塑料导向轮蠕变变形的试验研究

塑料导向轮蠕变变形的试验研究

现在，汽车前的大部分自动升降器都是绳索车轮结构，包括导向车轮和其他塑料件。塑料件在长期使用过程中,其变形量随时间变化,出现较为明显的蠕变现象,从而影响塑料件自身的性能和寿命,进而导致汽车玻璃升降器整体使用寿命下降。因此,对塑料件进行高温蠕变非线性模拟,得到蠕变特性,为该产品的开发、检测和性能评估提供依据。如雷航等对合金环形件高温蠕变行为和蠕变模型进行了研究,引入Boltzmann函数建立一种同时包含第1阶段蠕变和第2阶段蠕变的新的蠕变本构模型,其计算结果与蠕变试验数据基本一致。杨慧娴等对HDPE(highdensitypolyethylene)单向拉伸格栅的蠕变性质进行了研究,增大HDPE的单向拉伸比可提高格栅的抗蠕变性。陈碧波等对PTFE(polytetrafluoroethylene)复合材料的蠕变机理进行了分析,通过试验对比,随温度升高,推迟时间τ和粘度ηs降低,影响材料蠕变变形加大。AjitRanade等对PEMLS(polyethylenemontmorillonitelayeredsilicate)纳米复合材料进行了蠕变性能研究,在材料的50%屈服应力作用下,蠕变柔量随PE(polyethylene)含量的减小而增大。采用修正的时间硬化理论尝试建立某型号绳轮式玻璃升降器导向轮的蠕变过程有限元分析模型,并考虑绳轮接触的影响。该方法可实现产品蠕变性能的预评估。1第1阶段和第2阶段模型材料下的氧变分析在常载荷条件下,材料的蠕变一般可分为3个阶段,蠕变应变与时间的关系曲线如图1所示。第1阶段为加工硬化阶段,其蠕变应变率随时间逐渐减小。第2阶段为稳态蠕变阶段,其应变率基本不变,比第1阶段的蠕变应变率会小。第3阶段为加速蠕变阶段,由于颈缩现象,应变率会迅速增加,直到破坏(断裂)。通常最关心的是零部件蠕变的第1阶段和第2阶段。蠕变形变程度与应力、应变、时间和温度的相关性用下式相似的形式来模拟式中:εcr是蠕变应变率;ε是蠕变应变;σ是加载应力;T是温度;t是加载时间;函数f1,f2,f3,f4与选择的蠕变方程有关。蠕变分析有显式蠕变和隐式蠕变两种方法。显式蠕变表达式为隐形蠕变表达式为一般情况下使用隐式蠕变进行求解分析,因为隐式蠕变应用了Euler向后积分法求解蠕变应变,该方法在数值上无条件稳定,这表明不用和显式蠕变一样,使用小的时间步长。故从整体上看,隐式蠕变更高效、更精准。修正的时间硬化蠕变本构模型为导向轮材料采用Delrin100POM,是一种综合性能优良的热塑性树脂。其在90℃的蠕变拉伸试验测试曲线见图2。将试验数据代入式(4)建立方程组,求得蠕变特性参数C1,C2,C3,C4。用数学演算软件MATLAB计算获得不同应力下的蠕变等效应变曲线。图3所示为应力为5MPa和10MPa时的试验测试曲线和计算获得曲线的拟合程度较好,等效蠕变应变随时间增加而增加,且增加速率逐渐平缓,由此认定此蠕变特性参数计算结果正确。2导向轮模型材料绳轮式玻璃升降器主要由滑块、导向轮、电机和导轨等部件组成,见图4a)。门窗玻璃固定在滑块上,滑块在电机的驱动下由钢丝绳带动,并沿导轨上下运动从而实现汽车门窗玻璃的升降。导向轮可沿导向轮轴旋转,外沿与钢丝绳接触,见图4b)。玻璃升降器长期使用,塑料导向轮发生蠕变是不可避免的,导致结构尺寸发生变化产生变形,使得钢丝绳与导向轮配合不平稳,影响了玻璃升降器的正常使用。