塑料制品结构设计

null注射成型制品结构设计注射成型制品结构设计北京化工大学 材料科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 2005.11.28苑会林目 录目 录（一）绪论 （二）阐述产品结构要求 （三）支撑条件 （四）设计时的假设及简化 （五）应力集中因子 （六）结构分析 （七）剪切应力 目 录目 录（八）压力容器与管道 （九）圆柱形、环形及拱形的弯曲 （十）平板单向加强肋 （十一） 加强肋的设计 （十二）单向加强肋 （十三）使用多根加强肋需要考虑的因素 （十四）支撑板的设计分析 目 录目 录（十五）网状加强肋 （十六）塑料弹簧设计 （十七）搭扣设计的改进 （十八） 安装搭扣的速度 （十九）新的搭扣盈利变形分析 （二十）典型的搭扣设计 （二十一）设计园形搭扣（一）绪论 （一）绪论 分析产品的结构可用于确定外力作用在产品上的方式，所得到的信息然后就可以用于产品的设计和挑选用于制造制品的材料 通过使用正确的设计方程来分析产品所受到的力，确定应力－应变曲线、作用在产品上的扭矩和动量。 （一）绪论 （一）绪论 确定产品的形状、强度、物理性能及选择塑料产品的材料作用在物体上的力和在物体内产生的应力 （一）绪论 （一）绪论 确定产品的生产方式 关联到产品的最终成本、设计、装配和生产方法 考虑产品的多功能及性能 分析材料的选择、组成形状、发生蠕变的因素及产品的设计 设计出来的产品要确保其在内外装配的时候，产生的力不超出材料的塑性或弹性限度 （二）阐述产品结构要求 （二）阐述产品结构要求 最大允许应力应该被限制为在操作条件下塑料物理性能的75％ 通过增加新的高强度树脂复合物，设计者有可能有效地减少制品的重量、降低制品的成本和增加制品的可靠性 作用在产品上的变化的和难以预测的力 作用在产品上的变化的和难以预测的力 应力诱导产生应变（蠕变） (a)压力配合引起的螺纹座周围环向的应力和应变（蠕变） （b） 螺纹扭矩对螺纹座孔产生的压缩力和应变 应力诱导产生应变（蠕变） (a)压力配合引起的螺纹座周围环向的应力和应变（蠕变） （b） 螺纹扭矩对螺纹座孔产生的压缩力和应变 （三）支撑条件 （三）支撑条件 4.设计时的假设及简化 4.设计时的假设及简化 设计塑料产品时可使用下面的假设及简化条件: ⑴对产品进行分析时，可以把产品分成多个简单的结构进行独立地分析，例如，横杆、板、圆柱或者压力容器。 ⑵使用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 设计方程时，要假设该材料是线性弹性的、同质性的和各向同性的。4.设计时的假设及简化 4.设计时的假设及简化 ⑶在使用标准设计方程时，假设受到的力是一种简单的集中或者是均匀分布的静态载荷。在一段短的时间内，将力缓慢施加在产品上，然后将外力撤消。对于持续性负荷作用的情况，负荷作用会导致蠕变、松弛和疲劳；这时候在使用符合实际使用条件的设计方程时，需要使用正确的材料模量或者断裂强度值。设计者能从材料供应商获得这方面的数据——这些数据是供应商对他们每一种材料在某些特殊条件下进行试验获得的。4.设计时的假设及简化 4.设计时的假设及简化 ⑷分析的产品没有模塑应力或残留材料应力。这些与外力无关联的应力能稍微降低一种产品和材料所能承受的允许外力。所有的塑料产品上都存在有加工应力。按照材料供应商推荐的方法，设计良好的产品和模具、确定合适的加工工艺都能减少制品的加工应力。 ⑸设计方程适用于结构的各个部分。这包括负荷作用的点或制品的其他部分。当在制品某部分的弯角、基座和孔的厚度发生了改变，就必须计算出这些位置的应力集中因子，且在产品设计中要考虑。应力集中在截面变化处的影响 应力集中在截面变化处的影响 注射成型设备与工作原理注射成型设备与工作原理5.应力集中因子5.应力集中因子应力集中因子 应力集中因子 在计算出这些截面的应力后，就能用下面的公式计算这些点的总截面应力。 