師彩云，譚文勝

（1.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州221006；2.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州市大型塑料件智能化制造重點實驗室，江蘇常州213164）

塑料檢查井注塑模具型腔結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

師彩云1，譚文勝2

（1.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州221006；2.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州市大型塑料件智能化制造重點實驗室，江蘇常州213164）

通過建立塑料檢查井模具型腔剛強度有限元分析模型，采用正交試驗設(shè)計方法研究了模具底部壁厚、周圍壁厚及注射壓力等參數(shù)對模具型腔剛強度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：各參數(shù)對模具型腔應(yīng)力、應(yīng)變的影響程度均為：周圍壁厚＞底部壁厚＞注射壓力；模具型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)參數(shù)組合為：底部壁厚20 mm、注射壓力60 MPa、周圍壁厚80 mm或100 mm。可為檢查井注塑模具型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

塑料檢查井；模具型腔；剛強度；應(yīng)力應(yīng)變；正交試驗

塑料檢查井是廣泛應(yīng)用于市政管網(wǎng)建設(shè)的大型塑料管件[1-2]，因其具有便于施工、成本低、使用壽命長和抗?jié)B性好等優(yōu)點，使國內(nèi)外學(xué)者對塑料檢查井展開了深入的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用研究工作。張偉分析了不同的結(jié)構(gòu)和填埋深度對檢查井剛強度的影響[3]；魏春良對塑料檢查井結(jié)構(gòu)的剛強度進行了計算，并對檢查井模具結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了研究[4-5]；譚文勝利用Moldflow軟件對大型塑料檢查井進行了注塑流動分析[6]；饒勤波研究了汽車沖擊載荷下的檢查井殘余應(yīng)力及殘余變形計算方法[7]。目前，國內(nèi)外針對大型塑料檢查井的研究主要集中在結(jié)構(gòu)性改進及工藝性能分析等方面。

由于模具型腔剛強度是影響注塑件成形質(zhì)量的主要因素[8]，故型腔參數(shù)的選擇是提高塑料檢查井模具型腔剛強度的關(guān)鍵技術(shù)問題。本文采用ANSYS軟件和正交試驗設(shè)計方法，研究了模具底部壁厚、周圍壁厚、注射壓力三種參數(shù)對塑料檢查井模具型腔剛強度的影響，并進行了模具型腔參數(shù)優(yōu)化組合設(shè)計。

1 模型分析

1.1 三維模型

大型塑料檢查井的井座注塑模具一般采用具有較強綜合性能的40Cr鋼材，其特性見表1。根據(jù)某大型塑料檢查井系列產(chǎn)品，選取如表2所示的井座尺寸數(shù)據(jù)，并利用Pro/E軟件進行三維建模 （圖1）。

依據(jù)課題組之前的研究結(jié)果，對比分析模具型腔的二種不同結(jié)構(gòu)，得出如圖2所示的模具型腔更合理。本文以模具底部壁厚20 mm、型腔至模具型腔側(cè)面為周圍壁厚80 mm為例。

1.2 有限元分析模型

有限元分析步驟如下：

（1）利用Pro/E軟件建立井座模具型腔模塊，并將模型以.x_t格式儲存；

（2）將模型以.x_t格式導(dǎo)入ANSYS軟件中進行有限元分析；

（3）材料屬性設(shè)置見表1。根據(jù)模具特點，采用solid187實體單元網(wǎng)格劃分，并通過自動網(wǎng)格劃分和局部優(yōu)化處理的網(wǎng)格劃分方法建立有限元模型（圖3）；

（4）以注射壓力為60 MPa為例，對模具進行載荷施加。經(jīng)查閱資料，鎖模力為10 000 kN。

在上述條件下，由塑料檢查井井座模具型腔模型的應(yīng)力云圖（圖4）可知，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在支管頂端，為4.56×1010Pa，其余部分的應(yīng)力值較小，因此，在實際應(yīng)用過程中需加大支管頂端的強度。由模型的應(yīng)變云圖（圖5）可知，主管底部及其另外二個支管的應(yīng)變較小，而同樣左側(cè)支管頂端應(yīng)變較大，最大應(yīng)變?yōu)?.228 652。

2 正交試驗設(shè)計

2.1 Minitab DOE試驗設(shè)計

采用Minitab DOE正交試驗設(shè)計矩陣，分析所有因素對實驗指標的影響程度，并獲得對應(yīng)水平下的最優(yōu)水平組合。試驗設(shè)計流程見圖6。

2.2 正交試驗方案及結(jié)果

由于底部壁厚、周圍壁厚和注射壓力均會對塑料檢查井井座模具的受力變形產(chǎn)生影響，所以選取這三個可控尺寸參數(shù)作為試驗因子，進行正交試驗設(shè)計。按Minitab DOE方法選取三因素五水平正交試驗表（表3），分析不同參數(shù)水平組合下的ANSYS模擬分析結(jié)果。根據(jù)L25正交表，結(jié)合ANSYS軟件進行模擬分析得到的試驗結(jié)果見表4。

本試驗的目標是在一定鎖模力作用下，對模擬結(jié)果進行均值和變量分析，并根據(jù)每個試驗因素在總體方差中所占的百分比確定各參素對應(yīng)力、應(yīng)變的影響程度，從而預(yù)測獲得底部壁厚、周圍壁厚和注射壓力等參數(shù)的最優(yōu)組合。

