塑料检查井注塑模具型腔结构分析及优化

师彩云，谭文胜

（1.徐州生物工程职业技术学院，江苏徐州221006；2.常州信息职业技术学院，常州市大型塑料件智能化制造重点实验室，江苏常州213164）

塑料检查井注塑模具型腔结构分析及优化

师彩云1，谭文胜2

（1.徐州生物工程职业技术学院，江苏徐州221006；2.常州信息职业技术学院，常州市大型塑料件智能化制造重点实验室，江苏常州213164）

通过建立塑料检查井模具型腔刚强度有限元分析模型，采用正交试验设计方法研究了模具底部壁厚、周围壁厚及注射压力等参数对模具型腔刚强度的影响规律。结果表明：各参数对模具型腔应力、应变的影响程度均为：周围壁厚＞底部壁厚＞注射压力；模具型腔结构设计的最优参数组合为：底部壁厚20 mm、注射压力60 MPa、周围壁厚80 mm或100 mm。可为检查井注塑模具型腔结构设计提供参考。

塑料检查井；模具型腔；刚强度；应力应变；正交试验

塑料检查井是广泛应用于市政管网建设的大型塑料管件[1-2]，因其具有便于施工、成本低、使用寿命长和抗渗性好等优点，使国内外学者对塑料检查井展开了深入的技术开发和应用研究工作。张伟分析了不同的结构和填埋深度对检查井刚强度的影响[3]；魏春良对塑料检查井结构的刚强度进行了计算，并对检查井模具结构设计进行了研究[4-5]；谭文胜利用Moldflow软件对大型塑料检查井进行了注塑流动分析[6]；饶勤波研究了汽车冲击载荷下的检查井残余应力及残余变形计算方法[7]。目前，国内外针对大型塑料检查井的研究主要集中在结构性改进及工艺性能分析等方面。

由于模具型腔刚强度是影响注塑件成形质量的主要因素[8]，故型腔参数的选择是提高塑料检查井模具型腔刚强度的关键技术问题。本文采用ANSYS软件和正交试验设计方法，研究了模具底部壁厚、周围壁厚、注射压力三种参数对塑料检查井模具型腔刚强度的影响，并进行了模具型腔参数优化组合设计。

1 模型分析

1.1 三维模型

大型塑料检查井的井座注塑模具一般采用具有较强综合性能的40Cr钢材，其特性见表1。根据某大型塑料检查井系列产品，选取如表2所示的井座尺寸数据，并利用Pro/E软件进行三维建模 （图1）。

依据课题组之前的研究结果，对比分析模具型腔的二种不同结构，得出如图2所示的模具型腔更合理。本文以模具底部壁厚20 mm、型腔至模具型腔侧面为周围壁厚80 mm为例。

1.2 有限元分析模型

有限元分析步骤如下：

（1）利用Pro/E软件建立井座模具型腔模块，并将模型以.x_t格式储存；

（2）将模型以.x_t格式导入ANSYS软件中进行有限元分析；

（3）材料属性设置见表1。根据模具特点，采用solid187实体单元网格划分，并通过自动网格划分和局部优化处理的网格划分方法建立有限元模型（图3）；

（4）以注射压力为60 MPa为例，对模具进行载荷施加。经查阅资料，锁模力为10 000 kN。

在上述条件下，由塑料检查井井座模具型腔模型的应力云图（图4）可知，应力最大值出现在支管顶端，为4.56×1010Pa，其余部分的应力值较小，因此，在实际应用过程中需加大支管顶端的强度。由模型的应变云图（图5）可知，主管底部及其另外二个支管的应变较小，而同样左侧支管顶端应变较大，最大应变为0.228 652。

2 正交试验设计

2.1 Minitab DOE试验设计

采用Minitab DOE正交试验设计矩阵，分析所有因素对实验指标的影响程度，并获得对应水平下的最优水平组合。试验设计流程见图6。

2.2 正交试验方案及结果

由于底部壁厚、周围壁厚和注射压力均会对塑料检查井井座模具的受力变形产生影响，所以选取这三个可控尺寸参数作为试验因子，进行正交试验设计。按Minitab DOE方法选取三因素五水平正交试验表（表3），分析不同参数水平组合下的ANSYS模拟分析结果。根据L25正交表，结合ANSYS软件进行模拟分析得到的试验结果见表4。

