MoldFlow软件应力分析及应用

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MoldFlow软件应力分析及应用
Analysis and Application of Stress with MoldFlow Software
麻向军  文劲松
（华南理工大学聚合物新型成型技术国家工程中心  华南理工大学—美国MoldFlow高级应用技术中心）



前言
随着塑料工业的迅速发展，塑料制品越来越多地取代金属件而用于结构件，在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等部门得到了广泛应用。因此，必须全面了解制品在外加载荷和约束作用下的使用性能。MPI/Stress通过对制品应力和变形的分析，帮助设计人员和工艺人员了解制品与应力相关的性能如强度、刚度、预期寿命等。由于MPI/Stress集成于MPI中，所以特别适合于注塑件的应力应变分析。

一、MPI/Stress简介
目前，许多分析软件可以分析制品在载荷和约束作用下的应力变形。MPI/Stress同样能够完成这些分析，即对制品进行小变形分析、大变形分析、屈曲分析、模态分析和蠕变分析。由于MPI/Stress可以方便地与MPI/Cool、MPI/Flow、MPI/Fiber、MPI/Warp等模块集成，因此，能够考虑制品在成型过程中所形成的残余应力和残余应变，对于纤维增强复合材料制品，直接采用MPI/Fiber分析得到的力学性能数据，从而使其分析结果更为可靠。
小变形分析（Small Deflection Analysis）
小变形分析即线性分析，主要用于制品的概念设计阶段。通过分析制品在载荷和约束作用下的应力分布及变形程度，确定制品的使用性能，即制品能否满足强度和刚度的要求。在此基础上，可以对制品的壁厚、加强筋的尺寸和材料的选择给出基本的评估。
大变形分析（Large Deflection Analysis）
大变形分析即非线性分析，用于评估制品在大载荷作用下的性能。众所周知，非线性分析不仅计算量大，而且求解过程容易发散。MPI/Stress提供了载荷控制和位移控制两种方法供用户选择。在求解策略上，软件不仅提供了人工确定增量步长和选择求解器的方法，而且提供了自动确定增量步长和选择求解器的方法，这一方法能够根据非线性问题求解过程不同阶段的收敛情况，自动选择增量步长和可靠的求解器，避免了非线性问题求解固有的难于收敛的困难，同时使求解效率大大提高。
屈曲分析（Buckling Analysis）
屈曲分析能够分析引起制品屈曲的临界载荷及预测最后发生屈曲时的形状。MPI/Stress提供了两种分析屈曲的方法，一种是线性屈曲分析（Linear or Classical Buckling Analysis）, 主要用于分析不考虑制品残余应力的情况；另一种是线性化屈曲分析（Linearized Buckling Analysis）, 主要用于考虑制品残余应力的情况。制品在载荷作用下是否会发生屈曲，对制品的大变形分析有重要影响。因此，在进行大变形分析前，首先要进行屈曲分析，如果存在屈曲，则必须考虑屈曲对变形的影响。同时，屈曲分析结果可用于非线性分析。
模态分析（Modal Frequency Analysis）
模态分析用于确定制品发生振动的固有频率及该频率下的模态形状，从而帮助设计人员通过增加制品刚度来减小制品的振动。
蠕变分析（Creep Analysis）
蠕变分析用于分析制品在应力或应变保持不变的情况下，由于材料的黏（弹、塑）性，变形或应变随时间的进展而继续增长的情况，这对于长期工作在大载荷作用下的制品是非常重要的。蠕变分析也属于非线性分析，但比大变形分析更为复杂，MPI/Stress提供了多种高效稳定的算法。
MPI/Stress采用中型面模型进行制品的应力应变分析，提供了方便的施加载荷和约束的操作界面，并且能够考虑材料力学性能的各向异性。

二、MPI/Stress的作用
MPI/Stress通过对制品应力应变的分析，为用户提供丰富的分析结果。
(1)  小变形分析  制品总的变形及其在三个坐标方向变形分量的分布云图，第一主应力、第二主应力、最大切应力及Mises-Hencky应力的分布云图。
(2)  大变形分析  制品总的变形及其在三个坐标方向变形分量的分布云图及这些变形随载荷变化的关系，第一主应力、第二主应力、最大切应力及Mises-Hencky应力的分布云图及其随载荷变化的关系。
(3)  屈曲分析  制品发生屈曲的临界载荷及其模态。
(4)  模态分析  制品发生振动的固有频率及制品在相应频率下总的变形及其在三个坐标方向变形分量的分布云图。
(5)  蠕变分析  制品总的变形及其在三个坐标方向变形分量随时间变化的分布云图，第一主应力、第二主应力、最大切应力及Mises- Hencky应力随时间变化的分布云图。

三、MPI/Cool应用实例
以一个矩形盒为例，说明MPI/Stress的部分分析结果。制品材料为BASF ES 8082，尺寸为120mmX80mmX15mm，顶面中心高为20mm，厚度为1.2mm。放置于一平板上，并在顶面中心施加60N的压力。考虑到对称性，取其1/4进行分析。
3.1 大变形分析
图1为大变形分析得到的制品总变形分布云图、Mises-Hencky应力分布云图及最大切应力随载荷变化的关系。

(a)  制品总变形

(b)  制品的Mises-Hencky应力

(c)  制品最大切应力随载荷的变化
图1  大变形分析得到的部分结果
3.2 屈曲分析
由屈曲分析可知，制品发生屈曲时的最小特征值λ为3.04，如图2(a)所示，说明在当前载荷下制品不会发生屈曲。在特征值λ为4.23时，制品的模态如图2(b)所示。

(a)  制品发生屈曲的特征值

(a)  制品发生屈曲时的模态
图2  屈曲分析得到的部分结果
3.3 模态分析
由模态分析可知，制品发生振动时的固有频率为429.5Hz和891.3Hz，如图3(a)所示。在频率为429.5Hz时，制品的模态如图3(b)所示。

(a) 制品的固有频率

(b) 制品在频率429.5Hz时的模态
图3  模态分析得到的部分结果

四、结束语
MPI/Stress通过对制品在载荷和约束作用下应力应变的分析，帮助设计人员和工艺人员全面了解制品的使用性能。这对于优化制品结构，提高制品质量，降低制品成本，具有重要的指导意义。




参考文献
1．        李德群：塑料成型工艺及模具设计，机械工业出版社，1994
2．        范钦珊：工程力学教程，高等教育出版社，1998
3．        MoldFlow公司网站，www.moldflow.com
4．        MPI3.1培训资料