第 2 部分 塑料CAE要点

内容

1、什么是塑料？

2.塑料与金属的区别

三、塑料CAE分析的注意事项

4. 总结

什么是塑料

塑料是一个英文单词，字面意思是“可塑性”。这是一种在施加力时容易变形并且即使移除施加的力也不会恢复其原始形状的特性。

ISO 472 (1988) 将塑料定义为“含有高分子聚合物作为基本成分并且可以在加工成成品的某个阶段通过流动赋予形状的材料”。换句话说，塑料成型可以说是“通过加热等手段赋予高分子材料流动性，赋予其与成品几乎相同的形状，然后固化并取出的加工方法。 “它在熔化、成型、凝固和取出的意义上类似于金属铸造。但是，塑料具有与金属不同的性能和特性。

我上次提到CAE是为了设计飞机等金属材料而开发的。为了将 CAE 用于塑料，有必要了解塑料的材料特性。

 

■ 塑料种类

塑料的种类很多，但大致可分为“热固性塑料”和“热塑性塑料”。

[热固性塑料]

加热时变硬的塑料称为热固性塑料。

典型的热固性塑料包括环氧树脂 (EP)、苯酚 (PF)、三聚氰胺 (MF)、硅树脂 (SI) 和聚氨酯 (PUR)。热量引起化学变化并硬化。一旦硬化，即使再加热也不会软化，具有优良的耐热性。此外，由于分子通过形成交联结构而固化，因此它们还具有优异的机械性能和耐化学性。

但由于成型周期长，需要去毛刺等后处理，量产效果不是很好。约占国内产量的10%左右，由于难以回收利用，在产品中的使用受到限制。

 

[热塑性塑料]

热塑性塑料是加热时会软化的塑料。

热塑性塑料通常用于塑料成型。注塑成型可实现连续、低成本的大规模生产。它们可以回收利用，因为它们在重新加热时会软化。​

热塑性塑料根据分子结构的不同又分为结晶塑料和非结晶塑料。 

结晶性塑料具有聚合物的各部分整齐排列的结构，具有结晶性部分，由结晶性部分和非晶性部分构成。另一方面，无定形塑料不具有晶体结构（图 3 图像）。

结晶塑料有玻璃化转变温度（Tg）和熔点（Tm），而无定形塑料只有玻璃化转变温度（Tg）。无定形塑料​在玻璃化转变温度以上会迅速软化，而结晶塑料则可以保持其硬度。然而，结晶塑料​在超过其熔点时也会迅速软化（图 3，右）。

结晶塑料具有致密的晶体，可以漫射光线，导致透明度低，耐化学性和抗疲劳（蠕变）性高。无定形塑料​往往高度透明，易于涂漆和粘附。

 

通常用于成型的热塑性塑料通常被称为“通用塑料”。典型的例子是聚丙烯 (PP)、聚乙烯 (PE)、聚苯乙烯 (PS) 和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS)。其中，PP、PE属于结晶性树脂，PS、ABS属于非晶性树脂。

耐热性达到100°C或更高，强度达到49兆帕（500公斤英尺/平方厘米）或更高，弯曲模量达到2.4GPa（24,500公斤英尺/平方厘米）或更高，被称为"工程工程塑料。"在设计产品时，当通用塑料不能满足强度和耐热性等要求时，会选择工程塑料塑料。

典型的例子包括聚酰胺 (PA)、聚甲醛 (POM) 和改性聚苯醚 (m-PPE)。图 4 从左到右显示了 PA、POM 和 m-PPE 的结构和特性。其中，PA和POM属于结晶性塑料，m-PPE属于非晶态塑料。

→ 详细了解“聚酰胺”

→ 详细了解“聚甲醛”

→ 详细了解“改性PPE”

 

比工程塑料具有更高的机械强度、耐化学性和耐热性的高性能树脂。超级工程塑料（超级工程塑料）叫。即使在150°C或更高的高温环境中也能保持机械性能。典型的例子包括液晶聚合物（LCP）和聚苯硫醚（PPS）。

近年来，已开发出各种塑料，包括含有玉米等植物成分的生物质塑料，以及可被微生物分解的生物降解塑料。

塑料和金属的区别*

*从现在开始，“塑料”指的是热塑性塑料。

■ 结构

金属的结构由大量原子（Al、Fe、Cu等）有序排列形成晶体（图6）。带负电荷的自由电子在原子核（正离子）周围自由移动，将原子牢固地结合在一起。这称为金属键。

另一方面，塑料处于单体的聚合状态，每个单体都有不同的分子相互共价键合。这叫做聚合物（polymer），也叫分子链，因为分子像链条一样长连接在一起。塑料的内部处于这种聚合物缠绕在一起的状态，并且具有结晶和非晶部分等各种结构。这种结构上的差异会影响熔点、物理性质、玻璃化转变温度等。

 

■ 物理特性

塑料和金属的物理特性比较如下表所示。

塑料的第一个普遍特征是它们比金属轻。它大约是铝重量的1/2到1/4，是钢和铜重量的1/7到1/10。因此，通过用塑料代替金属，可以减轻重量。

有一种印象认为塑料比金属更坚固，但根据等级和类型，塑料可能更坚固。但是，金属的弹性模量（变形困难）更高，与铝和旭化成的聚酰胺树脂 LEONA™ ^14G33（聚酰胺 66，玻璃纤维 33%）相比，铝高七倍。我在这。

