們首先介紹如何將翹曲結果轉換到應力分析,然后探討初始條件分析如何與主要的分析類型一起使用。

這些分析類型包括:小變形分析、挫曲分析、大變形分析和模型頻率分析。

如果規(guī)定:

G= 模型幾何

U= 位移 U0= 初始位移

e= 應變 e0= 初始應變

s= 應力 s0= 初始應力

那么,我們可以將翹曲分析的輸入與初始條件應力分析的輸入進行如下比較。

翹曲分析

G = G(mold)

U0 = 0

e0 = e(shrinkage)

s0 = 0

初始條件應力分析

G = G(mold)

U0 = U(warpage result)

e0 = e(shrinkage)

s0 = 0

上述比較中需關鍵注意的是不使用初始應力實現(xiàn)“翹曲中的殘余應力”。而是通過U0和e0執(zhí)行。在應力分析的第一步中,FENAS 會有效地重復翹曲分析最后一步中執(zhí)行的應力計算。此過程不會產生費用,因為應力始終在大變形分析開始時計算。

另一種(簡化)方法是將翹曲形狀

G=G(mold+U(warpage result)) 和初始應力 s0= S(warpage result) 轉換到初始條件應力分析。

使用上述方法可以達到相同的效果,而且具有以下優(yōu)勢:

在這兩個分析中采用一致的應變定義(應變=變形/長度),因為幾何數據 ( ) 無變化。為了說明這一點,未對翹曲零件施加載荷。所采用的方法沒有預測到響應,即沒有移動。此結果與使用初始應力方法時有所不同,因為后者中的應變定義會發(fā)生變化,即通過“人為重新分布”應力來應對定義的變化。
通過減小應力分析中的彈性模量,可以方便地按比例減小翹曲分析中的殘余應力?？梢允褂脩Ψ治鲋袦p小的彈性模量粗略模擬翹曲中殘余應力減小的效果,并允許在載荷作用下緩慢移動(可使用“有效的線性模量”)。

例如,如果對翹曲采用 E1=1600,E2=1200 MPa;對外部載荷采用 E1=800,E2=600 MPa;則外部載荷分析第一步開始時計算得到的應力為翹曲分析結束時殘余應力輸出的一半。因此可將“減小的殘余應力”轉換到外部載荷分析中。使用初始應力方法則無法輕松實現(xiàn)此點。

后處理得到簡化,因為無需通過將初始應力添加到結構或翹曲分析的應力來生成最終應力。

初始條件和三種分析類型

挫曲分析

運行挫曲分析時,將執(zhí)行兩個分析;首先執(zhí)行小變形分析,然后執(zhí)行挫曲分析。

通常采用線性(經典)挫曲方法。初始小變形分析用于確定 100% 載荷下的零件配置。然后,挫曲分析使用 0 載荷和 100% 載荷下的已知配置。對結果執(zhí)行后處理時,可以檢查 100% 載荷下的偏移形狀,以及通過挫曲分析確定的模式形狀。

但對于具有初始條件的挫曲分析,經典線性挫曲理論則不能用于該問題,因為施加載荷前應力不為零。因此必須使用“線性化挫曲”方法。在此方法中,初始小變形分析用于確定極小百分比載荷下的零件配置。然后,線性化挫曲分析使用 0% 載荷下和此小百分比載荷步結束時的已知配置。

注意: 也就是說,對初始條件挫曲分析結果進行后處理時,100% 載荷下的偏移形狀不可用。只能顯示模式形狀。

如果需要線性結果,需要運行小變形分析和挫曲分析。

由于通過挫曲分析確定的模式形狀是一個增量模式形狀(挫曲點的配置變化),因此必須將其與翹曲形狀疊加(經過適當縮放后)。

大變形分析

注意: 應只對大變形翹曲結果執(zhí)行大變形初始條件應力分析。