塑料導向輪蠕變變形的試驗研究

現在，汽車前的大部分自動升降器都是繩索車輪結構，包括導向車輪和其他塑料件。塑料件在長期使用過程中,其變形量隨時間變化,出現較為明顯的蠕變現象,從而影響塑料件自身的性能和壽命,進而導致汽車玻璃升降器整體使用壽命下降。因此,對塑料件進行高溫蠕變非線性模擬,得到蠕變特性,為該產品的開發、檢測和性能評估提供依據。如雷航等對合金環形件高溫蠕變行為和蠕變模型進行了研究,引入Boltzmann函數建立一種同時包含第1階段蠕變和第2階段蠕變的新的蠕變本構模型,其計算結果與蠕變試驗數據基本一致。楊慧嫻等對HDPE(highdensitypolyethylene)單向拉伸格柵的蠕變性質進行了研究,增大HDPE的單向拉伸比可提高格柵的抗蠕變性。陳碧波等對PTFE(polytetrafluoroethylene)復合材料的蠕變機理進行了分析,通過試驗對比,隨溫度升高,推遲時間τ和粘度ηs降低,影響材料蠕變變形加大。AjitRanade等對PEMLS(polyethylenemontmorillonitelayeredsilicate)納米復合材料進行了蠕變性能研究,在材料的50%屈服應力作用下,蠕變柔量隨PE(polyethylene)含量的減小而增大。采用修正的時間硬化理論嘗試建立某型號繩輪式玻璃升降器導向輪的蠕變過程有限元分析模型,并考慮繩輪接觸的影響。該方法可實現產品蠕變性能的預評估。1第1階段和第2階段模型材料下的氧變分析在常載荷條件下,材料的蠕變一般可分為3個階段,蠕變應變與時間的關系曲線如圖1所示。第1階段為加工硬化階段,其蠕變應變率隨時間逐漸減小。第2階段為穩態蠕變階段,其應變率基本不變,比第1階段的蠕變應變率會小。第3階段為加速蠕變階段,由于頸縮現象,應變率會迅速增加,直到破壞(斷裂)。通常最關心的是零部件蠕變的第1階段和第2階段。蠕變形變程度與應力、應變、時間和溫度的相關性用下式相似的形式來模擬式中:εcr是蠕變應變率;ε是蠕變應變;σ是加載應力;T是溫度;t是加載時間;函數f1,f2,f3,f4與選擇的蠕變方程有關。蠕變分析有顯式蠕變和隱式蠕變兩種方法。顯式蠕變表達式為隱形蠕變表達式為一般情況下使用隱式蠕變進行求解分析,因為隱式蠕變應用了Euler向后積分法求解蠕變應變,該方法在數值上無條件穩定,這表明不用和顯式蠕變一樣,使用小的時間步長。故從整體上看,隱式蠕變更高效、更精準。修正的時間硬化蠕變本構模型為導向輪材料采用Delrin100POM,是一種綜合性能優良的熱塑性樹脂。其在90℃的蠕變拉伸試驗測試曲線見圖2。將試驗數據代入式(4)建立方程組,求得蠕變特性參數C1,C2,C3,C4。用數學演算軟件MATLAB計算獲得不同應力下的蠕變等效應變曲線。圖3所示為應力為5MPa和10MPa時的試驗測試曲線和計算獲得曲線的擬合程度較好,等效蠕變應變隨時間增加而增加,且增加速率逐漸平緩,由此認定此蠕變特性參數計算結果正確。2導向輪模型材料繩輪式玻璃升降器主要由滑塊、導向輪、電機和導軌等部件組成,見圖4a)。門窗玻璃固定在滑塊上,滑塊在電機的驅動下由鋼絲繩帶動,并沿導軌上下運動從而實現汽車門窗玻璃的升降。導向輪可沿導向輪軸旋轉,外沿與鋼絲繩接觸,見圖4b)。玻璃升降器長期使用,塑料導向輪發生蠕變是不可避免的,導致結構尺寸發生變化產生變形,使得鋼絲繩與導向輪配合不平穩,影響了玻璃升降器的正常使用。