汽車內(nèi)飾聚碳酸酯膜片熱壓成型技術(shù)仿真及應(yīng)用研究

高友發(fā)，倪驍驊，胡廣洪

(1. 鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051;2. 上海交通大學(xué)塑性成型技術(shù)與裝備研究院，上海 200030)

0 引 言

隨著汽車智能化程度的不斷提高，汽車智能內(nèi)飾成型工藝逐漸成為研究熱點(diǎn)。汽車智能內(nèi)飾不僅要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能，而且要美觀大方。以汽車天窗位置照明系統(tǒng)中集燈光、觸控為一體的智能內(nèi)飾表面膜片為例，膜片材料通常為聚碳酸酯(PC)，膜片成型工藝一般采用熱壓成型技術(shù)。而且膜片在成型之前會進(jìn)行功能圖形的標(biāo)識。在熱壓成型過程中，標(biāo)識好的功能圖形會發(fā)生變形，從而影響噴涂圖形的美觀，同時功能圖形標(biāo)識的位移也會影響智能內(nèi)飾使用功能。因此，研究膜片在熱壓成型中的變形成為本領(lǐng)域的一個重要熱點(diǎn)。

在熱壓成型過程中，膜片變形是一個復(fù)雜的彈塑性過程，而屈服準(zhǔn)則和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是材料塑性成型的兩大力學(xué)理論基礎(chǔ)。常見的屈服準(zhǔn)則有特雷斯卡屈服準(zhǔn)則[1]和米澤斯屈服準(zhǔn)則[2-3]。米澤斯屈服準(zhǔn)則剛開始提出時，主要是考慮到數(shù)學(xué)處理上的方便，并沒有考慮其物理意義。后來，漢蓋[4-5]等從能量的角度來闡述米澤斯屈服準(zhǔn)則的物理意義，他們認(rèn)為米澤斯屈服準(zhǔn)則可以表述為：“無論在何種應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)變形體單位體積彈性形變能量達(dá)到某一定值時，材料進(jìn)入塑性狀態(tài)。”這些屈服準(zhǔn)則適用于各向同性的理想塑性材料，本研究的材料是不含填充物的聚碳酸酯材料，具有各向同性的特征。

在一定的變形條件下，材料達(dá)到屈服準(zhǔn)則規(guī)定的條件，材料才開始進(jìn)入塑性狀態(tài)。在塑性狀態(tài)下，材料塑性變形時的應(yīng)力不僅與應(yīng)變有關(guān)，還與變形歷史、材料微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。這是因?yàn)殡S著變形的發(fā)生與發(fā)展，材料原有的組織和性能也隨之發(fā)生變化，而且塑性變形是永久變形，每一微小階段的塑性變形所導(dǎo)致的組織和性能變化都要保留下來，并影響下一階段的變形過程，因此，各個微小變形階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系都是不同的。

到目前為止，塑性范圍內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系還沒有一個像彈性范圍內(nèi)的胡克定律[6]那樣的統(tǒng)一理論。歷史上有許多學(xué)者提出了各種不同的描述塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的理論，但總體上可歸納為兩大類，即：描述應(yīng)力與應(yīng)變增量之間關(guān)系的增量理論和描述應(yīng)力與全量應(yīng)變之間關(guān)系的全量理論[7]。塑性變形時的應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系，可以歸結(jié)為等效應(yīng)力與等效應(yīng)變之間的關(guān)系[8]。

因此，本文使用各向同性米澤斯屈服準(zhǔn)則，和通過單向拉伸試驗(yàn)得到聚碳酸酯材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線來研究膜片的塑性變形行為，在此基礎(chǔ)上，對膜片熱壓成型仿真，并利用實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 各向同性米澤斯屈服準(zhǔn)則

使用HyperForm中的LAW73模型。該模型是熱希爾正交各向異性材料模型，通過用戶輸入的應(yīng)力應(yīng)變曲線，考慮了溫度和應(yīng)變率效應(yīng)，其平面等效應(yīng)力表達(dá)式為：

(1)

其中，σeq是希爾等效應(yīng)力，σxx，σxy，σyy是平面各應(yīng)力分量，A1，A2，A3，A12是各向異性材料系數(shù)。

由于聚碳酸酯是各向同性材料，這里令A(yù)1=A2=A3=1、A12=3，則式(1)可等效為米澤斯屈服準(zhǔn)則：

(2)

其中，σvm是米澤斯等效應(yīng)力。

使用米澤斯屈服準(zhǔn)則[2-3]來描述材料的彈塑性狀態(tài)，將等效應(yīng)力與材料的屈服應(yīng)力進(jìn)行對比，當(dāng)?shù)刃?yīng)力小于材料的最小屈服應(yīng)力時，則說明材料在彈性階段，使用胡克定律[6]計(jì)算材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。當(dāng)?shù)刃?yīng)力大于材料的最小屈服應(yīng)力時，則材料進(jìn)入塑性狀態(tài)，材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系使用用戶輸入的真應(yīng)力—塑性應(yīng)變曲線，該曲線可由單向拉伸試驗(yàn)獲得。