σA＝σwKt 以上： σA＝半径范围内的应力 σw＝冲击处产生的应力 Kt＝应力集中因子 用这种分析方法，来分析受到冲击载荷的产品时，就能分析出产品的角及发生变化的截面处的强度和材料的适宜性。 应力集中系数应力集中系数6.结构分析 6.结构分析 ⑴拉伸应力——拉伸力除以截面积 拉伸应力 S＝F/A＝力/面积 lb/in.2 或kg/cm2 ⑵弯曲应力——弯曲时的最大应力，公式如下： 弯曲应力(lb)=S=My/I=M/Z=力矩/截面模量 以上：M=力矩(lb) M＝FL(米·千克)(力乘以作用点的力臂) Z＝I/y＝截面模量(in.的立方次或厘米的立方次) I=横截面对中心轴的惯性矩 2.截面性能数据计算公式2.截面性能数据计算公式扭转剪切应力扭转剪切应力扭转剪切应力(л)定义如下： л＝Tc/J 以上：T＝外加的扭矩(in.·Ib) c＝截面的中心到该制件的最外部的距离 J＝惯性力矩(in.或厘米) 表10.2 中可得到扭转剪切的各种参数 扭矩扭矩从表10.3可以看出，如果是一根圆形转轴，惯性力矩乘以2就是极性惯性力矩。转轴的弯矩就是转轴进行有角度的旋转(扭曲的角度，为了便于分析假定转轴的一端是固定的)(θ，用弧度来表示)。 扭矩就是力的弯矩；它表示了从旋转轴到力作用点的半径数量的矢量积。扭矩使力作用的轴产生旋转，这种旋转会导致制件的扭曲，除非在设计时能限制截面的刚度： 以上：L＝转轴的长度，in. E=弹性模量(拉伸模量)(psi) γ=泊松比(如果不知道的话，使用0.35) 表10.8比较了不同结构形状的抗弯曲和扭转性，可作为制品设计考虑的因素。杆的刚性和扭曲刚度杆的刚性和扭曲刚度表10.3 表10.3 剪切应力 剪切应力 每种材料受到剪切力作用的反应行为不一样。高伸长率(＞5％)的材料受到剪切力的作用发生拉长和伸展，导致塑性断裂。低伸长率的材料通常会发生脆性破坏，没有什么伸展，通常是在45度角的边缘或承受负荷的截面上发生脆性破坏。 剪切应变就是在弹性体内产生的方向相反但平行于制品表面各种力作用都能出现剪切，例如，拉伸力、弯曲力和压缩力都会产生剪切作用。在设计时，制品的几何 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 是考虑抗剪切力的一个主要因素。在遇到剪切力的应用场合时，一般建议使材料的安全因子增加2到3倍，以抵消剪切对产品的影响。剪切应力应变剪切应力应变压力容器与管道 压力容器与管道 当施加压力时，压力容器、软管、管道及其配件会受到正常的压力、拉伸、弯曲、压缩和剪切；可能还伴随有环向、径向与轴向应力。表10.5列举了分析这些应力的方程。 分析受到应力的制品可分为厚壁与薄壁两种情况。设计者必须确定哪一些方程适合分析产品，但是有时候不是很容易能确定的。在分析产品之前，必须要保证的每一组方程符合条件。 设计者必须知道密封产品的方法。这包括了解容器里的压力是恒定不变的、还是交变的、还是紊乱波动的。设计者也必须知道容器能承受的最大压力及其工作压力，还必须知道增压时间。如果产品是暴露在户外时，环境也是一个因素。一个游泳池的过滤水用的储存罐会受到太阳光的照射、暴露在户外和受到净化水池的化学物质的影响。在净化水池的过程中，它也会受到因突然增加的压力产生的内部冲击力。在设计时，必须把产品一定会受到的力及其力作用的方式和作用的时间、周期以及试验时的其他变化一起加以考虑。无论产品受到何种破坏，例如开裂、破裂，都有可能导致出现产品责任诉讼；设计者必须考虑该消费产品不会出现这些问题。 压力容器应力和变形公式压力容器应力和变形公式9.圆柱形、环形及拱形的弯曲9.圆柱形、环形及拱形的弯曲圆柱、环形及拱形这些结构受到压缩力，它们作为支撑构件带有不同的末端连接方式。圆柱会因为发生弯曲和扭曲而受到破坏。圆柱的长度越长，它发生弯曲的倾向性越大。构件的截面模量(Z)是用来衡量细长圆柱截面的抗弯曲能力。短圆柱会因在压力作用下受到挤压和剪切力的作用而受到压缩破坏。环在径向上可能会受到压缩力，在纵向上可能会受到拉伸力或者压缩力。