第 2 部分 塑料CAE的要點

內容

1、什麼是塑料？

2.塑料與金屬的區別

三、塑料CAE分析的注意事項

4.總結

什麼是塑料

塑料是一個英文單詞，字面意思是“可塑性”。這是一種在施加力時容易變形並且即使移除施加的力也不會恢復其原始形狀的特性。

ISO 472 (1988) 將塑料定義為“含有高分子聚合物作為基本成分並且可以在加工成成品的某個階段通過流動賦予形狀的材料”。換句話說，塑料成型可以說是“通過加熱等手段賦予高分子材料流動性，賦予其與成品幾乎相同的形狀，然後固化並取出的加工方法。 “它在熔化、成型、凝固和取出的意義上類似於金屬鑄造。但是，塑料具有與金屬不同的性能和特性。

我上次提到CAE是為設計飛機等金屬材料而開發的。為了將 CAE 用於塑料，有必要了解塑料的材料特性。

 

■ 塑料種類

塑料的種類很多，但大致可分為“熱固性塑料”和“熱塑性塑料”。

[熱固性塑料]

加熱時變硬的塑料稱為熱固性塑料。

典型的熱固性塑料包括環氧樹脂 (EP)、苯酚 (PF)、三聚氰胺 (MF)、矽樹脂 (SI) 和聚氨酯 (PUR)。熱量引起化學變化並硬化。一旦硬化，即使再加熱也不會軟化，具有優良的耐熱性。此外，由於分子通過形成交聯結構而固化，因此它們還具有優異的機械性能和耐化學性。

但由於成型週期長，需要去毛刺等後處理，量產效果不是很好。約佔國內產量的10%左右，由於難以回收利用，在產品中的使用受到限制。

 

[熱塑性塑料]

熱塑性塑料是加熱時會軟化的塑料。

熱塑性塑膠通常用於塑膠成型。射出成型可實現連續、低成本的大規模生產。它們可以回收利用，因為它們在重新加熱時會軟化。​

熱塑性塑料根據分子結構的不同又分為結晶塑料和非結晶塑料。 

結晶性塑料具有聚合物的各部分整齊排列的結構，具有結晶性部分，由結晶性部分和非晶性部分構成。另一方面，無定形塑料不具有晶體結構（圖 3 圖像）。

結晶塑料有玻璃化轉變溫度（Tg）和熔點（Tm），而無定形塑料只有玻璃化轉變溫度（Tg）。無定形塑料​在玻璃化轉變溫度以上會迅速軟化，而結晶塑料則可以保持其硬度。然而，結晶塑料​在超過其熔點時也會迅速軟化（圖 3，右）。

結晶塑料具有緻密的晶體，可以漫射光線，導致透明度低，耐化學性和抗疲勞（蠕變）性高。無定形塑料​往往高度透明，易於塗漆和粘附。

 

通常用於成型的熱塑性塑料通常被稱為“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屬於結晶性樹脂，PS、ABS屬於非晶性樹脂。

100°C或更高的耐熱性，49MPa（500 kgf/cm2）或更高的強度以及2.4 GPa（24，500 kgf/cm2）或更高的彎曲模量被稱為“工程工程塑膠”。在設計產品時，當通用塑膠不能滿足強度和耐熱性等要求時，選擇工程塑料塑膠。

典型的例子包括聚酰胺 (PA)、聚甲醛 (POM) 和改性聚苯醚 (m-PPE)。圖 4 從左到右顯示了 PA、POM 和 m-PPE 的結構和特性。其中，PA和POM屬於結晶性塑料，m-PPE屬於非晶態塑料。

→ 詳細了解“聚酰胺”

→ 詳細了解“聚甲醛”

→ 詳細了解“改性PPE”

 

比工程塑膠具有更高的機械強度、耐化學性和耐熱性的高性能樹脂。超級工程塑料（超級工程塑膠）叫。即使在150°C或更高的高溫環境中也能保持機械性能。典型的例子包括液晶聚合物（LCP）和聚苯硫醚（PPS）。

近年來，已開發出各種塑料，包括含有玉米等植物成分的生物質塑料，以及可被微生物分解的生物降解塑料。

塑料和金屬的區別*

*從現在開始，“塑料”指的是熱塑性塑料。

■ 結構

金屬的結構由大量原子（Al、Fe、Cu等）有序排列形成晶體（圖6）。帶負電荷的自由電子在原子核（正離子）周圍自由移動，將原子牢固地結合在一起。這稱為金屬鍵。

另一方面，塑料處於單體的聚合狀態，每個單體都有不同的分子相互共價鍵合。這叫做聚合物（polymer），也叫分子鏈，因為分子像鏈條一樣長連接在一起。塑料的內部處於這種聚合物纏繞在一起的狀態，並且具有結晶和非晶部分等各種結構。這種結構上的差異會影響熔點、物理性質、玻璃化轉變溫度等。

 

■ 物理特性

塑料和金屬的物理特性比較如下表所示。

塑料的第一個普遍特徵是它們比金屬輕。它大約是鋁重量的1/2到1/4，是鋼和銅重量的1/7到1/10。因此，通過用塑料代替金屬，可以減輕重量。

有一種印象認為塑料比金屬更堅固，但根據等級和類型，塑料可能更堅固。但是，金屬的彈性模量（變形困難）更高，與鋁和旭化成的聚酰胺樹脂 LEONA™ ^14G33（聚酰胺 66，玻璃纖維 33%）相比，鋁高七倍。我在這。

金屬一般都有很高的閃點和燃點，很難燃燒，但塑料的燃燒溫度較低。另一方面，與金屬相比，塑料的導熱率非常低，比熱（使物質升溫所需的熱量）高，因此​可以期待其隔熱效果。