由于鋼絲繩所受載荷較大,繩子受力與導向輪擠壓接觸,產生較大形變,故在對導向輪進行蠕變分析時,必須考慮繩輪接觸的影響。對塑料導向輪的高溫蠕變有限元分析采用兩個載荷步進行加載。對鋼絲繩與導向輪進行接觸非線性分析;在考慮繩輪接觸的情況下進行蠕變過程分析。2.1單元網格加密為有效控制單元數量和便于高質量的網格劃分,需要對導向輪的三維實體模型進行簡化和幾何清理,略去對計算結果影響不大的凸臺、尖角等特征。同時,根據試運算的結果確定繩輪可能接觸的區域和面積,并對該區域的單元進行網格加密處理。模型中考慮了導向輪與鋼絲繩的接觸、導向輪與導向輪軸的接觸,分別為柔柔接觸和剛柔接觸,并采用TARGE170和CONTA174單元來定義接觸對,見圖5a)。另一方面,為獲得較好的計算精度,導向輪采用10節點4面體單元Solid187,鋼絲繩采用20節點6面體結構模型單元Solid186,整個模型共計單元約32萬個。對單元的縱橫比、翹曲度、雅可比等網格質量指標進行檢查,均符合保證計算結果可靠性的要求。選定修正的時間硬化蠕變模型,根據實際材料屬性設置材料參數。計算最終獲得的有限元網格模型見圖5b)。2.2人為約束和接觸分析根據導向輪實際的受力和約束情況確定邊界條件。導向輪內環與導向輪軸接觸、外環與鋼絲繩接觸,因此,鋼絲繩一端固定,另一端加載;導向輪軸定義剛體導向節點,設置全自由度約束。為防止有限元計算的數值迭代誤差導致平移,人為約束導向輪內環上一節點的周向和軸向自由度。由玻璃升降器蠕變試驗標準確定鋼絲繩另一端的載荷,取1.35倍的電機堵轉力,并考慮鋼絲繩傳遞效率,得鋼絲繩的載荷為435N。求解設置中,第1載荷步為接觸分析,根據試算可知約20個子步可完成收斂計算。求解計算完成后,存取最后一步計算結果,將其代入第2載荷步進行蠕變分析,采用可變時間步長方式,迭代求解30個子步完成800h蠕變計算。3導向輪圍巖流變特性分析通過建立蠕變有限元模型,計算獲得導向輪在考慮繩輪接觸時蠕變的形變、受力情況和不考慮繩輪接觸的蠕變特性。提取導向輪在蠕變800h后,及1~800h中的幾個時間點的變形量,應力應變分布,并對比兩種蠕變情況下的應力應變。取導向輪有限元模型的關鍵部位15個節點,編號見圖6。3.1導向輪變形分析考慮繩輪接觸,對比蠕變初期,蠕變末期的位移云圖和各點的位移變化曲線,分析導向輪蠕變的位移特性。3.1.1局部節點接觸保證玻璃升降器正常工作,關鍵是鋼絲繩和導向輪的接觸配合不發生較大偏移,甚至脫落。因此,分析繩輪接觸區域的形變,在0.2~0.3mm之間,見圖7a)。在圖7b)中所示的局部柱面坐標系下讀取3、7和8關鍵點位移,見表1。由于幾何圖元網格劃分存在尖角,繩輪不能形成絕對平滑接觸,進而引起局部節點接觸不緊密,使得中心區域3點和8點徑向位移較小,分別為0.072mm和0.052mm。觀察到中心區域附近接觸緊密,7點徑向位移和總位移分別為0.109mm和0.247mm。根據試驗測量結果,繩輪接觸區域內緣處最大形變量不超過0.3mm,計算位移與試驗位移誤差較小,接觸區域內緣節點位移變化計算結果與試驗結果吻合良好,驗證仿真計算結果較為可信。3.1.2繩輪接觸中心區域1點在X向(徑向)、Y向(周向)、Z向(軸向)的位移隨時間增大而增大,這是蠕變固有的力學行為。其中Y向和Z向位移變化緩慢,分別保持在0.140mm和0.003mm左右,見圖8a)。