压缩应力压缩应力压缩应力Sc=F/A 随着圆柱的长度慢慢地增加，弯曲就有可能成为产品破坏的一种主要方式。设计者必须考虑到每种破坏的可能性，以确定该制件设计是否合理。 假设一根长为L的细的、末端为圆形的且没有摩擦的圆柱，受到缓慢增加的力(F)的作用，圆柱被压缩(见表10.6中的例子，圆柱的两端都被铰链固定)――根据虎克定律，增加力直至达到一个临界应力时――再增加一点力都会使圆柱变弯曲： Pcr=π2EI/l2＝适合于具有圆形末端且不固定的圆柱的欧拉公式 当Pcr的值小于允许的压缩力时，欧拉弯曲方程适用：F=ScA。Sc是该材料的允许压缩应力。分析不同的应用条件对确定Pcr是非常重要。柱、环、拱形的弯曲柱、环、拱形的弯曲平板 平板 许多产品都有用于自撑的或承受外负荷的很宽的表面。当设计一件产品时，可以认为该表面区域为平板，该区域通常没有充分使用来帮助支撑和增强产品的其他部分。当设计者用平板设计方法来设计机架和支撑结构时，能减少产品的重量，进而设计出一件更加坚硬、更加合理的产品。 弯曲的表面能自我支撑，可以消除在结构中使用辅助支撑的必要性。当有必要的时候，在模具里设计加强肋来增强产品，可能会稍微增加一些模具和材料的成本。 平板的公式平板的公式11 加强肋的设计 11 加强肋的设计 当使用内部加强肋来增强塑料制品时，必须从两方面进行分析。如果从内部美观的角度出发或者要求产品的表面必须光滑，没有一点比较明显的瑕疵或者变形，必须仔细设计加强肋的结构，以消除任何成型后出现的表面问题。如果加强肋设计不当，可能导致表面出现缩痕或者使用者能在产品的表面看见加强肋的大致轮廓。加强肋设计 加强肋设计 消除肋对表面的影响消除肋对表面的影响如果设计非常合理，就能减少这些影响或者通过各种方法的处理来掩盖这些表面影响。 将表面制成看起来有纹路的表面。越光滑的表面，就越不容易隐藏内肋的影响 当控制好成型温度，且紧密控制住成型过程中的工艺参数时，就能减少设计良好的加强肋在高度光滑表面的影响。 与无定形塑料和热固性树脂相比，在消除加强肋表面影响方面，晶体与增强树脂有更大的困难。这是因为晶体与增强型树脂有更高的模塑收缩率。 对于无定形树脂来说，出现外观及弯曲的问题更少； 热固性加强肋结构能增加刚度及承受负荷的强度。加强肋的优点加强肋的优点使用这种类型的加强肋会急剧地减小产品的重量；产生更加薄的板的截面，并且缩短了成型周期。当截面厚度超出材料推荐使用的壁厚时(如表10.8所示)，或者必须要消除产品的变形现象时，就需要考虑加强肋了。最终使用产品的 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 能显示肋骨的设计是否很合理。最开始的时候，最好是设计小的加强肋，因为加强肋可以根据设计要求来增加其大小。推荐使用的截面厚度推荐使用的截面厚度加强肋对杆的影响 加强肋对杆的影响 null对于成型时的模具加工来说，相对容易一点，这是因为它只需增加加强肋的大小就可以了。根据图10.11，我们能知道加强肋的大小是以该产品的壁厚(W)为基础的——加强肋的厚度(T)就是W的一个百分数。作为结构的功能要求，一个加强肋的高度，通常来说，最大值是1.5W到5W之间。图10.12列举了加强肋合适的比值。 有很多形式的加强肋，这主要的是单向的和网格的加强肋。加强肋的比例是由产品的结构要求决定的。但是如果加强肋过多的话，那么对成型与美观方面的要求就变得更加重要。最好使用几种更小的，比例非常合适的加强肋，而不使用一个大的，以满足结构与美观两方面的要求。 （三）例题（三）例题例10.1．平板的设计 在室温下，设计一能承受8Ib集中负荷的机器帽。题解题解在设计分析时，我们可以把它描述为一段从产品上切下来的均匀横杆，这段横杆的壁厚均为0.100in.，如图10.13所示。用标准横杆方程计算出最大应力为7207Ib/in.2；当假定室温下弯曲模量为250000Ib/in.2时，最大的变形量为1.728in.。对于所选择的材料来说，变形和应力都是不可满足的。