金属一般都有很高的闪点和燃点，很难燃烧，但塑料的燃烧温度较低。另一方面，与金属相比，塑料的导热率非常低，比热（使物质升温所需的热量）高，因此可以期待其隔热效果。

 

■ 温度特性

一般非耐热塑料（PP：聚丙烯）的熔点为170℃，而金属（不锈钢）的熔点为1450℃，两者相差无几。因此，即使是轻微的温度升高，塑料的材料特性也会很敏感。

金属和塑料都具有粘弹性，但金属只有在几百度或更高的温度下才会表现出粘弹性，而塑料即使在室温变化 10 到 20 度时也会受到影响。这种粘弹性会影响拉伸模量和断裂伸长率等因素。稍后将讨论粘弹性质。

温度特性与温度不成正比，而是在特定温度如玻璃化转变温度（Tg）附近快速变化，如图9所示。在低温下，塑料中的结晶部分和非晶部分都不能移动和移动柔韧性低（玻璃态）。随着温度的升高，非晶部分开始移动的温度称为玻璃化转变温度（Tg）。熔点（Tm）是温度进一步升高，结晶部分可以自由移动的温度。换句话说，塑料在低温下失去柔韧性而变脆，在高温下软化并失去硬度。正是塑料的这些温度特性，导致塑料容器放在冰箱里会出现裂纹，塑料在微波炉里加热会变形。

塑料的热膨胀系数因材料不同而有很大差异。将具有不同膨胀系数的零件连接在一起，会导致温度变化时膨胀和收缩的量不同。由此产生的热应力会导致变形和裂纹（图 8）。

金属会腐蚀，但塑料会变质而不是腐蚀。受热会加速劣化，因此设计塑料制品时需要注意使用环境。

 

■ 粘弹性

・什么是粘弹性？

粘弹性是一种结合了弹性和粘性的特性。弹性是一种力和变形成正比的特性，就像橡胶被拉动时会伸展，松开时会恢复到原来的形状。粘性是变形随时间进行的特性，就好像粘土在左右拉动时被拉伸一样。粘弹性塑料结合了这两种特性，在快速施加力时表现得像橡胶，在缓慢施加力时表现得像粘土。

如上所述，塑料和金属都具有粘弹性，但金属只有在几百度的温度下才会表现出粘弹性。由于塑料的温度特性，需要充分评估金属不需要过多关注的现象。这些是蠕变和应力松弛。

<蠕变>

这是一种现象，当长时间对物体施加压力时，应变会随着时间的推移而增加。

如图10所示，在顶部被固定的杆上刚放置重物之后，即使在产生对应于该重物的应变之后，应变也会随着时间再次逐渐增加。这是粘性性质产生的变形。在高应力或高温环境下，最终可能导致断裂。

准确评价抗蠕变性较难，且易受环境影响，因此希望塑料制品的设计尽量避免恒载荷。

 

<压力放松>

当对物体施加恒定应变时，应力随时间减少的现象。

如图 11 所示，当顶部固定的杆的下侧钩在地面上并施加应变 (ε ₀) 时，最初会产生高应力 (σ ₀)，但该应力随着时间流逝。变得更小 (σ _t)。钩到地面后，应变量 (ε ₀) 没有变化。与蠕变一样，这也是由材料的粘弹性引起的。

作为具体现象，存在螺钉、螺栓的轴向力和压入部件的拔出力随时间推移而降低的现象。在设计产品时，必须确保在其整个使用寿命期间能够保持所需的最小负载。

 

塑料CAE分析注意事项

■ 分析中的处理方法

塑料是粘弹性体，应变随时间变化，但在CAE分析中进行的一般结构分析中，时间的影响被认为很小，因此将其视为弹塑性体。

 

■ 使用的材料数据

在设计产品强度时，了解塑料的机械性能很重要。为此，使用了应力-应变曲线（SS 曲线）。这是对材料施加力时发生的应力和应变之间关系的图形表示。

如图 13 所示，该图具有复杂的非线性形状，而不是简单的直线（线性）。这是因为载荷与变形不成正比。这称为材料非线性。此材料非线性问题也可以通过第 1 部分中说明的有限元方法求解。我将在下一个结构分析中更详细地讨论这一点。

塑料具有较大的材料非线性，因此必须根据精确的 SS 曲线进行计算。另外，由于变形量较大，计算时需要考虑接触状态的变化。特别是材料特性随温度变化很大，因此需要适合环境的材料数据（SS曲线）。

塑料的特性根据类型和等级的不同而有很大差异。由于增强纤维的作用，增强等级的塑料具有高度的各向异性，因此在计算时必须考虑纤维取向。由于树脂具有高粘度，纤维取向受流动支配，但由于受成型品形状和浇口位置的影响，因此需要从注射等成型工艺分析中获得纤维取向成型模拟和应力翘曲分析。我有。这将在单独的章节中解释。

 

■ 根据分析类型要考虑的特征

蠕变分析考虑了粘弹性。这是因为蠕变分析需要考虑粘弹性（时间项）的本构方程，以便计算应变随时间的增加。

此外，在影响分析中必须考虑应变率依赖性。由于塑料的强度和刚度随应变率变化很大，因此需要有关这些应变率依赖性的数据。

我们将在未来的出版物中更详细地讨论这些主题。

概括

塑料是一种非常方便和熟悉的材料，但必须了解其基本特性才能正确设计。第一步是从理论上对我们平时接触到的塑料的特性一一了解。

 

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