有限元分析技术在塑料包装模具开发中的应用

宋利君 张雅君 邓玉明 陈琛 王兴

（内蒙古伊利实业集团股份有限公司）

前言

塑料主要是以合成树脂为基本成份，经加入填充剂、功能添加剂、加工助剂等辅助材料后，可以做成各种“可塑性”的材料[1]。

它具有质轻、绝缘、耐腐蚀、美观，制品形式多样化、便于加工、运输、回收等特点，广泛应用于食品包装材料、日用品、化妆品等快消品领域。

人类的生产生活离不开塑料制品，塑料制品无处不在，大的方面如汽车、飞机、轮船中的塑料部件，小到我们日常使用的电脑、手机、水杯、化妆品和食品容器，遍及各个角落，而这些塑料制品的生产，都离不开一个重要环节，那就是塑料成型品模具的设计。

1. 塑料吹塑成型技术概述

塑料的加工主要有中空吹塑成型工艺、压塑成型工艺、注塑成型工艺、挤塑成型工艺。其中，塑料吹塑成型工艺中，需要加热至玻璃化转变温度或熔点以上，而后置于模具中吹制进行冷却定型，将制品从高弹态或熔融状态冷却至玻璃态。其中采用挤出吹塑成型在吹塑制品中占75%，注射吹塑成型占24%，其它吹塑成型约占1%。模具的设计结构以及加工冷却效果对于制品的壁厚分布和生产效率有着极其重要的影响[2]。

2. 应用于塑料加工领域的计算机辅助技术

常用的产品开发设计过程，一般先是提出设计理念，依据设计概念绘制设计图纸，在完成设计图绘制后，需要制作可以测试小规模加工效果的单腔实验模具、之后上机进行制作效果测试加工、而后对加工出来的塑料制品进行诸如承压、跌落、耐破等加工效果的测试，依据测试结果对加工模具结构进行优化、重新设计模具，之后再用重新设计的模具对塑料制品进行生产加工。如此反复多次，才能得到相对理想的产品模具结构。该过程不仅浪费大量财力和人力，而且非常耗时。因此，需要采用一种简单、高效的模拟技术，通过对设计图纸进行预先的模拟和结构优化，不仅可以大大缩短整个产品包装材料的开发周期，取得较好的设计效果，而且还为需求企业节省了大量的开发费用及人员消耗。

计算机辅助技术是融合了分子力学、结构力学、量子力学等学科知识的一种仿真模拟技术，在分子设计和材料加工领域都有广泛的应用。计算机辅助设计(CAD)，计算机辅助工程(CAE)和计算机辅助制造(CAM)均属于计算机辅助技术，这3 种计算机辅助的功能各不相同，应用领域囊括了由微观分子结构设计到宏观加工成型等各个方面。其功能涉及了新材料的开发、分子设计和模拟、材料加工成型时产品的模型设计、材料加工过程中产品结构和性能优化、材料加工的整个过程辅助控制等，其中有限元分析技术（FEA）是计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助工程(CAE)等关键技术的基础[3]。

3. 有限元分析技术的应用

有限元分析（FEA）是将一定几何外形结构转化成由节点及元素组合的有限元模型[4]。采用计算机软件（ANSYS、ABAQUS、POLYFLOW等）分析在不同工况条件下，有限元模型的应力、应变的变化情况。有限元法在工程中最主要的应用形式是工程结构的优化。有限元分析方法的出现，使得传统的基于经验的加工模具结构设计趋于理性，设计出的产品越来越精细，尤为突出的一点是，产品设计过程的样机试制次数大为减少，产品的可靠性大为提高。

HDPE 和PET 是目前聚合物吹塑加工工艺中常用的两种聚合物材料。Corlier,Mahendrasingam,Ajji,Vigny,Marco[5-6],黄汉雄[7]等以此为材料模型开展了大量的有限元分析研究。

PET 是一种较为复杂的材料，在中空成型模拟时材料模型的建立较为困难。Chung[8]和McEovy[9]开发了一种超塑性材料模型来模拟注拉吹过程，这种材料模型能够很好的表现PET 材料的黏弹性，但不能体现与温度有关。随后，很多人开始尝试使用三维结构模型来描述PET 材料的特性。在这个领域的带头人，Boyce[10]和Buckley[11]等人，他们材料模型的物理基础相似，不同的是他们采用的聚合物变形的原理以及模型的结构。Menary[12]等人采用有限元分析软件ABAQUS 进行330 mlPET 瓶注拉吹过程的模拟，采用三种不同的材料模型（超弹性模型、蠕变模型、Buckley 非线性黏弹性模型）来研究与PET材料的近似程度，最终Buckley 模型分析得到的壁厚分布和实际测量出的结果很吻合。Yang[13]等人采用非等温有限元模型来模拟PET 注拉吹过程，PET 的材料模型是以Buckley 模型为基础，模拟了拉伸杆、瓶坯及模具之间的热交换，完整的演示了吹塑的全过程，模拟壁厚分布的结果和试验测量的结果较为吻合[14]。

国内也出现了一些与中空成型相关的模拟研究。魏小玲和梁瑞风[15]运用Polyflow 有限元分析软件进行了三种高密度聚乙烯树脂的瓶子等温吹塑过程的计算机模拟研究。表珍和宗殿瑞[16]在模拟时模型采用二维6 节点单元分割，很好地预测轴对称高密度聚乙烯吹塑制品壁厚的分布。黄汉雄基于ANSYS 有限元软件，对吹塑制品的三维冷却进行了模拟，预测了制品厚度方向任一位置的瞬态温度分布，并可预测成型工艺参数。郭太松、苏良瑶等综合应用Hypermesh、ANSYS 等有限元分析，对现有PET 瓶结构进行分析和结构优化，也取得一些好的应用效果。

结语

随着中空成型过程模拟技术的不断发展，目前已经出现了一些商业化的模拟软件：Accuform公司的B-SIM，Fluent 公司的Polyflow 等。B-SIM是一个模拟吹塑成型的软件包，在给定指定的工艺参数（如压力等级、模具速度、胚管的温度分布等）的基础上，B-SIM 可以预测最终制品的壁厚分布。Polyflow 系采用有限元的分析软件，专用于高弹态材料的流动模拟。此外，还有ANSYS、ABAQUS 等有限元分析软件模拟制品在设定工况下（负载、负压等）的应力应变情况，发现薄弱点进行优化。

根据目前的文献显示，国内外学者局限于有限元软件分别对工艺进行模拟，依据模拟结果进行模具结构进行优化，避免局部厚薄不均和应力集中，提升制品的合格率。或采用有限元软件对现有结构的包装制品进行分析和优化，缺乏从加工模拟至制品性能模拟的综合解决方案。因此，采用B-SIM 或Polyflow 模拟吹塑工艺后壁厚分布、并将该模拟结果作为ANSYS、ABAQUS 等瓶型结构的分析软件的原始数据，进而分析该塑料件在不同工况下的受力变形情况，综合优化模具结构和工艺，更具有现实意义。