预冲孔孔型结构对多向塑料土工格栅拉伸成型的影响

＊刘计 袁洪波 刘镇镇 赵新海 宋立彬 郑超*

（1.山东大学材料科学与工程学院 山东 250061 2.肥城联谊工程塑料有限公司 山东 271608）

1.引言

塑料土工格栅在工程建设领域应用极为广泛，它具有抗拉强度高、尺寸稳定性好、操作简便、成本低廉等优点，在公路铁路路基建设、水利设施边坡防护、隧道涵洞加固等方面发挥重要作用[1-2]。塑料土工格栅以聚丙烯或高密度聚乙烯为原料，经挤出板材、预冲孔和拉伸成型制成。根据承载方向不同，塑料土工格栅可分为单向、双向和多向格栅。多向格栅的节点由不同方向的多个筋条汇聚而成，与单向和双向格栅相比可以承担更多方向的载荷作用，能够与土、石等形成更为牢固的嵌锁结构，近年来受到工程建设界青睐。然而，多向格栅相关专利集中在国外公司，国内仍以单向和双向格栅为主，针对多向格栅及其拉伸成型工艺的研发水平相对落后。因此，着力研制新型多向土工格栅既能服务国家高铁、机场等重大工程建设，又可抢占蓬勃发展的土工合成材料市场，提高国内格栅生产企业竞争力。

预冲孔工序通过压力机上的模具在挤出板材上加工获得按照一定规律分布的孔型结构，为后续拉伸成型提供初始板材。预冲孔孔型结构包括孔形状、孔基本尺寸、孔间距等，它们构成基本结构单元，并在板材上重复出现。孔型结构不仅影响塑料在拉伸成型过程的变形行为，而且与最终格栅的形状尺寸密切相关。然而由于预冲孔孔型结构参数众多，通过实验研究不同参数组合的影响极其耗时耗力。利用有限元法开展数值模拟，能够预测不同孔型结构下塑料的拉伸变形行为和成型结果，进而对比不同孔型结构设计方案的优劣，为研制新型多向土工格栅和提出与之适应的拉伸工艺提供了有效途径，受到国内外研究者重视。曹茜[3]建立了塑料土工格栅拉伸成型有限元分析模型，分析了拉伸温度、拉伸速度对格栅变形特性的影响。郑超等[4]通过有限元模拟方法发现预冲孔纵向、横向间距对单向格栅的节点尺寸和应变分布起到关键作用。刘杰[5]通过有限元模拟方法揭示了圆孔孔径和孔间距对双向格栅拉伸成型的影响规律。许闻博[6]在有限元模拟分析的基础上，提出对预冲孔孔型进行优化设计能够提升格栅力学性能。王征[7]围绕三种孔型条件下单向格栅拉伸成型进行有限元分析，发现方形孔获得的格栅力学性能更优。Dong等[8]基于有限元法研究了双向和多向格栅受拉时的力学响应，结果表明多向格栅抗拉强度和刚度分布更加均匀，更能有效承受多向载荷。目前，针对预冲孔孔型结构的研究集中在单向和双向格栅，而多向格栅相关研究极少。本文针对某新型多向土工格栅建立有限元分析模型，通过对比实验与模拟结果验证其可靠性，进而利用该模型分析不同预冲孔孔型结构对多向格栅拉伸变形行为的影响。

2.预冲孔孔型结构设计方案

图1所示为某新型多向土工格栅示意图。其中，水平和垂直方向上的筋条为主筋，斜向筋条为辅筋。与双向格栅相比，它通过增设多条辅筋，以增加承载筋条和网孔数量，有利于提高格栅承载能力。依据相似性原则，判断该格栅对应的预冲孔板材基本结构单元由一个中心大孔和四个周边小孔组成。各孔选用预冲孔工艺普遍采用的圆形、菱形和三角形三种基本形状[9]。设定基本结构单元的中间大孔采用圆形或菱形，而四周小孔采用圆形或三角形，由此提出四种预冲孔孔型结构设计方案，如图2所示。每种方案以“中心大孔形状-四周小孔形状”命名。其中，中间大圆孔半径为2mm，四周小圆孔半径为1mm。遵循面积相等原则，由圆孔尺寸分别计算获得菱形孔和三角形孔的基本尺寸，并对其进行倒圆角处理[10]。

图1 一种新型多向土工格栅示意图

图2 预冲孔孔型结构设计方案

3.多向土工格栅拉伸成型有限元建模

(1)模型建立

采用ABAQUS有限元软件建立多向土工格栅拉伸成型有限元分析模型。考虑到结构的对称性，选取图2预冲孔孔型结构的1/4为研究对象，使用聚丙烯为格栅原材料。由于实际生产时，格栅拉伸成型是在接近封闭的高温环境内进行，因此整个成型过程可视为等温过程。根据聚丙烯格栅生产常用参数，设定拉伸温度为120℃，拉伸速度为60mm/min。依据《GB/T 1040.1-2018塑料拉伸性能的测定 第1部分:总则》，采用万能材料试验机和高低温箱测试得到聚丙烯在对应温度和速度条件下的应力应变曲线，并导入有限元软件中描述材料的力学性能。使用八节点六面体单元进行网格划分，当格栅主筋长度达到30mm时模拟停止。

