一、MPI/Fiber簡介

　　纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件的定許多性能與纖維趨向有關(guān)。MPI/Fiber實(shí)際上是在常規(guī)流動(dòng)分析即MPI/Flow的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步預(yù)測制件中的纖維趨向。

　　由于工業(yè)中常用的復(fù)合材料所含填應(yīng)用。體積分?jǐn)?shù)在10~50%之間，因此，在分析時(shí)必須同時(shí)考慮熔體動(dòng)力學(xué)、熔體對纖維的作用和纖維間的相互作用對纖維趨向的影響。在MPI/Fiber中，熔體動(dòng)力學(xué)利用常規(guī)的流動(dòng)分析即MPI/Flow進(jìn)行計(jì)算，熔體對纖維的作用采用Jeffery模型進(jìn)行計(jì)算，纖維間的相互作用采用Tucker-Folger模型進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算過程中，將纖維趨向與流動(dòng)分析完全耦合，從而確保了纖維趨向計(jì)算的可靠性。

　　目前，MPI的填充材料數(shù)據(jù)庫包含了大部分常用的填充材料如玻璃纖維、碳纖維、石棉纖維、硼纖維、鋼纖維、合成材料纖維等，可用于絕大多數(shù)復(fù)合材料制件的分析。

　　纖維趨向是決定制件力學(xué)性能的主要因素，MPI/Fiber在纖維趨向預(yù)測的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步預(yù)測制件的力學(xué)性能。MPI/Fiber提供了五種力學(xué)性能模型供用戶選擇，包括Tandon- Weng模型、Halpin-Tsai模型、Krenchel模型、Cox模型、Ogorkiewicz-Weidmann-Counto模型。

　　此外，MPI/Fiber還提供了三種熱膨脹系數(shù)計(jì)算模型供用戶選擇，包括Schepery模型、 Chamberlain模型和 Rosen- Hasin模型。

　　由于制件的力學(xué)性能和物理性能與基體和纖維的性能有關(guān)，因此，在進(jìn)行分析之前，除了要定義MPI/Flow分析所需的基本數(shù)據(jù)外，還需要定義材料的力學(xué)和物理性能，包括基體和纖維的彈性模量、剪切模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)及纖維的長度、形狀系數(shù)、重量或體積分?jǐn)?shù)。

　　目前，MPI/Fiber可以對制件的中性面模型和Fusion模型進(jìn)行分析。

　　二、MPI/Fiber的作用

　　MPI/Fiber通過對纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料填充和保壓過程的分析，不僅為用戶提供常規(guī)流動(dòng)分析的結(jié)果如填充時(shí)間、壓力、溫度、熔接痕、氣穴等，還可以提供與纖維增強(qiáng)有關(guān)的模擬結(jié)果，幫助用戶進(jìn)行工藝優(yōu)化。本文主要介紹與纖維增強(qiáng)有關(guān)的模擬結(jié)果。

　　(1) 纖維平均趨向 纖維趨向是決定制件力學(xué)性能的主要因素，但是，影響纖維趨向的因素較多。MPI/Fiber可以預(yù)測纖維在整個(gè)成型過程中纖維的運(yùn)動(dòng)及纖維在制件厚度方向的平均趨向。通過優(yōu)化填充形式和纖維趨向以減小收縮變形和制件的翹曲，并盡可能使纖維沿制件受力方向排列以提高制件的強(qiáng)度。

　　(2) 纖維趨向張量 注射成型結(jié)束時(shí)制件厚度方向不同位置的張量分布，是計(jì)算制件在成型過程中熱-機(jī)械性能和制件殘余壓力的重要依據(jù)。

　　(3) 制件的力學(xué)性能 注射成型結(jié)束時(shí)制件厚度方向不同位置的力學(xué)性能如彈性模量、剪切模量、泊松比。由于考慮了制件的實(shí)際成

　　型條件對力學(xué)性能的影響，大大提高了制件翹曲分析及應(yīng)力分析的精度。

　　(4) 制件的熱膨脹系數(shù) 注射成型結(jié)束時(shí)制件厚度方向不同位置的縱向(流動(dòng)方向)和橫向(垂直于流動(dòng)方向)的熱膨脹系數(shù)。

　　三、MPI/Cool應(yīng)用實(shí)例

　　3.1 建模

　　在Pro/ENGINEER中建立制件實(shí)體模型，通過STL文件格式讀入MPI并提取中性面模型，澆注系統(tǒng)在MPI中創(chuàng)建。制件模型和澆注系統(tǒng)如圖1所示。

　　圖1 制件中性面模型和澆注系統(tǒng)

　　3.2 工藝條件

　　制件材料選用Honeywell Plastics Capron 8233G HS，玻璃纖維的重量比為33%。工藝參數(shù)為：熔體溫度280oC，型腔溫度80oC，注射時(shí)間為0.75 Sec，保壓時(shí)間為10s，保壓壓力為注射壓力的80%，冷卻時(shí)間為20s。

　　3.3 模擬結(jié)果

　　按照上述工藝條件，對制件的填充和保壓過程進(jìn)行了分析，得到的與纖維增強(qiáng)有關(guān)的部分模擬結(jié)果如圖2所示。

　　(c) 制件彈性模量分布云圖 (d) 制件熱膨脹系數(shù)等值線圖

　　圖2 纖維填充模擬得到的結(jié)果

　　四、結(jié)束語

　　MPI/Fiber通過對短纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料填充和保壓過程的模擬，幫助工藝人員全面了解成型條件對制件質(zhì)量及纖維趨向的影響，并為隨后進(jìn)行的翹曲分析和應(yīng)力分析提供了可靠的依據(jù)。這對于提高纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件的質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。