聚氯乙烯塑性变形模拟

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引言

挤出复合生产方法已成功应用于生产一布一胶和多布多胶的轻型输送带，该技术可大大降低轻型输送带的生产成本［1－2］。辊压复合是挤出复合技术的核心，分为辊压贴合和辊压压花，辊压贴合时塑料温度高，有较强的粘塑性，而辊压压花时塑料温度相对低，处于高弹态，发生的是复杂的弹粘塑性变形。辊压复合成形过程较为复杂，表现在其变形过程是一个三维变形，并且经历大位移和有限应变过程，具有明显的材料非线性、几何非线性和边界非线性［3］。目前，不少学者采用有限元法对金属的塑性成形进行数值模拟，研究方法也较为成熟，如曾国等［4］利用有限元软件ABAQUS对多道次辊弯成形进行了数值模拟;袁文生等［5］使用有限元软件AN-SYS/LS-DYNA研究了楔楔横轧轧件的金属流动;Heislitz［6］利用有限元软件PAM-Stamp模拟了槽形截面件的辊弯成形。但对于非金属的塑性成形研究得较少，如杨玲琳［7］运用ANSYS/LS-DYNA对陶瓷泥料辊压成型进行了研究。本文以聚氯乙烯(PVC)为材料，应用有限元软件ANSYS/LS-DYNA［8］模拟辊压轻型输送带复合成形过程，研究制件位移场、应变场和模具填充状况，以期对于实际工程中模具设计和工艺参数选择等提供一定的指导作用。

1模型的建立

1.1单位的统一和条件假设ANSYS/LS-DYNA没有设置固定的单位制，用户只需使用统一的单位即可。在本文的所有模拟分析中，使用的基本单位为:长度单位m，质量单位kg，时间单位s，角速度单位rad/s，压力单位Pa。在整个模拟研究过程中做如下假设:(1)成形过程中，PVC制件发生大的弹塑性变形，与PVC制件相比，成形钢辊有较大的弹性模量，只发生较微小的弹性变形，因此将成形辊视为刚性体;(2)PVC料各向同性，除受辊压作用力外，不受其他任何外力作用;(3)整个辊压成形过程在等温条件下进行;(4)忽略PVC制件的自重。

1.2材料模型的选用及定义本文坯料采用基于弹塑性有限元法的弹塑性与应变率相关的材料模型—改进的分段线性塑性材料模型。该模型提供了一些多线性弹塑性材料设置选项，通过Cowper-Symbols模型考虑应变率影响。在定义材料模型时，这种改进的分段线性塑性材料模型可以通过输入与应变率相关的应力应变曲线来定义应变率影响。不同温度时，坯料的力学性能参数变化较大，本章基于PVC坯料150℃时的力学性能来设置坯料材料模型参数，本章使用的PVC坯料150℃时不同应变率下应力应变关系曲线如图1。

1.3有限元模型的建立在辊压成形过程中，两个钢辊中有一个支承辊，一个花纹辊，支承辊只起支撑作用，相当于一个支撑平台，在模拟过程中，将其作为约束施加，而不在模拟模型中具体体现。为了节省模拟计算时间，花纹辊只取接触面的一部分，而制件只取相对应的一小段。ANSYS/LS-DYNA可以通过自身来建模，也可以通过外部的接口与多种CAD专用软件进行数据交换，导入模型。本文花纹辊模具面在Pro/E中建立，直径为0.3m，弧长0.086m，宽0.096m。制件是一个规则的长方体，在ANSYS/LS-DYNA中建立，取长0.06m，宽0.086m，厚0.0035m。最终简化的几何模型如图2所示。模具选用45号钢，采用刚性壳单元Shell163进行网格划分，限制其Z轴的平动以及X轴和Y轴的转动。制件采用改进的多段线性弹塑性材料模型，应变特征通过输入130°不同应变率下的应力应变曲线来定义，单元类型为8节点6面体实体单元Solid164，利用面网格的拖拉来生成实体网格，网格大小为0.5mm×0.5mm×0.5mm，网格划分模型如图3所示。根据辊压成形变形特点和边界条件，本文在建立有限元模型时做了如下设置。(1)花纹辊与制件的接触采用表面－表面自动接触模型(ASTS)，定义刚性的模具表面为接触面，制件的成形面为目标面。接触摩擦简化为弹性库仑摩擦，模具与制件所有接触部分的摩擦系数均相同，静摩擦系数和动摩擦系数分别为0.45和0.4。(2)约束施加在与支承辊接触的面上，限制其所有的转动和X轴的平动。(3)载荷施加在模具上。为了展示成形过程的方便和提高接触成形的计算精度，本文设置成形的前0.1s为模具X轴的平动。根据运动的相对性，将制件的平动转化为模具沿Y轴的平动，同时模具有自身的Z轴转动角速度，所以0.1s后模具有沿Y轴正向的平动和－Z轴的转动，且平动速率等于转动线速度大小，使得模具相对于制件滚动。(4)塑性PVC在成形过程中发生了较大的变形，为了避免负体积的产生，本文中的网格相对较细，时间步长因子也设置得较小(0.5甚至更小)，积分单元采用单点积分单元，因此必需进行质量缩放以达到合理的计算时间。(5)单点积分容易产生零能模式，需对制件模型进行沙漏控制，增加其弹性刚度。本文提出的模拟分析方法从网格的划分，材料模型的定义，单元选择等严格按照实际工况进行设置。在分析模拟时，曾出现负体积、沙漏控制、质量缩放等技术问题，经过改良后，未曾出现相关问题，因此推动分析方法较为准确。

