大綱

纖維排向?qū)Ξa(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有顯著影響，史丹利百得團(tuán)隊(duì)在研究一款添加30%碳纖維之PA66制成的錘釘產(chǎn)品，其外殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否足以通過測試。要評(píng)估纖維排向之于產(chǎn)品機(jī)械性質(zhì)的影響不是一件容易的事情，因此史丹利百得團(tuán)隊(duì)透過整合模流及結(jié)構(gòu)分析仿真工具，獲得關(guān)鍵分析數(shù)據(jù)，以利執(zhí)行精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)分析，確保產(chǎn)品整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

挑戰(zhàn)

• 評(píng)估纖維排向?qū)?duì)象強(qiáng)度之影響

• 判別產(chǎn)品應(yīng)力集中區(qū)域

解決方案

透過Moldex3D FEA界面，史丹利百得團(tuán)隊(duì)將射出成型過程中受流場方向影響的纖維排向結(jié)果輸出至Altair Multiscale Designer，再映像到Altair Radioss進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

效益

• 觀察因纖維之非等向性行為而引起的翹曲

• 找出潛在的應(yīng)力集中處

• 優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

案例研究

如何生產(chǎn)輕量化又能符合成本效益的產(chǎn)品，是制造業(yè)共同面臨的挑戰(zhàn)，。要優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)以達(dá)到此目標(biāo)，就必須仰賴塑料材料工程和CAE軟件的協(xié)助。然而結(jié)構(gòu)分析CAE軟件在支持塑料射出材料的非等向特性上，還是有一定的難度。

史丹利百得團(tuán)隊(duì)利用Moldex3D以及Altair Radioss來分析錘釘外殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(圖二)。本產(chǎn)品由含30%碳纖維的PA66所制成，必須要通過300,000次使用壽命試驗(yàn)。透過兩種分析軟件的整合，可預(yù)測出纖維排向?qū)Ξa(chǎn)品強(qiáng)度的影響，并將結(jié)果應(yīng)用于優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

圖一 本案例之錘釘產(chǎn)品

圖二 本案例產(chǎn)品設(shè)計(jì)

首先透過Moldex3D模擬，獲得射出成型模擬結(jié)果及纖維排向信息。藉由模擬結(jié)果，史丹利百得團(tuán)隊(duì)進(jìn)行澆口位置評(píng)估及確認(rèn)豎澆道壓力、包封和翹曲都能符合要求(圖三)。更重要的是，透過Moldex3D FEA接口功能，將纖維排向結(jié)果之非等向材料特性，輸入至動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析軟件。

圖三 使用Moldex3D評(píng)估產(chǎn)品的豎澆道壓力、包封、翹曲和纖維排向

接下來使用等同性材料模型在Radioss進(jìn)行仿真測試，以測試邊界條件和模型。待模擬完成后，輸出網(wǎng)格以進(jìn)行后續(xù)的Moldex3D纖維排向結(jié)果映射。

再來要將Moldex3D的纖維排向結(jié)果映射到Radioss網(wǎng)格上。首先將Moldex3D網(wǎng)格輸入至Radioss，便可載入纖維排向結(jié)果。隨后Moldex3D網(wǎng)格就會(huì)被刪除，由Radioss網(wǎng)格取而代之，而纖維排向則映射于其上。此模型隨后將輸出至Multiscale Designer(圖四)。

圖四 Moldex3D纖維排向結(jié)果映射至Radioss網(wǎng)格

史丹利百得于Multiscale Designer 中設(shè)定材料模型和特征，并將組成Unit cell model定義為不連續(xù)纖維構(gòu)造。接著輸入塑料和纖維材料特性，并在三種不同流動(dòng)方向上，將來自Moldex3D的纖維排向張量設(shè)置于厚度方向6層之迭層網(wǎng)格中(圖五)，同時(shí)也設(shè)定了非線性材料特性。最后建立材料檔和纖維排向檔，以利進(jìn)行Radioss模擬。

圖五 Radioss中于三個(gè)流動(dòng)方向的迭層方式設(shè)置

無纖維排向和有纖維排向的結(jié)果分別代表等向性和非等向性材料特性，二者的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果皆不同，纖維排向所影響的材料特性，會(huì)導(dǎo)致不同的變形行為。此外，纖維排向結(jié)果也顯示出在某些等向性材料模型所無法偵測到的特定區(qū)域，有高度應(yīng)力集中的問題(圖六)。

圖六 不同于非等向性材料特性，等向性材料模型無法偵測到高度應(yīng)力集中問題。

結(jié)果

綜上所述，Moldex3D提供了一個(gè)良好的工具，幫助用戶評(píng)估產(chǎn)品設(shè)計(jì)。經(jīng)由本案例，史丹利百得團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)等向性材料模型是不足以反映真實(shí)材料的特性。透過結(jié)合Moldex3D的纖維排向分析和結(jié)構(gòu)分析軟件，有助了解纖維強(qiáng)化塑料產(chǎn)品實(shí)際的變形行為。除此之外，更可在實(shí)際生產(chǎn)前驗(yàn)證和減輕產(chǎn)品重量，強(qiáng)化產(chǎn)品脆弱區(qū)域，并優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。