ansys 應力殘留的案例
殘留應力之成因與問題解析
■全鏈管理 / 蔡穎玫 博士
什么是射出成型殘留應力
什么是殘留應力？它的表象是什么？以看得見的部分可分為透明與不透明產品，不透明塑件的殘留應力表現在產品表面，常見為澆口附近的應力痕，以及肉厚變化差異較大部位的光澤不均紋路。
若為透明產品則可以利用儀器觀測產品內部的殘留應力，應力偏光儀可以快速定性地觀察到部件中殘留應力嚴重的部位，依循應力光學定律(Stress-Optic law)，觀測到的光彈條紋越密集，則材料內部儲存的應力越大。
殘留應力會造成塑件的雙折射率現象，導致不同方向的折射率差異，會影響光學塑件的成像與聚焦能力，尤其是高要求的精密光學產品，很小的雙折射率也會造成光學特性與功能的極大誤差。
除了表面質量，殘留應力也會以另一種形式顯現，有的時候可能產品脫模時沒有明顯的變形現象，但過了一段時間后，成型過程加諸于塑料的應力隨時間或高溫環境下逐漸釋放，因而造成翹曲變形、尺寸偏移、甚至破裂等問題。
對于需要進行噴涂、電鍍等表面處理的塑件，其表面未必可以觀察到殘留應力的存在，但是在噴涂溶劑的作用下，會造成應力區部位加速裂化。
塑件在電鍍程序*中，表面的殘留應力會導致預處理步驟的粗化程度不足，降低鍍層附著能力，當固定部位出現化學鍍層沉積不全造成起皮現象，就是殘留應力的關系。
*塑料電鍍基本流程：清潔→預處理→導電涂層（化學鍍層）→金屬電鍍→鍍層處理
殘留應力成因
我們知道殘留應力對塑件質量的影響，有時候看得到有時候又看不到，頗為惱人。常說知己知彼，我們必須要知道殘留應力的成因，才能有效避免，因此必須要知道塑料的本質，也就是塑料是由無數條高分子鏈組成，彼此糾結。塑料高分子類似一條很長的彈簧，在不受外力作用下，會蜷曲成一定大小的球形狀態，也就是能量最低、最穩定的結構。
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透明塑膠光學產品的殘留應力定性分析
■型創科技 / 劉文斌 技術總監
前言
當塑膠成品在應用上發生破裂或破壞時，就材料力學的觀點而言，即表示該塑膠件在破壞區域上，其所承受之應力數值總合超過了材料本身的物性強度數值。因此要解決成品在使用上的破壞或破裂問題，就必須要從增加材料物性強度或減少成品應力值來著手。塑膠制品承受的應力作用通常可依應力來源區分為「外部應力」及「內部應力」兩種，「外部應力」是成品在使用時所遭受之外力作用，此部分將視產品應用場合而定（例如塑件使用上遭受碰撞、荷重、嵌合等），通常是無法控制其程度，一般產品設計者會依照常態之外部應力值，乘上一安全系數值來設計產品的結構強度。而內部應力通常是成品在加工成型過程中所產生而留存在塑件成品內部（稱為塑件的殘留應力或成型應力）。所以要有效解決塑膠成品的破壞問題，唯有降低應力作用或提高材料強度兩種方法。
然而對于塑膠成型加工業者而言，如何使用較適當之加工條件，來防止材料強度降低及避免在加工時產生過大殘留內部應力則是現場加工人員最重要的議題。殘留應力就是指在塑膠成型過程中，因加工條件造成分子結構不是處在其最低能量的最穩定狀態下，分子鏈可能是受到流動定向影響或是受到周圍分子鏈之冷卻拘束，而呈現不穩定之高能態狀況。所以一旦有外界能量再度給予此受應力作用的分子鏈具備有足夠的動能，則此分子將極易釋放出應力而達到其最穩定的最低能階組態。塑膠成品中的殘留應力通常難以透過肉眼進行觀察，往往是在進行成品后加工制程時發生了問題或是在使用時產生了破壞，才會被發現，所以塑膠加工成型業者如何在成型階段或是在加工生產在線，藉由成品之觀測來迅速獲得殘留應力的分布信息，是目前加工上相當重要的技術。
