短纖維強化塑膠的抗衝擊能力 Short Fiber Reinforced Plastics

案例研究：使用 LS-DYNA 和 Moldex3D 驗證熱塑性塑膠零件的強度

 

我們有可能在製造前先進行強度評估嗎？

短纖維強化熱塑性塑膠自上世紀中以來就已開始使用，但計算這些零件的結構強度一直是一項挑戰。事實證明，要準確預測材料強度，需要考慮纖維取向。而纖維取向又取決於注塑成型製程。為了解決這個問題，我們提供了一套完整的模擬軟體解決方案，用於在製造任何模具之前驗證最終零件的強度。

 

為什麼要進行數值模擬 (Numerical Simulation)？

我們用的主要工具 LS-DYNA，一直在追求更高的細節還原，讓模擬結果更貼近真實世界中的結構行為。雖然現在技術已經夠成熟、可以做到這些，但你可能會想：這麼做到底值不值得花這麼多工夫？

其實，幫產品做模擬的理由真的很多。我們平常跟客戶合作時，最常聽到的原因包括：

• 想知道產品到底表現好不好

• 找出製程中哪些關鍵參數會影響產品性能

• 做一個流程或產品的虛擬版本（也就是數位孿生），這樣就能在不做一堆實驗、不花大錢開模具的情況下測試改進方案

• 幫助產品做性能改善優化，做到更好

 

塑膠聚合物保險桿前部的模擬解決方案與應用案例

這裡我們要跟大家分享一個針對保險桿前部的模擬技術解決方案。

保險桿前部有不少強度上的要求，不過這次我們會聚焦在「衝擊試驗」這個重點。

保險桿前部本身是一個體積大、用纖維強化的零件，製作上需要用到大型、而且價格不菲的模具。

 

步驟 1 在 Moldex3D 中進行保險桿的射出成型模擬

為了掌握最終產品中纖維的流動與排列情況，首先在 Moldex3D 中進行射出成型模擬。

Moldex3D 是一款功能強大、操作也易上手的工具，現在已經是塑膠成型模擬和纖維取向預測方面的市場領導者之一 [1]。

 

步驟 2 導入射出成型模擬結果

接下來，我們會把第一步模擬出來的纖維取向結果，應用到 LS-DYNA 的分析模型中。這部分其實有幾種做法，而我們常用的是 DYNAmore 推出的映射工具 Envyo®。

這個工具可以把纖維的流動方向，甚至像是射出成型時可能出現的熔接線，都準確地映射到 LS-DYNA 模型裡，不管是用殼元素還是實體元素都可以對應得上。在有需要的情況下，也可以進一步把材料特性做「均質化處理」，讓模擬更貼近真實行為。

如果要做後續的結構分析，我們會建議使用可以考慮纖維取向造成的各向異性力學行為的 LS-DYNA 材料模型，例如：

*MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC
*MAT_ANISOTROPIC_ELASTIC_PLASTIC
*MAT_4A_MICROMEC

這些材料模型都能幫我們更精準地反映產品在真實受力下的行為。

如果您是用其他射出成型模擬軟體（不是 Moldex3D），也不用擔心，Envyo 同樣支援跟多種工具的介接，整合起來也很方便。

 

 

步驟 3 使用 LS-DYNA 檢查保險桿的抗衝擊能力

當我們用 Envyo 把 Moldex3D 的纖維取向結果匯進來之後，現在 LS-DYNA 裡的車輛模型，就已經包含了一個帶有纖維方向資訊的保險桿了。

接下來，我們就可以照常跑柱撞模擬，如下圖所示，來評估保險桿在衝擊載重下的表現，看看它的強度是不是符合需求。

 

模擬不是難事，有對的工具和人就夠了。

我們提供您完整的技術支援和訓練資源，讓您快速掌握模擬流程。

模擬已經被證明是一種高效又省錢的產品開發方式，可以大大降低重新開模的風險和成本。
我們不只提供工具，也有完整的 know-how，讓您自己就能上手做模擬。我們會一路陪您走過，包括培訓、技術支援，全都幫您準備好。
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艾索科技股份有限公司 AISOL Technology

• 電話：02-2500-6210

• 郵件：info@aisol.com.tw

 

[1] Kunc, V., Warren, D., Yocum, A., Wu, F., 2017, “IV.3 Predictive Engineering Tools for Injection-Molded Long Carbon Fiber Thermoplastic Composites – Oak Ridge National Laboratory”, LIGHTWEIGHT MATERIALS FY 2016 ANNUAL REPORT, U.S. Department of Energy, Troy, Michigan, September, 2017, pp. 125-141.
The car used in this demonstration is a modified version of the publicly available Honda Accord model, provided by NHTSA, https://www.nhtsa.gov/crash-simulation-vehicle-models.

資料來源： Ansys LST 原廠