(2)模型验证

选取图2(d)中的“菱形-三角形”设计方案，通过实验验证所建立有限元模型的可靠性。验证实验在山东大学材料成型实验室进行。采用激光切割机制备图2(d)所示预冲孔板材，如图3(a)所示。通过自主研制的格栅拉伸成型试验机完成拉伸，保持实验与模拟工艺条件一致，获得的格栅产品如图3(b)所示。

图3 实验结果

由于筋条在格栅中起到承载作用，其成型结果对格栅性能影响较大，因此利用游标卡尺分别测量主筋和辅筋中心处的宽度，并取5组结果的平均值与有限元模拟结果进行对比。对于主筋，实验平均值为1.44mm，模拟结果为1.56mm，误差为-8.33%；对于辅筋，实验平均值为1.02mm，模拟结果为1.00mm，误差为1.96%。综上可知，利用本文建立的有限元模型计算得到的成型结果与实验结果相比误差较小，能够用于后续预冲孔孔型结构影响研究。

4.结果与讨论

利用所建立的有限元模型分析不同预冲孔孔型结构下的拉伸成型过程，对比得到的格栅产品形貌、筋条宽度，并分析主筋、辅筋的应变分布特性。

(1)格栅成型质量

图4所示为不同预冲孔孔型的基本结构单元及其对应的拉伸成型模拟结果。可以看到，对于四种预冲孔孔型结构设计方案，在本文拉伸成型条件下均能获得与图1所示多向格栅形貌相近的产品。为精确对比拉伸成型结果，分别测量四种情况下主筋和辅筋中心处的宽度。图4(a)-(d)中，主筋宽度依次为1.38mm、1.36mm、1.57mm和1.56mm，辅筋宽度分别是0.37mm、0.54mm、0.69mm和1.00mm。可以看到，图4(c)和(d)孔型结构对应的主筋宽度大于图4(a)和(b)两种情况。分析认为，当四周小孔为三角形时，其两条直角边与主筋方向平行，与圆孔相比拉伸过程中变形扩展较小，因此三角形小孔最终形成的主筋宽度更大一些。这说明周边小孔的孔形状对格栅主筋宽度具有显著影响。此外，图4(d)中辅筋宽度与其他三种情况相比明显较大，且沿辅筋各处宽度一致性较好。分析图4可以发现，格栅辅筋是由位于中心大孔与四周小孔之间区域的材料拉伸形成。对于图4(d)，由于该区域材料（三角形斜边与菱形边之间部分）尺寸一致性好，且该部分材料方向与辅筋铺设方向一致，因而最终形成的辅筋宽度较大，且宽度一致性好。

图4 不同预冲孔孔型结构及其拉伸成型结果

(2)应变分布特性

塑料在拉伸成型过程中，内部分子链沿拉伸方向被拉直而产生取向强化，因此合理增大变形量有助于提升产品承载性能[11]。为研究格栅应变分布特性，分别沿主筋和辅筋提取应变数据，提取路径如图5所示。图6为格栅主筋和辅筋沿提取路径的应变分布曲线。

图5 格栅应变提取路径

图6 格栅应变分布

由图6可知，对于四种孔型结构，无论是格栅主筋还是辅筋，在靠近节点处应变接近于0；在筋条中间区域应变较大，且不同孔型结构下该区域应变差异明显。对于主筋，“圆形-圆形”和“菱形-圆形”两种结构下应变变化趋势相近，而“圆形-三角形”应变变化则与“菱形-三角形”十分接近，如图6(a)所示。这说明格栅主筋应变分布与周边小孔的孔形状密切相关。如图4所示，当周边小孔形状不同时，用于形成主筋的材料在拉伸成型时发生不同程度的流动，导致最终格栅主筋上应变分布不同。

对于辅筋，由图6(b)可知，四种孔型结构下辅筋中间区域的应变明显不同，说明格栅辅筋应变分布特性受到预冲孔结构中心大孔和四周小孔的综合影响。其中，“菱形-三角形”结构辅筋中间区域应变最小，而“圆形-圆形”和“菱形-圆形”结构该区域应变较大。然而由图4(a)和(b)可知，“圆形-圆形”和“菱形-圆形”两种结构下辅筋宽度明显较小，这对筋条承载能力有不利影响。此外，“菱形-三角形”结构辅筋中间区域应变一致性好，说明材料变形更为均匀。因此，综合考虑格栅形貌、筋条宽度和筋条应变分布特性，“菱形-三角形”孔型结构宜优先选用。

5.结论

（1）预冲孔板材周边小孔的孔形状对格栅主筋宽度和应变分布具有显著影响；辅筋宽度与位于中心大孔和四周小孔之间区域的材料形状有关，而辅筋应变分布受到预冲孔孔型结构的综合作用。

（2）采用“菱形-三角形”预冲孔孔型结构获得的多向土工格栅主筋宽度和辅筋宽度相差小、宽度一致性好、筋条应变分布更均匀。