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圖3：射出成品厚度方向應力分布狀況
殘留應力的影響
塑料成型過程所產生的殘留應力，除了會影響成品在使用上的強度外，尤其在某些二次后加工制程上（例如噴涂、電鍍等）都會容易造成產品不良現象發生。殘留應力對塑料成品的影響常見的有下列幾種：首先是成品的外觀尺寸變形及翹曲問題，由于剪切流動造成分子鏈的排向或是由于成品幾何造成流動的定向效果，在成品脫模時容易因應力松弛而造成尺寸發生變形，另外由于成品尺寸的不對稱性或在成品厚度方向冷卻收縮的不平衡性，所形成的熱應力都將造成成品在脫模后發生翹曲變形現象。此現象對于尺寸精密度有要求或有組裝搭接嵌扣性需求之塑膠射出成品，將會有尺寸配合度的問題發生。再則塑料件在使用上比例最高的破壞型式，當屬環境應力破壞 (Environment Stress Cracking,ESC) ──例如太陽 UV 光照射破壞、老化破壞、氣候性干濕冷熱循環破壞等等，對此塑料殘留應力也會造成環境應力破壞的加速。其他像塑膠件的蠕變性破壞、疲勞性破壞等，都會因為殘留應力存在而加速加快其破壞產生。
另外，塑膠件在成型過程中所產生的殘留應力，容易因為獲得外界能量或驅動力（例如受熱、照光、吸濕等）來誘發應力松弛效果，所以在塑料成型業中最常用來消除塑料內部殘留應力之方法，即是退火（或回火、annealing），將塑膠成品放入烘箱中或給予所需熱量，使定向分子鏈獲得能量而能再次重新調整分子鏈組態或相互重排以達到最低能量之穩定結構，而應力松弛的驅動力除了熱能外，如機械能、光能、化學能（溶劑作用）都可以達到同樣效果，然而在應力松弛的同時，也要考慮成品尺寸變形之嚴重性。一般殘留內部應力常常會導致成品在使用上或二次加工上發生問題，例如表面接著、表面電鍍或表面涂裝等工法，都會因為成品表面高度分子定向的高應力情況，而產生接口的不兼容性。
展開 Moldex3D模流分析之東莞理工學院利用Moldex3D異型水路降低透鏡殘留應力
東莞理工學院利用Moldex3D軟件優化菲涅爾透鏡水路設計，成功設計異型水路，使產品冷卻后溫度分布均勻；結合正交試驗得到最佳成型工藝，優化產品成型周期，降低產品應力。最終協助企業降低生產成本，提高生產效率。
挑戰
產品外觀避免有明顯縫合線、流痕等外觀缺陷
產品對表面精度要求較高，表面粗糙度須小于20nm
使產品冷卻后溫度分布均勻，降低成型周期
降低產品內部殘留應力
解決方案
陳磊博士等人使用Moldex3D Conformal Cooling及Stress等模塊多次驗證普通水路與異型水路設計，不斷進行拓撲優化，使產品經冷卻后達到溫度均勻的目的后，再透過Moldex3D對光學及殘留應力的預測，進一步優化改善工藝，快速找到最佳成型工藝方案與水路方案，大大縮短了產品的研發周期，達到產學研的目的。
效益
找到最佳異型水路布置方案，解決產品冷卻后溫度分布不均的問題
產品冷卻時間從15秒縮短至13秒
有效控制縫合線溫度，降低其對產品外觀影響
符合產品尺寸精度要求
產品殘留應力低且均勻
案例研究
與LED連接的LED透鏡是用于提高光的利用效率和發光效率，對外觀質量要求較高，應避免縫合線、流痕或其他表面缺陷；表面粗糙度也應小于20nm。 在本研究中，原始的冷卻水路設計(圖一)會導致冷卻后溫度分布不均，造成更大的翹曲及更高的熱殘留應力，且會拉長冷卻時間。
