Moldex3D模流分析之纖維配向分析模組

Moldex3D 中國

2023年10月27日 15:18

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纖維配向分析簡介

纖維強化塑料（Fiber Reinforced Plastics，FRP）因其優秀的機械性質、高強度重量比、高耐腐蝕性及高抗蠕變性，被廣泛使用為主要材料。纖維強化塑料產品的機械性質取決于纖維長度與配向，而長纖維的長度在成型時易被剪斷。此外，配向程度會造成纖維機械性質之非等向性。射出成型過程中，因流場與固化層的影響，靠近模壁的纖維會沿著流動方向排列，而遠離模壁的纖維則會與流動方向垂直。由于纖維強化塑料產品因外部負載而產生的變形、斷裂及極限強度相當難以預測，因此，設計者在考慮選用纖維強化塑料時，在產品設計上會受到一定的局限。

纖維配向的示意圖

Moldex3D纖維配向分析模塊功能導覽

Moldex3D纖維配向分析模塊協助預測纖維強化材料的纖維配向、塑件翹曲及非等向性機械性質結果。此模塊支持：

1.計算短與長纖維強化熱塑性材料（FRTP）的纖維配向。

2.修正射出成型FRTP塑件的非等向性收縮與機械特性。

3.鏈接Moldex3D翹曲分析模塊，計算FRTP塑件的三維翹曲結果。

Moldex3D將纖維配向分析整合至充填、保壓及翹曲分析模塊，在充填階段纖的維配向效應將對翹曲結果有非常重要的影響。

注意：執行纖維配向分析需要其專屬的授權。此外，Moldex3D纖維配向分析模塊支持所有Solid、Shell及eDesign網格模型。

Moldex3D纖維配向分析模塊使用Folgar-Tucker模型及其對長纖維的修正式來計算纖維配向。Moldex3D材料精靈提供適合的材料參數以產生準確的分析結果。在材料類別（material grade）的分層結構中，材料類別項目旁的標示此材料為纖維添加塑料。并且，透過將該材料加入至用戶數據庫，則能修改纖維相關的參數值。

1. 前處理 (Pre-Processing)

Moldex3D纖維配向模塊支持所有應用纖維強化材料的網格項目。其前處理階段的步驟與基本模塊相似：

步驟1：產生網格模型。

步驟2：建立新項目。

步驟3：建立新組別。

步驟4：執行分析。

以下將列出特定步驟的操作說明。

1. 建立新組別 (Create a New Run)

在計算參數的充填／保壓／冷卻／翹曲（Fill/Pack/Cool/Warp）或其他標簽中設定成型參數時，只要有選擇纖維強化材料，在充填／保壓標簽中的執行纖維配向分析（Run fiber orientation analysis）選項就會默認為自動開啟。另外，在翹曲標簽中勾選考慮纖維配向影響 (Consider fiber orientation effect)，有三種微機械模型可以選擇：傳統復合模型、Halpin-Tsai模型及Mori-Tanaka模型，這些模型的定義與描述可參閱數學模型：纖維配向的章節。

在計算參數的充填／保壓與翹曲標簽中纖維配向分析的功能設定

至于纖維配向的推算，則以Folgar-Tucker方程式為計算準則，因此，在充填／保壓分析中強制開啟方程式的計算功能，以準確仿真纖維配向的流動歷程。

注意：考慮纖維配向的模擬分析會需要較長的計算時間。

2. 纖維配向的定義 (Definition of Fiber Orientation)

單一纖維的配向向量定義為p，其機率函數為Ψ(θ, ?)，而一條纖維出現于(θ, ?)與(θ+dθ, ?+d?)之間的機率為Ψ(θ, ?)sin(θ)dθd?。此外，機率分布必須符的合物理條件如下：

1. 纖維兩端視為相同，且

Ψ(θ, ?) = Ψ(π-θ, ?+π).

2. 纖維在全部方向出現的機率總和為1

配向向量p的定義

二階纖維配向張量A_ij如下所述。

若A_ij為對稱張量，則滿足：

A_ij = A_ji ,

A₁₁ + A₂₂ + A₃₃ = 1 .

因為配向的張量矩陣是實數且對稱，所以有三個正交特征向量e₁、e₂及e₃，以及三個特征值λ₁、λ₂及λ₃，每個特征值的范圍從0到1。在配向的結果呈現上，纖維配向分布可由最大特征值及對應的特征向量點圖描述。向量的配向代表主要的纖維配向方向，且其大小（以彩色顯示）代表配向的強度。

如果配向是隨機的，最大特征值將為1/3；同理，如果纖維配向為單向，最大特征值將近于1。

3. 進階纖維參數設定 (Advanced Fiber Parameter Setting)

纖維參數可在計算參數的充填／保壓 (Flow/Pack) 卷標中的進階選項 (Advanced Options) 中進行設定。用戶可在此指定纖維型態為短纖或長纖，設置相關參數。此外這里提供三種方法以提升短或長纖維強化材料的纖維配向準確性：Jeffery Hydrodynamics；Rotary Diffusion；Fiber-Matrix Interaction。

注：如果材料的纖維數據有設定加密，則無法使用以上三種方法。