技术分享 | Moldflow实现退火的分析的方法-Autodesk Moldflow-塑料成型仿真/模流分析-软服之家

前言

退火对塑料制品来说可加速分子松弛，消除成型过程中产生的残余应力，调整结晶度以优化产品的性能，降低产品失效风险，延长其使用寿命，那么Moldflow能不能分析退火呢？答案是肯定的。如何实现呢？请听小编给你娓娓道来。

1. Moldflow TP版本的实现

常规的分析是不能分析退火的，要实现退火的分析，需要做个准备动作，那就是将软件切换为TP版本，TP版本就是Technology Preview的简称。

TP版本的切换方法如下：

通过替换Autodesk Moldflow 2026 synergy中的 6 个数据文件，要替换的 6 个文件是：

• C:Program FilesAutodeskMoldflow Synergy 2026datadatcmmesage.dat

• C:Program FilesAutodeskMoldflow Synergy 2026datadatprocess.dat

• C:Program FilesAutodeskMoldflow Synergy 2026datadatresults.dat

• C:Program FilesAutodeskMoldflow Synergy 2026datadattcodes.dat

• C:Program FilesAutodeskMoldflow Synergy 2026datadattcodeset.dat

• C:Program FilesAutodeskMoldflow Synergy 2026dataudmdefaults.udm

替换文件可以联系CAD-IT获取。

2. 各向异性热粘弹性残余应力模型

注塑成型过程中的热应力和压力引起的残余应力是由于加工过程中热收缩的限制，加上冻结层随着压力历史的变化而产生的，残余应力受熔体温度、模具温度、注射速度、保压压力、保压时间和冷却时间等不同工艺条件的影响。当聚合物冷却到室温时，应力松弛就会发生，这也使应力场变得复杂。

为了模拟应力松弛对注塑件模内残余应力、收缩和翘曲的影响，开发了三维线性各向异性热粘弹性残余应力模型。模内残余应力会根据冷却过程中的温度变化而松弛一定量，只能通过热粘弹性模型进行预测。本构方程可写为：

对于热–粘弹性模型而言，需要对材料进行粘弹性表征。用于确定材料的松弛谱和温度依赖性。松弛谱在注塑过程中发生在很宽的时间范围和温度范围内。实际实验是在很窄的时间范围内以各种温度进行的。利用时间–温度叠加得到一条主曲线，它表示参考温度下的松弛谱。主曲线可以拟合为表示广义麦克斯韦模型的 Prony 级数：

技术分享 | Moldflow实现退火的分析的方法

时间–温度偏移因子表示材料的温度依赖性，通过形成主曲线获得。图1 绘制了典型的偏移因子–温度数据的示例。

技术分享 | Moldflow实现退火的分析的方法

图1 时间–温度偏移因子

对于聚合物材料，两种常用的偏移因子模型是 WLF 模型和 Arrhenius 模型。从图 1可以看出，将偏移因子数据拟合到单个模型在整个温度范围内并不合适，尽管在文献或材料数据库中只给出一组偏移因子参数是很常见的。更合理的方法是使用两个不同的模型来拟合两个不同温度范围内的偏移因子。例如，对于非晶态材料，WLF方程可用于描述温度范围从Tg至Tg +100 o C 的时间–温度偏移因子。对于超出上述范围的温度，可以用阿伦尼乌斯表达。为了避免在模型拟合过程中引入误差，我们优选以表格形式描述偏移因子的温度依赖性作为实现中的输入。

3. 粘弹性分析选项的用户输入

使用各向异性热粘弹性残余应力模型需要粘弹性材料数据，设置步骤如下：

在工艺设置向导–填充+保压设置中，选择“高级选项”，然后选择 “编辑” 中的“成型材料” 然后选择 “机械属性”选项卡，在“粘弹性特性数据” 选项中选择“统一粘弹性”。

点击 “编辑统一粘弹性特性”，编辑 “粘弹性松弛谱” 和 “温度偏移模型” 数据。数据如图2所示，“表格数据” 是温度偏移模型的首选。

如果数据库中没有所选材料的这些数据，但您有数据，则可以手动输入这些数据。松弛谱值应为相对无量纲模量，例如技术分享 | Moldflow实现退火的分析的方法，以便启用这些选项后，粘弹性残余应力模型将用于流动和翘曲分析。

图2 粘弹性残余应力模型的用户输入

4.理论数值分析

下面通过一个数值案例进行展示，通过比较热–粘–弹性方案与热–粘弹性方案的求解结果，来评估应力松弛对模内残余应力和收缩的影响。通过模拟注塑过程的填充、保压和冷却阶段，考虑压力和热历史以及应力的积累和松弛的影响。

案例为矩形条状零件，采用 ABS 材料（拜耳的 Novodur P2X）成型（图 3）。参考文献 [2] 详细介绍了加工条件和用层去除法测量残余应力。模具冷却略有不对称，模温为51.85°C/47.85°C。

图3 矩形条状模具（单位：毫米）

在我们的应用中，仅实现了表格形式、WLF 方程和阿伦尼乌斯方程，因此这两个材料的偏移方程被表1 中的等效表格温度–时间偏移关系所取代，该关系可很容易地用于我们的算法。

表1. 温度–时间变化因子表

表2. 无量纲松弛谱数据

公式（3）的无量纲松谱数据列于表2中。为了更好地捕捉间隙方向上的压力和温度历程以及冻结层的生长，使用了20 层四面体单元。网格中有 520,311 个四面体单元。同时运行热–粘–弹性残余应力模型和热–粘弹性残余应力模型。

图 4 和图 5 显示了在 P2 和 P3 位置之间切出的应力测量条，在平行和垂直方向上预测的间隙式模内的残余应力分布。图中还显示了参考文献[2] 中测量的残余应力结果。显然，这两个模型都预测了正确的残余应力模式。最终的应力分布曲线表明，在表层中形成了部分拉应力，随后是向内进一步形成的压应力区域，然后是芯部中的拉应力区域。这种应力分布是注塑件中的典型特征，与表层和芯部冻结时的相对低压以及中间区域冻结时的高压密切相关。此外，该模型还正确预测了由于冷却略微不对称而导致的略微不对称的应力分布。

图4 平行方向模内残余应力分布（单位： MPa）

图5 垂直方向模内残余应力分布（单位： MPa）

热–粘弹性残余应力模型预测的拉伸和压缩残余应力低于热–粘–弹性残余应力模型。这纯粹是由于应力松弛效应。表层的应力松弛程度更为显著，因为这些层被冻结，模具中的型腔内应力积累发生得比芯层更早，并且在相对较高的温度下经历了较长的应力松弛时间。由于应力松弛效应，热粘弹性模型预测的收缩率比热–粘–弹性模型预测的收缩率小约17%

5. 分析验证示例案例

示例为图 6 所示的简单矩形板壳。材料为 PS。模具温度为 35°C，熔料温度为218°C。使用中面网格进行分析。

图6 模型网格

对于此案例，使用图 7 所示的退火曲线。

图7 退火温度曲线

图8 显示了翘曲计算结果（有退火和无退火）。对于该案例，退火后翘曲有所减少。

图8 有无考虑退火结果

以上就是关于退火的仿真分析流程介绍。

参考文献：

1. Zhiliang Fan, Russell Speight. Effect of Stress Relaxation on Shrinkage and Warpage of Injection Molded Parts, SPE ANTEC Proceedings, Orlando, Florida (2018)

2. W. F. Zoetelief, L. F. A. Douven & A.J. Ingen Housz, Residual Thermal Stresses in Injection Molded Products, Polymer Engineering and Science, 36, 1886-1896(1996)

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