圖一 原始水路設計
原始冷卻系統的溫度和殘留應力分布如圖二和圖三所示。可以發現，熱量聚集在球體中心，因此溫度和殘留應力變化很大，被視為光學組件的缺陷。
展開 
成型條件對殘留應力的影響──流動篇
■ 全鏈管理 / 蔡穎玫 博士
前言
殘留應力為「溫度」、「壓力」及「充填時流場的速度變化」等成型條件對塑膠高分子鏈形態的綜合影響結果，本篇文章我們就來討論在產品與模具設計都沒有變動下，成型條件──「流動」對殘留應力的作用。
首先，我們先理解射出程序包含充填及保壓動作，兩階段目的不同，對分子鏈的影響也不同：
充填：極短時間內對塑料高速擠壓，高剪切率作用下分子鏈排向程度高；
保壓：塑料幾乎充滿模穴的條件下持續填料，剪切率極低但高壓作用于分子鏈而提升排向程度與被壓縮程度。
流動對殘留應力的影響
為了更具體地觀察高分子鏈在充填流場中的變化，讓我們對模穴內的厚度方向做一剖面，可以看到熔膠在厚度中心有最快的流動速度，其波前就像噴泉般地流動，越靠近模壁流動速度越慢，并在塑件表面也就是模壁處形成不流動的固化層。
探究厚度方向塑料流動速度差異的原因，是因為塑膠導熱效果極差（約為金屬的1/1000），當模具金屬及冷卻水管的熱傳作用已把壁面處熔膠的熱量帶走，但模穴內仍保有相當高的溫度，由剖面的溫度分布可看到，模壁處塑料處于固化溫度，越往內部溫度逐漸爬升，到達固化層厚度時溫度最高，再往中心的塑料溫度會稍降，但仍維持高溫以持續完成充填保壓程序。
在固化層厚度部位出現最高溫的原因，是因為此為塑料固態與流動態的界面，界面一端為靜止狀態，但另一端仍保有移動性，兩者速度差極大，兩相接觸時摩擦生熱貢獻出高溫分布于此，充填速度越快此摩擦升溫的程度越高。正因為界面兩端的速度差異極大，此處也正是厚度方向上最大剪切率發生的部位，此處升溫現象因而稱作shear heating。
圖1：射出成型塑膠高分子鏈定向現象分析
說明完了速度與溫度的分布，接下來更能理解充填流場對高分子鏈排向的影響。
展開 Moldex3D模流分析之優化異型水路降低LED透鏡殘留應力
東莞理工學院利用Moldex3D軟件優化菲涅爾透鏡水路設計，成功設計異型水路，使產品冷卻后溫度分布均勻；結合正交試驗得到最佳成型工藝，優化產品成型周期，降低產品應力。最終協助企業降低生產成本，提高生產效率。
挑戰
1、產品外觀避免有明顯縫合線、流痕等外觀缺陷
2、產品對表面精度要求較高，表面粗糙度須小于20nm
3、使產品冷卻后溫度分布均勻，降低成型周期
4、降低產品內部殘留應力
解決方案
陳磊博士等人使用Moldex3D Conformal Cooling及Stress等模塊多次驗證普通水路與異型水路設計，不斷進行拓撲優化，使產品經冷卻后達到溫度均勻的目的后，再透過Moldex3D對光學及殘留應力的預測，進一步優化改善工藝，快速找到最佳成型工藝方案與水路方案，大大縮短了產品的研發周期，達到產學研的目的。
效益
1、找到最佳異型水路布置方案，解決產品冷卻后溫度分布不均的問題
2、產品冷卻時間從15秒縮短至13秒
3、有效控制縫合線溫度，降低其對產品外觀影響
4、符合產品尺寸精度要求
5、產品殘留應力低且均勻
案例研究
與LED連接的LED透鏡是用于提高光的利用效率和發光效率，對外觀質量要求較高，應避免縫合線、流痕或其他表面缺陷；表面粗糙度也應小于20nm。 在本研究中，原始的冷卻水路設計(圖一)會導致冷卻后溫度分布不均，造成更大的翹曲及更高的熱殘留應力，且會拉長冷卻時間。
