一、MPI/Fiber簡介

　　纖維增強復合材料制件的定許多性能與纖維趨向有關。MPI/Fiber實際上是在常規(guī)流動分析即MPI/Flow的基礎上，進一步預測制件中的纖維趨向。

　　由于工業(yè)中常用的復合材料所含填應用。體積分數(shù)在10~50%之間，因此，在分析時必須同時考慮熔體動力學、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，熔體動力學利用常規(guī)的流動分析即MPI/Flow進行計算，熔體對纖維的作用采用Jeffery模型進行計算，纖維間的相互作用采用Tucker-Folger模型進行計算。在計算過程中，將纖維趨向與流動分析完全耦合，從而確保了纖維趨向計算的可靠性。

　　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)復合材料制件的分析。

　　纖維趨向是決定制件力學性能的主要因素，MPI/Fiber在纖維趨向預測的基礎上可以進一步預測制件的力學性能。MPI/Fiber提供了五種力學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。

　　由于制件的力學性能和物理性能與基體和纖維的性能有關，因此，在進行分析之前，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)、重量或體積分數(shù)。

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

　　二、MPI/Fiber的作用

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

　　(1) 纖維平均趨向 纖維趨向是決定制件力學性能的主要因素，但是，影響纖維趨向的因素較多。MPI/Fiber可以預測纖維在整個成型過程中纖維的運動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度。

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

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

　　型條件對力學性能的影響，大大提高了制件翹曲分析及應力分析的精度。

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

　　三、MPI/Cool應用實例

　　3.1 建模

　　在Pro/ENGINEER中建立制件實體模型，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，注射時間為0.75 Sec，保壓時間為10s，保壓壓力為注射壓力的80%，冷卻時間為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行了分析，得到的與纖維增強有關的部分模擬結(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通過對短纖維增強樹脂基復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，并為隨后進行的翹曲分析和應力分析提供了可靠的依據(jù)。這對于提高纖維增強復合材料制件的質(zhì)量具有重要的指導意義。