由于钢丝绳所受载荷较大,绳子受力与导向轮挤压接触,产生较大形变,故在对导向轮进行蠕变分析时,必须考虑绳轮接触的影响。对塑料导向轮的高温蠕变有限元分析采用两个载荷步进行加载。对钢丝绳与导向轮进行接触非线性分析;在考虑绳轮接触的情况下进行蠕变过程分析。2.1单元网格加密为有效控制单元数量和便于高质量的网格划分,需要对导向轮的三维实体模型进行简化和几何清理,略去对计算结果影响不大的凸台、尖角等特征。同时,根据试运算的结果确定绳轮可能接触的区域和面积,并对该区域的单元进行网格加密处理。模型中考虑了导向轮与钢丝绳的接触、导向轮与导向轮轴的接触,分别为柔柔接触和刚柔接触,并采用TARGE170和CONTA174单元来定义接触对,见图5a)。另一方面,为获得较好的计算精度,导向轮采用10节点4面体单元Solid187,钢丝绳采用20节点6面体结构模型单元Solid186,整个模型共计单元约32万个。对单元的纵横比、翘曲度、雅可比等网格质量指标进行检查,均符合保证计算结果可靠性的要求。选定修正的时间硬化蠕变模型,根据实际材料属性设置材料参数。计算最终获得的有限元网格模型见图5b)。2.2人为约束和接触分析根据导向轮实际的受力和约束情况确定边界条件。导向轮内环与导向轮轴接触、外环与钢丝绳接触,因此,钢丝绳一端固定,另一端加载;导向轮轴定义刚体导向节点,设置全自由度约束。为防止有限元计算的数值迭代误差导致平移,人为约束导向轮内环上一节点的周向和轴向自由度。由玻璃升降器蠕变试验标准确定钢丝绳另一端的载荷,取1.35倍的电机堵转力,并考虑钢丝绳传递效率,得钢丝绳的载荷为435N。求解设置中,第1载荷步为接触分析,根据试算可知约20个子步可完成收敛计算。求解计算完成后,存取最后一步计算结果,将其代入第2载荷步进行蠕变分析,采用可变时间步长方式,迭代求解30个子步完成800h蠕变计算。3导向轮围岩流变特性分析通过建立蠕变有限元模型,计算获得导向轮在考虑绳轮接触时蠕变的形变、受力情况和不考虑绳轮接触的蠕变特性。提取导向轮在蠕变800h后,及1~800h中的几个时间点的变形量,应力应变分布,并对比两种蠕变情况下的应力应变。取导向轮有限元模型的关键部位15个节点,编号见图6。3.1导向轮变形分析考虑绳轮接触,对比蠕变初期,蠕变末期的位移云图和各点的位移变化曲线,分析导向轮蠕变的位移特性。3.1.1局部节点接触保证玻璃升降器正常工作,关键是钢丝绳和导向轮的接触配合不发生较大偏移,甚至脱落。因此,分析绳轮接触区域的形变,在0.2~0.3mm之间,见图7a)。在图7b)中所示的局部柱面坐标系下读取3、7和8关键点位移,见表1。由于几何图元网格划分存在尖角,绳轮不能形成绝对平滑接触,进而引起局部节点接触不紧密,使得中心区域3点和8点径向位移较小,分别为0.072mm和0.052mm。观察到中心区域附近接触紧密,7点径向位移和总位移分别为0.109mm和0.247mm。根据试验测量结果,绳轮接触区域内缘处最大形变量不超过0.3mm,计算位移与试验位移误差较小,接触区域内缘节点位移变化计算结果与试验结果吻合良好,验证仿真计算结果较为可信。3.1.2绳轮接触中心区域1点在X向(径向)、Y向(周向)、Z向(轴向)的位移随时间增大而增大,这是蠕变固有的力学行为。其中Y向和Z向位移变化缓慢,分别保持在0.140mm和0.003mm左右,见图8a)。