本试验的目标是在一定锁模力作用下，对模拟结果进行均值和变量分析，并根据每个试验因素在总体方差中所占的百分比确定各参素对应力、应变的影响程度，从而预测获得底部壁厚、周围壁厚和注射压力等参数的最优组合。

图7、图8分别是应力、应变的均值主响应图。其中，横坐标为底部壁厚、周围壁厚和注射压力等参数的水平项，纵坐标为应力、应变在不同水平下的均值；极差越大，则改变该因子的水平会对指标造成较大的变化，即该因子对指标的影响越大。由图7、图8可看出，各参数对应力、应变的影响程度由大到小依次为：周围壁厚＞底部壁厚＞注射压力；同时可看出，每项因子的最好水平分别为底部壁厚20 mm、周围壁厚100 mm、注射压力60 MPa。这与表4所示试验结果的最好水平组合 （第9号试验）仅在周围壁厚上略有不同。因此，周围壁厚对模具刚强度的影响还需进一步验证。

结合表5、表6对模拟结果进行变量分析，得出各参数对应力、应变的影响程度。各参数对应力的影响程度依次为：周围壁厚 （46.39%）＞底部壁厚（30.07%）＞注射压力（23.54%）；各参数对应变的影响程度依次为：周围壁厚 （48.83%）＞底部壁厚（27.32%）＞注射压力（23.85%）。

根据应力、应变均值响应表（表5、表6）和主效应图（图7、图8），可得出应力、应变值的变化趋势：

（1）周围壁厚对模具刚强度的影响最大。一定范围内，随着周围壁厚的增大，应力、应变值减小。

（2）底部壁厚对模具刚强度的影响也较大。底部壁厚在10～20 mm范围内，随着底部壁厚的增大，应力、应变值减小；在20～30 mm范围内，随着底部壁厚的增大，应力、应变值增大；在30～50 mm范围内，随着底部壁厚的增大，应力、应变值减小。

（3）注射压力对模具刚强度的影响较小。在60～100 MPa范围内，应力、应变值大致呈上升趋势。

3 结论

本文采用ANSYS有限元分析软件和正交试验设计方法，研究了塑料检查井井座模具型腔的底部壁厚、周围壁厚、注射压力等三种参数对模具刚强度的影响，得到如下结论：

（1）与其他参数相比，周围壁厚对塑料检查井井座模具的刚强度影响较大，在设计过程中应重点考虑该因素。

（2）各参数对应力、应变的影响程度由大到小依次均为：周围壁厚＞底部壁厚＞注射压力。

（3）模具型腔结构的最优参数组合为：底部壁厚20 mm、注射压力60 MPa、周围壁厚80 mm或100 mm。

由于受实验条件等限制，模具型腔具体参数值还需进一步深入研究和验证。

[1] 田文辉.组合式塑料检查井简介[J].特种结构，2010，27（1）：117-118.

[2] 张祥中，林廷献.塑料排水检查井在住宅小区的应用前景[J].中国给水排水，2008，24（12）：99-101.

[3] 张伟，魏若奇，者东梅，等.塑料检查井结构完整性分析研究[J].塑料工业，2015，43（7）：117-120.

[4] 魏春良.塑料水工装置结构分析与改进设计研究[D].扬州：扬州大学，2013.

[5] 魏春良，高建和，赵猛，等.基于ANSYS的塑料检查井肋板设计高度的力学分析 [J].特种结构，2011，28（6）：112-114.

[6] 谭文胜，周建忠.基于Moldflow的大型塑料检查井注塑流动分析[J].电加工与模具，2016（1）：51-54.

[7] 饶勤波.交通载荷下检查井受力变形研究 [D].杭州：浙江大学，2010.

[8] 陈元芳，胡建军，黄虹，等.提高大型注塑模刚度的研究[J].工程塑料应用，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

江苏省科技支撑计划（工业支撑）项目（BE2013820）；常州市高技术研究重点实验室建设项目（CM20153001）

师彩云，女，1987年生，硕士研究生。