圖7、圖8分別是應(yīng)力、應(yīng)變的均值主響應(yīng)圖。其中，橫坐標為底部壁厚、周圍壁厚和注射壓力等參數(shù)的水平項，縱坐標為應(yīng)力、應(yīng)變在不同水平下的均值；極差越大，則改變該因子的水平會對指標造成較大的變化，即該因子對指標的影響越大。由圖7、圖8可看出，各參數(shù)對應(yīng)力、應(yīng)變的影響程度由大到小依次為：周圍壁厚＞底部壁厚＞注射壓力；同時可看出，每項因子的最好水平分別為底部壁厚20 mm、周圍壁厚100 mm、注射壓力60 MPa。這與表4所示試驗結(jié)果的最好水平組合 （第9號試驗）僅在周圍壁厚上略有不同。因此，周圍壁厚對模具剛強度的影響還需進一步驗證。

結(jié)合表5、表6對模擬結(jié)果進行變量分析，得出各參數(shù)對應(yīng)力、應(yīng)變的影響程度。各參數(shù)對應(yīng)力的影響程度依次為：周圍壁厚 （46.39%）＞底部壁厚（30.07%）＞注射壓力（23.54%）；各參數(shù)對應(yīng)變的影響程度依次為：周圍壁厚 （48.83%）＞底部壁厚（27.32%）＞注射壓力（23.85%）。

根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變均值響應(yīng)表（表5、表6）和主效應(yīng)圖（圖7、圖8），可得出應(yīng)力、應(yīng)變值的變化趨勢：

（1）周圍壁厚對模具剛強度的影響最大。一定范圍內(nèi)，隨著周圍壁厚的增大，應(yīng)力、應(yīng)變值減小。

（2）底部壁厚對模具剛強度的影響也較大。底部壁厚在10～20 mm范圍內(nèi)，隨著底部壁厚的增大，應(yīng)力、應(yīng)變值減??；在20～30 mm范圍內(nèi)，隨著底部壁厚的增大，應(yīng)力、應(yīng)變值增大；在30～50 mm范圍內(nèi)，隨著底部壁厚的增大，應(yīng)力、應(yīng)變值減小。

（3）注射壓力對模具剛強度的影響較小。在60～100 MPa范圍內(nèi)，應(yīng)力、應(yīng)變值大致呈上升趨勢。

3 結(jié)論

本文采用ANSYS有限元分析軟件和正交試驗設(shè)計方法，研究了塑料檢查井井座模具型腔的底部壁厚、周圍壁厚、注射壓力等三種參數(shù)對模具剛強度的影響，得到如下結(jié)論：

（1）與其他參數(shù)相比，周圍壁厚對塑料檢查井井座模具的剛強度影響較大，在設(shè)計過程中應(yīng)重點考慮該因素。

（2）各參數(shù)對應(yīng)力、應(yīng)變的影響程度由大到小依次均為：周圍壁厚＞底部壁厚＞注射壓力。

（3）模具型腔結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合為：底部壁厚20 mm、注射壓力60 MPa、周圍壁厚80 mm或100 mm。

由于受實驗條件等限制，模具型腔具體參數(shù)值還需進一步深入研究和驗證。

[1] 田文輝.組合式塑料檢查井簡介[J].特種結(jié)構(gòu)，2010，27（1）：117-118.

[2] 張祥中，林廷獻.塑料排水檢查井在住宅小區(qū)的應(yīng)用前景[J].中國給水排水，2008，24（12）：99-101.

[3] 張偉，魏若奇，者東梅，等.塑料檢查井結(jié)構(gòu)完整性分析研究[J].塑料工業(yè)，2015，43（7）：117-120.

[4] 魏春良.塑料水工裝置結(jié)構(gòu)分析與改進設(shè)計研究[D].揚州：揚州大學(xué)，2013.

[5] 魏春良，高建和，趙猛，等.基于ANSYS的塑料檢查井肋板設(shè)計高度的力學(xué)分析 [J].特種結(jié)構(gòu)，2011，28（6）：112-114.

[6] 譚文勝，周建忠.基于Moldflow的大型塑料檢查井注塑流動分析[J].電加工與模具，2016（1）：51-54.

[7] 饒勤波.交通載荷下檢查井受力變形研究 [D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[8] 陳元芳，胡建軍，黃虹，等.提高大型注塑模剛度的研究[J].工程塑料應(yīng)用，2005，33（11）：54-57.

The Analysis and Optimization of Injection Mould Cavity Structure for Plastic Check Well

SHI Caiyun1，TAN Wensheng2
（1.Xuzhou Vocational College of Bioengineering，Xuzhou 221006，China；2.Changzhou Key Laboratory of Large Plastic Parts Intelligence Manufacturing，Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China）

The finite element analysis model is established for rigidity and intensity of the plastic check well cavity mould，and the orthogonal test method is used to study the effect of thickness for the bottom of the mould，thickness for the mould around and injection pressure on the rigidity and intensity of cavity mould.The results show that the influence on each of the parameters on the stress and strain are：thickness for the mould around is bigger than thickness for the bottom of the mould and bigger than injection pressure.Furthermore，the optimal parameters combination which thickness for the bottom of the mould is 20 mm，injection pressure is 60 MPa，thickness for the mould around is 80 mm or 100 mm are got.It provided reference for the research of plastic check wells inspection mould cavity structure.

plastic check well；mould cavity；rigidity and intensity；stress-strain；orthogonal test

TU990.3

A

1009－279X（2017）01－0052-04

2016-09-01

江蘇省科技支撐計劃（工業(yè)支撐）項目（BE2013820）；常州市高技術(shù)研究重點實驗室建設(shè)項目（CM20153001）

師彩云，女，1987年生，碩士研究生。