由此认定绳轮接触中心区域在周向和轴向受力均匀,没有出现明显偏差。由于导向轮内圈往外圈过渡区域中,厚度有所减少。图8b),明显反映出从11点到15点的总位移依次增大,蠕变800h后其位移分别为0.102mm,0.169mm,0.219mm,0.298mm,0.331mm。故认定蠕变过程中,往内径方向上,总位移依次增大。3.2节点应力应变分析由于网格划分和数值计算中刚度矩阵的不稳定性,形成奇异点,引起应力突变,致使最大应力应变位于绳轮接触区域中心部位的奇异点处,见图9a),9b)。但此并不影响分析应变的整体分布:等效蠕变应变随时间呈增大趋势;蠕变800h后,绳轮接触区域等效蠕变应变从0增加到0.01;由于导向轮内圈向外圈过渡局部区域结构厚度较小,使得该区域等效蠕变应变达到0.02以上。由于蠕变松弛,节点的等效应力随时间增大而逐渐减少。分析导向轮与钢丝绳配合区域的应力应变,蠕变800h后,绳轮配合区域外沿6点、9点和10点等效应力分别下降到1MPa、12MPa和4MPa;内沿7点和8点等效应力较大,分别下降到18MPa和22MPa,见图10a)。故认定绳轮配合区域,内沿应力较大,外沿应力较小。另一方面,随着等效应力逐渐松弛减小,决定了弹性应变减小,见图10b),7点弹性等效应变从蠕变初期0.0089降低到蠕变800h后0.0075;蠕变等效应变显著增大,蠕变800h后为0.01,使得总应变亦呈增大趋势。取总应变为弹性等效应变与蠕变等效应变之和。对比图10c),可知在绳轮配合区域,内沿8点等效蠕变应变最大,为0.017;外沿6点等效蠕变应变最小,仅0.0008。从内沿到外沿,等效蠕变应变依次减小。3.3导向轮的模型模拟分析假定导向轮在蠕变过程中受力面积始终是初始接触面积,其接触受力不随形变而变化;内圈的节点约束情况不随形变而变化。不考虑导向轮与钢丝绳的接触、导向轮与导向轮轴的接触。对导向轮蠕变有限元模型作如下简化:将施加于钢丝绳端面处的拉力等价为施加于导向轮初始接触部位的恒定压力;建立刚性连接约束内环与导向轮轴配合的3/4节点的全自由度,见图11。然而,实际情况的绳轮配合,必然会引起导向轮的形变和压力的变化。因此,考虑接触,建立导向轮有限元模型更接近实际情况,计算结果更加可靠。以下对比分析考虑接触和没有考虑接触的蠕变特性。由于导向轮内部的蠕变应变随时间增加,影响回弹应变分量随时间逐渐降低,从而导致形变恢复力随时间降低,形成蠕变松弛,使得绳轮接触区域等效应力随时间增大而减小。考虑接触时等效应力变化明显,从14.782MPa下降到12.022MPa;不考虑接触时,等效应力变化甚小,保持在1.800MPa左右,见图12a)。选择修正的时间硬化蠕变本构模型,该模型描述蠕变阶段有较大的蠕变应变率。见图12b),考虑接触时,1点的弹性应变从0.014下降到0.010,蠕变应变增大至0.016,总应变增大到0.026。不考虑接触时,1点的弹性应变从0.004下降到0.003,蠕变应变增大至0.030,总应变增大到0.033。对比可知:在考虑接触情况下的蠕变应变率处于较大值;而不考虑接触情况时,蠕变中,后期的蠕变应变率几乎趋于0,此变化趋势与理论的蠕变-时间曲线不甚吻合。故认定,考虑接触时的计算分析结果更为可靠。4模拟计算结果1)对导向轮塑料件,采用修正的时间硬化模型能够较为准确的描述蠕变特性