圖一 原始水路設計
原始冷卻系統的溫度和殘留應力分布如圖二和圖三所示。可以發現，熱量聚集在球體中心，因此溫度和殘留應力變化很大，被視為光學組件的缺陷。
圖二 原始水路系統的溫度分布
圖三 原始水路系統的殘留應力
研究團隊采用3D打印的異型冷卻水路來優化冷卻效果，共開發了兩種不同的異型水路，如圖四(a)、(b)。
展開 成型條件對殘留應力的影響──溫度及壓力篇
■全鏈管理 / 蔡穎玫 博士
溫度及壓力對殘留應力的影響
在討論完流動對殘留應力的影響后，接著我們分別來看溫度與壓力對殘留應的效應。首先是塑料溫度，在射出成型系統中有三種機制可以對塑料加溫：
射出機料管加熱器；
射出螺桿旋轉摩擦剪切熱；
塑料充填流動時的剪切熱。
溫度提升可以增加高分子鏈的運動能力，也就是增加松弛行為，因此高料溫殘留應力會較低。料溫對三個區域的影響如下：
高料溫
定向固化層A區厚度減少；
定向高剪切層B區的高分子定向程度降低；
非定向核心層C區厚度增加。
低料溫
定向固化層A區厚度增加；
定向高剪切層B區的高分子定向程度增加；
非定向核心層C區厚度減少。
而壓力對殘留應力的影響會以保壓作用為主，由于持續對模穴補充更多塑料，壓力壓縮使得高分子彼此更靠近，分子鏈之間的空間更小，所以會造成：
澆口與澆口附近產生另一次高分子鏈定向行為；
澆口附近的高分子定向情形，容易造成該區沿流動方向龜裂(crack)；
若保壓速率慢，且澆口小，則定向的高分子鏈被固化的程度會增加。
若高分子鏈之間沒有應力狀態存在（彼此的距離沒有過近或過遠），則它們彼此之間就保持著最適當的距離（能量最低的狀態）。否則會有兩種應力現象：
內部拉伸應力(internal tensile stress)：高分子鏈之間的距離比最適當距離遠時，塑件內部產生拉伸應力。
內部壓縮應力(internal compressive stress)：高分子鏈之間的距離比最適當距離近時，塑件內部產生壓縮應力。
展開 成型條件對殘留應力的影響──條件設定要點篇
? 射出壓力：高射出壓力在充填過程對塑膠會產生較大的剪切作用，因而導致較高程度的分子鏈排向及應力，因此射出壓力不宜過高；
? 保壓壓力：保壓階段熔膠溫度降低時，其黏度瞬間拉高，此時若施加高保壓將強迫分子鏈排向，造成澆口附近出現嚴重的排向應力，因此保壓壓力對殘留應力的影響大于射出壓力。
圖1：塑膠高分子鏈排向與充填速率關系
除壓力大小，保壓時間長短也需一并考慮，時間拉長會增強熔膠的剪切作用，更多具有排向應力的分子鏈結構會被凍結，導致較大的彈性變形，所以塑件的殘留應力會隨保壓時間延長和補料量增加而顯著增大。
由于保壓階段模穴內部已近乎充滿塑膠，應控制射出壓力并適當調整保壓壓力與保壓時間，使開模時模內的殘留壓力接近于大氣壓力，以避免產生更大的脫模殘留應力。
充填與保壓參數設定考量
? 充填速度：依充填部位分為多段設定，其中為消除澆口噴流痕考量，第二段通過澆口時將射速放慢，待熔膠進入澆口后再提速充飽部品；而末兩段射速緩降，是為了防止毛邊與穩定切換保壓前的射出壓力；
? 保壓壓力：一般設定兩段保壓，分別考量尺寸精度與應力消除；然而若第一段設定值與V/P切換瞬間的壓力差異過大時，有可能產生縮水或毛邊現象。
圖2：充填速度與保壓壓力設定參考
結果與討論
總的來說，塑件殘留應力是受到射出成型條件的綜合影響，其中溫度的作用較大：
? 模溫對殘留應力影響較大，較高模溫殘留應力較低；
? 料溫對殘留應力影響較小。
塑膠加工特性也會影響殘留應力大小：