 

■ 溫度特性

一般非耐熱塑料（PP：聚丙烯）的熔點為170℃，而金屬（不銹鋼）的熔點為1450℃，兩者相差無幾。因此，即使是輕微的溫度升高，塑料的材料特性也會很敏感。

金屬和塑料都具有粘彈性，但金屬只有在幾百度或更高的溫度下才會表現出粘彈性，而塑料即使在室溫變化 10 到 20 度時也會受到影響。這種粘彈性會影響拉伸模量和斷裂伸長率等因素。稍後將討論粘彈性質。

溫度特性與溫度不成正比，而是在特定溫度如玻璃化轉變溫度（Tg）附近快速變化，如圖9所示。在低溫下，塑料中的結晶部分和非晶部分都不能移動和移動柔韌性低（玻璃態）。隨著溫度的升高，非晶部分開始移動的溫度稱為玻璃化轉變溫度（Tg）。熔點（Tm）是溫度進一步升高，結晶部分可以自由移動的溫度。換句話說，塑料在低溫下失去柔韌性而變脆，在高溫下軟化並失去硬度。正是塑料的這些溫度特性，導致塑料容器放在冰箱裡會出現裂紋，塑料在微波爐裡加熱會變形。

塑料的熱膨脹係數因材料不同而有很大差異。將具有不同膨脹係數的零件連接在一起，會導致溫度變化時的膨脹和收縮量不同。由此產生的熱應力會導致變形和裂紋（圖 8）。

金屬會腐蝕，但塑料會變質而不是腐蝕。受熱會加速劣化，因此設計塑料製品時需要注意使用環境。

 

■ 粘彈性

・什麼是粘彈性？

粘彈性是一種結合了彈性和粘性的特性。彈性是一種力和變形成正比的特性，就像橡膠被拉動時會伸展，鬆開時會恢復到原來的形狀。粘性是變形隨時間進行的特性，就好像粘土在左右拉動時被拉伸一樣。粘彈性塑料結合了這兩種特性，在快速施加力時表現得像橡膠，在緩慢施加力時表現得像粘土。

如上所述，塑料和金屬都具有粘彈性，但金屬只有在幾百度的溫度下才會表現出粘彈性。由於塑料的溫度特性，需要充分評估金屬不需要過多關注的現象。這些是蠕變和應力鬆弛。

<蠕變>

這是一種現象，當長時間對物體施加壓力時，應變會隨著時間的推移而增加。

如圖10所示，在頂部被固定的桿上剛放置重物之後，即使在產生對應於該重物的應變之後，應變也會隨著時間再次逐漸增加。這是粘性性質產生的變形。在高應力或高溫環境下，最終可能導致斷裂。

準確評價抗蠕變性較難，且易受環境影響，因此希望塑料製品的設計盡量避免恆載荷。

 

<壓力放鬆>

當對物體施加恆定應變時，應力隨時間減少的現象。

如圖 11 所示，當頂部固定的桿的下側鉤在地面上並施加應變 (ε ₀) 時，最初會產生高應力 (σ ₀)，但該應力隨著時間流逝。變得更小 (σ _t)。鉤到地面後，應變量 (ε ₀) 沒有變化。與蠕變一樣，這也是由材料的粘彈性引起的。

作為具體現象，存在螺釘、螺栓的軸向力和壓入部件的拔出力隨時間推移而降低的現象。在設計產品時，必須確保在其整個使用壽命期間能夠保持所需的最小負載。

 

塑料CAE分析的注意事項

■ 分析中的處理方法

塑料是粘彈性體，應變隨時間變化，但在CAE分析中進行的一般結構分析中，時間的影響被認為很小，因此將其視為彈塑性體。

 

■ 使用的材料數據

在設計產品強度時，了解塑料的機械性能很重要。為此，使用了應力-應變曲線（SS 曲線）。這是對材料施加力時發生的應力和應變之間關係的圖形表示。

如圖 13 所示，該圖具有復雜的非線性形狀，而不是簡單的直線（線性）。這是因為載荷與變形不成正比。這稱為材料非線性。此材料非線性問題也可以通過第 1 部分中說明的有限元方法求解。我將在下一個結構分析中更詳細地討論這一點。

塑料具有較大的材料非線性，因此必鬚根據精確的 SS 曲線進行計算。另外，由於變形量較大，計算時需要考慮接觸狀態的變化。特別是材料特性隨溫度變化很大，因此需要適合環境的材料數據（SS曲線）。

塑料的特性根據類型和等級的不同而有很大差異。由於增強纖維的作用，增強等級的塑料具有高度的各向異性，因此在計算時必須考慮纖維取向。由於樹脂具有高粘度，纖維取向受流動支配，但由於受成型品形狀和澆口位置的影響，因此需要從注射等成型工藝分析中獲得纖維取向成型模擬和應力翹曲分析。我有。這將在單獨的章節中解釋。

 

■ 根據分析類型要考慮的特徵

蠕變分析考慮了粘彈性。這是因為蠕變分析需要考慮粘彈性（時間項）的本構方程，以便計算應變隨時間的增加。

此外，在影響分析中必須考慮應變率依賴性。由於塑料的強度和剛度隨應變率變化很大，因此需要有關這些應變率依賴性的數據。

我們將在未來的出版物中更詳細地討論這些主題。

概括

塑料是一種非常方便和熟悉的材料，但必須了解其基本特性才能正確設計。第一步是從理論上對我們平時接觸到的塑料的特性一一了解。

 

下一篇：”分析軟件介紹”​