2 聚碳酸酯材料的單向拉伸試驗(yàn)

聚碳酸酯材料型號是Longhua PC-1801-OMF，膜片厚度0.25 mm。拉伸設(shè)備使用的是INSTRON 5967型號的萬能材料試驗(yàn)機(jī)并配有環(huán)境箱。

由于聚碳酸酯是溫度和應(yīng)變速率敏感性材料，溫度和應(yīng)變速率都會對聚碳酸酯力學(xué)性能產(chǎn)生影響。根據(jù)《GB/T 1040.3-2006塑料拉伸性能的測定第3部分：薄膜和薄片的試驗(yàn)條件》，在保溫20 min條件下，試驗(yàn)溫度為：23， 60， 100， 120， 140， 160 ℃時，進(jìn)行膜片的拉伸試驗(yàn)，而拉伸速度為：5， 50， 100， 200， 300， 500 mm·min-1。每組試驗(yàn)3個試樣，試樣尺寸和形狀如圖1所示。沿試樣軸向恒速拉伸，直到試樣斷裂，測量在這一過程中試樣承受的載荷及位移。

圖1 1B型試樣

通過聚碳酸酯材料的單向拉伸試驗(yàn)，獲取的數(shù)據(jù)擬合成PC材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，該性能參數(shù)將被用于膜片熱壓成型模擬中，以期提高仿真結(jié)果的精度。

3 汽車膜片的熱壓成型試驗(yàn)

3.1 膜片熱壓成型試驗(yàn)

汽車膜片熱壓成型試驗(yàn)使用的設(shè)備是東莞新橋聯(lián)復(fù)合材料科技有限公司的PCFILM高壓成型機(jī)。熱壓成型工藝過程分為4個步驟，具體如圖2所示。

(1) 第一步 (2) 第二步 (3) 第三步 (4) 第四步a—壓邊圈；b—膜片；c—上模；d—加熱板；e—下模圖2 膜片熱壓成型工藝過程示意簡圖

(1) 第一步：膜片放置在壓邊圈上表面，上模下壓將膜片固定，然后，通過加熱板將膜片加熱至140 ℃；

(2) 第二步：撤去加熱板，將溫度為100 ℃的下模上行16 mm，對膜片進(jìn)行預(yù)拉伸；

(3) 第三步：利用常溫空氣進(jìn)行分段加壓，使膜片與下模完全貼合，實(shí)現(xiàn)膜片成型；

(4) 第四步：氣體泄壓，模具打開，取出膜片制品。

熱壓成型工藝參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 膜片熱壓成型工藝參數(shù)

3.2 膜片熱壓成型仿真試驗(yàn)

汽車膜片熱壓成型仿真試驗(yàn)使用的軟件是商業(yè)有限元軟件HyperForm。有限元模型使用2 mm四邊形殼單元劃分網(wǎng)格，如圖3所示，由上模、膜片、壓邊圈和下模4個部分組成。成型工藝過程和工藝參數(shù)與實(shí)際試驗(yàn)一致。

A—上模；B—膜片；C—壓邊圈；D—下模圖3 膜片熱壓成型仿真有限元模型

在膜片熱壓成型仿真中，壓邊圈、上模和下模的本構(gòu)使用線彈性模型，設(shè)模具材料性能為：彈性模量210 GPa，泊松比0.3，密度為7 800 kg·m-3。膜片材料性能則設(shè)為彈性模量為1 500 MPa，泊松比為0.3，密度為1 200 kg·m-3。

膜片的本構(gòu)使用HyperForm材料庫中自帶的LAW73模型，利用式(2)將該模型中的各向異性希爾準(zhǔn)則等效為各向同性米澤斯屈服準(zhǔn)則，將單向拉伸試驗(yàn)所得到的應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)據(jù)輸入到模型中。由于只研究膜片熱壓成型過程中的變形行為，只要輸入失效前的真應(yīng)力—塑性應(yīng)變曲線即可。

4 結(jié)果與討論

4.1 聚碳酸酯材料的單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果與討論

汽車膜片熱壓成型過程中，成型速度接近5 mm·min-1，成型溫度在140 ℃左右，所以重點(diǎn)給出如圖4和圖5兩組聚碳酸酯材料單向拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由圖4可知，溫度越高，材料屈服應(yīng)力越低，材料斷裂位移越大；160 ℃時的載荷位移曲線，沒有明顯屈服。同時，觀察單向拉伸試驗(yàn)過程，發(fā)現(xiàn)材料在保溫期間試樣就出現(xiàn)了一定的自由軟化延伸的現(xiàn)象，此溫度下，膜片熱成型時會產(chǎn)生局部極大減薄和局部板料堆疊等厚度分布極不均勻現(xiàn)象，在保證膜片熱壓成型制品質(zhì)量的同時，成型時所需的壓力越低越好，所以安排在140 ℃溫度下進(jìn)行汽車膜片熱壓成型試驗(yàn)是合理的。