为了增加刚性，可以通过减小变形、应力及选择一个加强肋截面来实现。最初选择的加强肋的尺寸为：宽为0.04in.，高为0.50in.，反面为一光滑表面。如表10.9所示，选择加强肋两侧0.5°锥度的设计，便于脱模且能减少材料的用量。使用新的截面尺寸来计算新产品的应力与变形；应力就减少到3000Ib/in.2，变形量减少到0.072in.。仅使产品重量增加25％还是可以接受的。没有加强肋时，就应该考虑增加板的厚度，厚度为0.287in.的板要求产品的重量增加240％。 13使用多根加强肋需要考虑的因素 13使用多根加强肋需要考虑的因素 为了帮助设计者设计多加强肋板，已经推导出一些无量纲比值曲线。这些曲线把平板结构与具有一样刚性与强度的单向多加强肋结构进行比较。图10.14－10.17分别是具有60%和75%加强肋的板的曲线。在分析平板时可以把平板分成许多大小一样的小块截面，然后计算出较小截面的惯性力矩，最后与相同的加强肋的截面相比较。 这些无量纲比值曲线是根据变形的量与板的壁厚的比值(Wd/W)与应力与板的壁厚的比值(Ws/W)之间的关系得出的。曲线所对应的横坐标(X，水平轴)表示加强肋的高度与板的厚度的比值(H/W)。图10.18列举了加强肋与板横截面的一些专业用语如下： t=T－2Htanα； A(加强肋的面积)＝BW+H(T+t)/2 以上：Wd 代表了变形的厚度，而Ws代表了受应力作用的厚度。 当量厚度－－变形的关系 当量厚度－－变形的关系 14支撑板的设计分析 14支撑板的设计分析 这些变形与应力曲线是通过一块宽为B的加强肋截面与等宽的平板得出来的。得到的曲线是描绘加强肋的高度与平板的厚度的比值，所得到的曲线就是分析板的总宽度(B)，在图10.14与10.15中，是用它们的惯性力矩方程除以加强肋的数量，再除以加强肋的厚度。这些曲线所对应的Y轴描绘的是变形量与板厚度的比值(Wd/W)点或是应力与整个板厚度的比值(Ws/W)，而曲线所对应的X轴描绘的是加强肋高度与板厚度的比值(H/W)。 用术语BEQ来定义单独一个肋在整个结构中的分数，如下： BEQ＝截面(B)的总宽度/加强肋的数量(n)＝B/n 相比通过进行大量的试差法来计算变形与应力来确定加强肋的高度相比，这些曲线无疑能简化板的设计。 当量厚度－－变形的关系 当量厚度－－变形的关系 例10.2例10.2用塑料材料取代原先铝制的支撑设备的帽。它的一端被固定且在其最上面承受均匀的且为40Ib的负荷。选取的替代材料为改性的聚苯醚树脂(PPO)或者Noryl树脂。设计是在室温条件下。 题解题解设计者要计算出帽壳材料的厚度；如果过厚的话，就要使用当量的加强肋来代替，如图10.19所示。 铝的弯曲模量Ea=10.3×106 psi PPO的弯曲模量Ep＝3.6×105 psi PPO壁厚＝Wd( 未知) 铝壁厚＝0.15in. 具有相同刚性的PPO盖的厚度，由每种材料的产品的模量与板厚度的立方次的乘积来确定的。 Wd=0.453in.－以PPO为材料的板的厚度铝和PPO的刚性换算铝和PPO的刚性换算12 网状加强肋 12 网状加强肋 13设计塑料弹簧 13设计塑料弹簧 搭扣设计的改进 搭扣设计的改进 锥形杆的设计 锥形杆的设计 安装搭扣的速度 安装搭扣的速度 也应该考虑搭扣安装的速度。对于那些低伸长性高模量的增强材料来说非常重要。自动化安装的时候，通常仅持续几分之一秒的时间，就不可能使材料有足够的时间来吸收安装产生的能量，可能使产品开裂活破坏。应该测试安装的速度，以避免材料在安装的时候发生断裂。配合件固定时应该对正，并且也应选择好的安装速度，以确保在安装过程中材料不会受到过应力。测试将会得到固定所用的力大小的要求及装配的速度。 材料的弹性模量越大，对于一个变形横杆来说它需要的长度更长。横杆的长度是由间距和制品的形状决定的，长度的增加程度应保证材料具有较低的应力与应变。新的搭扣应力变形分析 新的搭扣应力变形分析 压接搭扣设计压接搭扣设计新的搭扣设计 新的搭扣设计 ENDEND谢谢