? 熱傳系數較高或熱傳導性較佳，則殘留應力較小；
? 熱膨脹系數或彈性模數較高，則殘留應力較小。
展開 ANSYS后處理中的應力與屈服準則！
ansys后處理該看的那些應力
01
應力
材料發生形變時，內部產生了大小相等但方向相反的反作用力，抵抗外力把分布內力在一點的集度稱為應力 (Stress)，應力與微面積的乘積即微內力或物體由于外因（受力、濕度變化等）而變形時，在物體內各部分之間產生相互作用的內力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復到變形前的位置。我們分析后查看應力，目的就是在于確定該結構的承載能力是否足夠。那么承載能力是如何定義的呢？比如混凝土、鋼材，應該就是用萬能壓力機進行的單軸破壞試驗吧。也就是說，我們在ANSYS計算中得到的應力，總是要和單軸破壞試驗得到的結果進行比對的。所以，當有限元模型本身是一維或二維結構時，通過查看某一個方向，如plnsol,s,x 等，是有意義的。但三維實體結構中，應力分布要復雜得多，不能僅用單一方向上的應力來代表結構此處的確切應力值——就出現了強度理論學說。
材料力學中的四種強度理論
01
最大拉應力強度理論
該理論認為，材料破壞的主要因素是最大拉應力，無論何種狀態，只要最大拉應力達到材料的單向拉伸斷裂時的最大拉應力，則材料斷裂。其中，某點的最大拉應力數值，就是其第一主應力數值。
展開 ANSYS workbench泵殼熱應力分析 ￥10
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
你會得到什么：
1、學習泵殼的三維模型處理
2、學習線性熱結構耦合分析步的建立
3、學習泵殼熱結構耦合分析的載荷施加
4、學習泵殼熱結構耦合載荷的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS workbench 泵殼熱結構耦合分析。
本案例完整得提供了分析相關所有分析文件。
ansys中的節點應力
我想知道ansys中的節點應力是如何得到的？因為理論上講應力應該是針對微元體來講的，單純的節點是不存在應力的，那么ansys中結果所提供的節點應力是怎樣得到的？與單元表所顯示的應力往往存在較大差別，那實際進行強度分析的時候應該以哪個為準呢？
ANSYS如何提取某一節點的應力時程 ￥100
首先明確ANSYS的節點附加在單元上，可以通過選擇單元上節點的方法提取節點應力。
1 確定節點所在單元，顯示節點編號。
例單元號8560，節點號8678。
2 進入TimeHist Postpro, 定義變量。
3變量顯示。
付費內容為相關命令流。
ANSYS workbench中的應力到底對應什么（一）
在 ANSYS Workbench 中，“應力”（Stress）是結構力學分析中最核心的結果，它對應物體內部因外力、約束或溫度變化等因素產生的內力分布強度，具體反映了材料抵抗破壞變形的程度。
1. 應力的物理本質
從力學角度，應力是物體內部某一點處 “內力” 與 “受力面積” 的比值，數學表達式為：
σ = F / A（σ 為應力，F 為內力，A 為受力面積）
當物體受到外部載荷（如拉力、壓力、扭矩等）或約束限制時，內部會產生抵抗變形的內力，應力就是這種內力在微觀層面的 “強度體現”。
例如：一根鋼桿受拉力時，內部原子間會產生吸引力抵抗拉伸，應力越大，意味著原子間的 “拉扯力度” 越強。
2.