圖4 聚碳酸酯在5 mm·min-1拉伸速度下不同試驗(yàn)溫度下的位移載荷試驗(yàn)曲線

由圖5可知，在140 ℃時，除了拉伸速度為5 mm·min-1時，在其他不同拉伸速度下，材料屈服應(yīng)力的變化不大。

圖5 聚碳酸酯在試驗(yàn)溫度為140 ℃下不同拉伸速度下的位移載荷試驗(yàn)曲線

根據(jù)單向拉伸的載荷位移曲線，發(fā)現(xiàn)聚碳酸酯材料很快經(jīng)歷彈性變形階段，隨后發(fā)生屈服，屈服后聚碳酸酯材料出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，應(yīng)力隨著應(yīng)變增大而逐漸減小。試驗(yàn)過程中，材料在屈服軟化時伴隨有頸縮現(xiàn)象，產(chǎn)生破壞，材料的真應(yīng)力—塑性應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖6 聚碳酸酯真應(yīng)力—塑性應(yīng)變曲線

4.2 汽車膜片熱壓成型試驗(yàn)結(jié)果與討論

本試驗(yàn)所用的汽車膜片實(shí)物如圖7(a)所示，為了方便對實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測量，在膜片成型前打上網(wǎng)格線，并在主坐標(biāo)X、Y軸上標(biāo)示數(shù)字，確定了膜片的網(wǎng)格線坐標(biāo)原點(diǎn)。測量汽車膜片圖7(a)所示的8個點(diǎn)平面坐標(biāo)，通過測量夾具分中來找的測量基準(zhǔn)。

仿真膜片的位移云圖，如圖7(b)所示。仿真有限元模型中膜片的原點(diǎn)位置與圖7(a)中的網(wǎng)格線原點(diǎn)重合，根據(jù)圖7(a)中8個點(diǎn)在網(wǎng)格線中的位置來確定仿真有限元模型中膜片成型前對應(yīng)的8個節(jié)點(diǎn)，測量仿真有限元模型中膜片成型后這8個節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，并根據(jù)原點(diǎn)位移情況進(jìn)行修正。

(a) 膜片實(shí)物 (b) 仿真膜片

膜片測量數(shù)據(jù)如表2所示。表2中的實(shí)測均值是指試驗(yàn)制作出10個樣品，對這10個樣品分別進(jìn)行8個點(diǎn)位的測量，取測量結(jié)果的平均值。仿真值是指通過膜片熱壓成型仿真結(jié)果計(jì)算出8個節(jié)點(diǎn)的平面坐標(biāo)。

表2 膜片測量數(shù)據(jù)

對比圖7(a)和7(b)，在膜片的右下角，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果很好地模擬出了實(shí)際試驗(yàn)中汽車膜片在熱壓成型時的起皺現(xiàn)象。

使用位置度對比來直觀反映實(shí)際試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)的吻合度，位置度計(jì)算公式如下：

(3)

其中，xt，yt分別是實(shí)際測量x、y坐標(biāo)的均值(mm)；xs、ys分別是仿真測量x、y坐標(biāo)的值(mm)；Lt是實(shí)際測量均值位置度(mm)；Ls是仿真測量位置度(mm)；L是實(shí)測與仿真偏差位置度(mm)。

使用位置偏差率來驗(yàn)證模擬精確度，位置偏差率計(jì)算公式：

(4)

基于實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果和仿真試驗(yàn)結(jié)果的測量數(shù)據(jù)，根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算結(jié)果，對比圖如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)與仿真結(jié)果位置度對比及偏差率

由圖8可以看出，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果的位置偏差率在8%以內(nèi)，說明汽車膜片熱壓成型仿真模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性滿足要求。

5 結(jié) 論

本文通過單向拉伸試驗(yàn)，獲得聚碳酸酯材料在不同變形條件下的載荷位移曲線。結(jié)果表明，溫度越高，聚碳酸酯的屈服應(yīng)力越低，成型需要的加載就越低；160 ℃以上時，聚碳酸酯產(chǎn)生自由軟化延伸現(xiàn)象，熱壓成型時無法控制產(chǎn)品形狀，所以汽車膜片熱壓成型試驗(yàn)溫度定為140 ℃。而模具溫度在成型過程中設(shè)定為100 ℃，這種低模溫設(shè)計(jì)，方便膜片成品自動脫模。

基于聚碳酸酯材料的真應(yīng)力—塑性應(yīng)變曲線，結(jié)合各向同性米澤斯屈服準(zhǔn)則，在有限元軟件HyperForm中進(jìn)行汽車膜片熱壓成型仿真。由汽車膜片熱壓成型試驗(yàn)結(jié)果可知，仿真計(jì)算與實(shí)際測量的8個點(diǎn)平面位置偏差率在8%以內(nèi)，說明建立的聚碳酸酯材料力學(xué)模型準(zhǔn)確，膜片熱壓成型仿真模擬方法可靠。

仿真結(jié)果很好地模擬出了實(shí)際試驗(yàn)中汽車膜片在熱壓成型時的起皺現(xiàn)象，表明使用本仿真模擬方法可以進(jìn)一步研究相關(guān)工藝參數(shù)對汽車膜片熱壓成型質(zhì)量和缺陷的影響。