由此認定繩輪接觸中心區域在周向和軸向受力均勻,沒有出現明顯偏差。由于導向輪內圈往外圈過渡區域中,厚度有所減少。圖8b),明顯反映出從11點到15點的總位移依次增大,蠕變800h后其位移分別為0.102mm,0.169mm,0.219mm,0.298mm,0.331mm。故認定蠕變過程中,往內徑方向上,總位移依次增大。3.2節點應力應變分析由于網格劃分和數值計算中剛度矩陣的不穩定性,形成奇異點,引起應力突變,致使最大應力應變位于繩輪接觸區域中心部位的奇異點處,見圖9a),9b)。但此并不影響分析應變的整體分布:等效蠕變應變隨時間呈增大趨勢;蠕變800h后,繩輪接觸區域等效蠕變應變從0增加到0.01;由于導向輪內圈向外圈過渡局部區域結構厚度較小,使得該區域等效蠕變應變達到0.02以上。由于蠕變松弛,節點的等效應力隨時間增大而逐漸減少。分析導向輪與鋼絲繩配合區域的應力應變,蠕變800h后,繩輪配合區域外沿6點、9點和10點等效應力分別下降到1MPa、12MPa和4MPa;內沿7點和8點等效應力較大,分別下降到18MPa和22MPa,見圖10a)。故認定繩輪配合區域,內沿應力較大,外沿應力較小。另一方面,隨著等效應力逐漸松弛減小,決定了彈性應變減小,見圖10b),7點彈性等效應變從蠕變初期0.0089降低到蠕變800h后0.0075;蠕變等效應變顯著增大,蠕變800h后為0.01,使得總應變亦呈增大趨勢。取總應變為彈性等效應變與蠕變等效應變之和。對比圖10c),可知在繩輪配合區域,內沿8點等效蠕變應變最大,為0.017;外沿6點等效蠕變應變最小,僅0.0008。從內沿到外沿,等效蠕變應變依次減小。3.3導向輪的模型模擬分析假定導向輪在蠕變過程中受力面積始終是初始接觸面積,其接觸受力不隨形變而變化;內圈的節點約束情況不隨形變而變化。不考慮導向輪與鋼絲繩的接觸、導向輪與導向輪軸的接觸。對導向輪蠕變有限元模型作如下簡化:將施加于鋼絲繩端面處的拉力等價為施加于導向輪初始接觸部位的恒定壓力;建立剛性連接約束內環與導向輪軸配合的3/4節點的全自由度,見圖11。然而,實際情況的繩輪配合,必然會引起導向輪的形變和壓力的變化。因此,考慮接觸,建立導向輪有限元模型更接近實際情況,計算結果更加可靠。以下對比分析考慮接觸和沒有考慮接觸的蠕變特性。由于導向輪內部的蠕變應變隨時間增加,影響回彈應變分量隨時間逐漸降低,從而導致形變恢復力隨時間降低,形成蠕變松弛,使得繩輪接觸區域等效應力隨時間增大而減小。考慮接觸時等效應力變化明顯,從14.782MPa下降到12.022MPa;不考慮接觸時,等效應力變化甚小,保持在1.800MPa左右,見圖12a)。選擇修正的時間硬化蠕變本構模型,該模型描述蠕變階段有較大的蠕變應變率。見圖12b),考慮接觸時,1點的彈性應變從0.014下降到0.010,蠕變應變增大至0.016,總應變增大到0.026。不考慮接觸時,1點的彈性應變從0.004下降到0.003,蠕變應變增大至0.030,總應變增大到0.033。對比可知:在考慮接觸情況下的蠕變應變率處于較大值;而不考慮接觸情況時,蠕變中,后期的蠕變應變率幾乎趨于0,此變化趨勢與理論的蠕變-時間曲線不甚吻合。故認定,考慮接觸時的計算分析結果更為可靠。4模擬計算結果1)對導向輪塑料件,采用修正的時間硬化模型能夠較為準確的描述蠕變特性