展開 ANSYS workbench中的剪切應力到底是什么（三）
在 ANSYS Workbench 中，剪切應力（Shear Stress） 是指物體內部平行于截面方向的應力分量，反映材料在平行于受力面方向上的 “錯動趨勢” 或 “剪切變形阻力”。它與正應力（垂直于截面的應力）共同構成了材料內部的應力狀態。
正應力 σx：表示X方向的正向應力
切應力 Txy：表示垂直于X軸的平面上方向沿Y方向的切應力
1.剪切應力的物理意義
從力學本質上看，剪切應力是由于物體受到平行于表面的力（剪切力）作用而產生的：
? 當外力試圖讓材料的兩部分沿平行方向相對滑動時（如剪刀剪斷物體），材料內部會產生抵抗這種滑動的內力，單位面積上的這種內力就是剪切應力。
? 單位為帕斯卡（Pa）或兆帕（MPa），與正應力單位一致。
2.Workbench 中剪切應力的表現形式
在 Workbench 的結構分析（如靜力學分析）中，剪切應力如何表達，通過以下案例來理解。設置一個橫梁受到上面力的作用，則截面會產生剪切效果，計算后查看結果
那么根據理解，剪切應力最大的應該發生在平行于ZY平面的截面上，那么提取結果應該看YZ的剪切應力，提取結果如下
發現YZ結果并非理解的剪切應力的云圖，經過研究發現，剪切應力的大小遵循材料力學定義的方向，如下圖所示
結果提取Txy之后的應力可以發現結果和理解的相同.
切應力 Txy：表示垂直于X軸的平面上方向向Y方向的切應力，以X的正方向來截取左側的截面為參考
τ_xy：平行于 XY 平面，方向沿 x 軸在 y 方向的錯動（或 y 軸在 x 方向的錯動）；
（分量符號的第一個下標表示應力作用面的法線方向，第二個下標表示應力方向。例如 τ_xy 表示：作用在法線沿 x 軸的截面上，方向沿 y 軸的切應力。）
展開 應力集中問題與ANSYS驗證
在工程上，應力集中的程度用局部最大應力σmax與該截面上的名義應力σnom的比值來表示，即
Ktσ=σmax/σnom
Ktσ稱為理論應力集中系數。下面，我們將通過一個典型應力集中問題——帶孔平板，使用ANSYS軟件求出最大應力和應力分布圖，并與彈性理論計算的結果進行比較：
根據彈性力學知識，孔邊環向正應力的大小是無孔時的3倍，隨著遠離孔邊而極速趨近于q。
ANSYS求解：
Step1：在SCDM中創建平面模型。
由于我們使用平面應力模型計算，所以建模時必須要將橫截面建立在xy平面上。建立一個邊長為20mm×10mm的平面模型，中間孔的直徑為2mm。我們將模型分為四部分，方便在每部分的邊界上設置Path，從而繪制應力曲線。由于該模型同時關于X軸和Y軸對稱，我們也可以使用四分之一模型建模。此處筆者使用完整模型。建立完成以后，使用share命令共享拓撲，然后點擊菜單欄Workbench→ANSYS transfer→2020R1進入Workbench。
Step2：設置分析類型（2D）。
在Project Schematic中的空白處點擊右鍵，選擇Properties，打開Properties of Project Schematic。單擊項目中的A3（Geometry）欄，在Propertiesof Project Schematic A3: Geometry中將AnalysisType切換為2D。（若Analysis Type為3D，則導入平面幾何后軟件將使用殼單元計算。）
展開 