2模拟结果与分析

本文通过单个钉齿成形过程、X方向位移场(X－d)、节点X－d曲线和制件等效塑性应变云图来分析成形过程中的填充状况、制件几何形状变化情况和制件塑性变形发展状况等。

2.1单个钉齿成形过程及节点X－d曲线图分析为了说明成形过程中的填充状况和制件几何形状变化情况，提取单个钉齿成形过程图和钉齿顶处节点78405X－d曲线图来进行分析说明。如图4～图5所示。图4为单个钉齿成形过程图，为了便于说明，结合图5钉齿顶处节点X－d曲线图进行说明分析，该钉齿是整个模拟中成形的第一排钉齿中的一个。BH段为模具沿X轴正方向平动，其中BC为接触准备阶段，CH为挤压阶段，因挤压量较大，因此从D点开始，进入第一排钉齿的成形，D点对应于图4(a)。H点后，模具相对于制件滚动，对制件进行辊压。在E点，第一排钉齿填充结束，其对应于图4(c)。E点处的X轴方向位移值为－1.63mm，模具X轴正方向挤压量1.6mm，模具壳单元厚0.5mm，因此填充量为1.6mm+1.63mm+0.5/2mm=3.48mm，单元大小为0.5mm×0.5mm×0.5mm，节点78405并非钉齿最高点，所以可以认为相对于3.5mm的模具槽深，钉齿填充饱满。EF段为退模段，EF段节点78405X轴负方向上的位移值继续增大，是因为塑性材料PVC在130℃时处于高弹态，成形时有粘塑性变形，也有弹性变形，所以EF段制件有一定的回弹。F点对应于图4(d)，EF段退模的同时也开始了第二排钉齿的成形。

2.2制件X－d结果云图和等效塑性应变云图分析本文中X－d结果图是反映制件几何形状变化的主要方面，制件在Y方向和Z方向也存在一定的变形，但其与制件成形过程中的填充情况无直接关系，所以取X－d结果云图以及2.1节中图4和图5来分析说明制件的几何形状变化情况，X－d结果云图如图6所示。图6在反映制件几何形状变化的同时也进一步验证了关于图4～5分析的正确性。成形过程中，X轴正方向最大位移发生在与模具接触的非钉齿处的面上，最大值达到了1.85mm，X轴负方向最大位移发生在钉齿顶处，最大值达到了1.65mm。由云图7可知制件辊压过程中的等效塑性应变的变化。在制件被咬入后，制件的塑性应变逐渐增大，一排钉齿成形完时达到最大，且最大值发生在钉齿根部附近，而最小值发生在钉齿顶部。由云图发现，辊压成形后制件中非钉齿部分的塑性变形较均匀。通过分析模拟结果，后排钉齿成形过程与第一排类似，因此本文不继续说明分析。

3结束语

本文利用非线性动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA对辊压复合成形过程中的压花成形进行了数值模拟研究，得到了成形过程中材料在模具中的填充状况、制件几何形状变化情况和制件塑性变形发展状况等，输出了钉齿顶处节点和与模具接触的非钉齿上节点的X方向位移曲线图，并对辊压成形过程的不同阶段的应变和变形情况进行了深入细致的分析。本文通过对辊压复合成形模拟中模型建立、单元选择、材料模型、边界条件、接触模型、求解控制等一些关键问题的研究分析，提出了轻型输送带辊压复合成形数值模拟的方法，对进一步研究模具形状、成形工艺参数、材料性能等影响辊压复合成形质量的因数有指导作用。