基于Moldex3D与Abaqus的工业安全帽耦合模拟仿真

Coupling Simulation of Industrial Safety Helmet Based on Moldex3D and Abaqus

摘要

以工业安全帽为研究对象，利用Moldex3D软件进行注塑模拟分析，以熔体温度、模具温度、保压时间、保压压力为优化变量，设计四因素三水平正交试验，得到最优工艺参数组合，以降低安全帽的残余应力。将优化方案的安全帽注塑模拟结果导入Abaqus中，并建立安全帽帽壳、帽衬、头模、传感器、落锤、穿刺锥的模型，进行安全帽冲击和耐穿刺性能的注塑-结构耦合模拟。冲击与耐穿刺耦合模拟结果中头模受力值分别为3 407.00 N和1 775.83 N。按照国家标准测试安全帽的冲击性能和耐穿刺性能，头模受力平均值分别为3 261.00 N和1 957.30 N。模拟值与实测值的误差分别为4.48%和9.27%，均在10%以内。

Abstract

Taking industrial safety helmet as the research object, Moldex3D software was applied to conduct injection molding simulation analysis. With melt temperature, mold temperature, holding time and holding pressure as optimization variables, a four-factor and three-level orthogonal test was designed to obtain the optimal combination of process parameters to reduce the residual stress of safety helmet. The injection molding simulation results of the optimized scheme were imported into Abaqus, and the models of the helmet shell, hat lining, head die, sensor, drop hammer and puncture cone were established. The injection molding and structure coupling simulation of the impact and puncture resistance of the helmet was carried out. The force values of the head die in the coupling simulation results of impact and puncture resistance were 3 407.00 N and 1 775.83 N, respectively. According to the national standard, the impact performance and puncture resistance of the helmet were tested, and the average force of the head die was 3 261.00 N and 1 957.30 N, respectively. The errors of the simulated and measured values were 4.48% and 9.27%, respectively, both within 10%.

Graphical abstract

关键词

工业安全帽 / Moldex3D / 注塑模拟 / Abaqus / 耦合分析

Key words

Industrial safety helmet / Moldex3D / Injection molding simulation / Abaqus / Coupling analysis

在生产作业中，安全帽可通过吸收冲击力起到有效降低头部受伤风险的防护作用^[1-3]。国内外研究人员研究了结构设计、材料等因素对安全帽力学性能的影响，并引入有限元方法描述其力学性能^[4-6]。马舒琪等^[7]、李启月等^[8]通过落锤试验测试和CAE模拟分别研究了头模所受冲击力和帽壳吸能率等安全帽抗冲击性能。然而，注塑过程中产生残余应力对制品的力学性能的影响也较为显著，通常认为注塑件的残余应力是热残余应力与流动残余应力的叠加^[9-10]。

本文首先使用Moldex3D软件进行注塑模拟，以熔体温度、模具温度、保压时间、保压压力为优化变量，热残余应力和流动残余应力为优化目标，设计四因素三水平正交试验得出最佳工艺参数组合。随后，将优化方案模拟得出的残余应力、缝合线等注塑信息导入Abaqus中进行注塑-结构耦合分析，建立安全帽力学性能测试系统模型，在此结构模拟中引入注塑结果以提高模拟的准确度，对该款工业安全帽的抗冲击性能与耐穿刺性能进行注塑-结构耦合模拟，旨在为后续同类产品开发前对其力学性能的验证提供参考。

1 基于正交试验的安全帽注塑模拟

1.1 初始方案模拟

图1为工业安全帽及热流道模型。安全帽平均壁厚约为3.5 mm，流道设计为单型腔热流道系统直接进胶，流道直径为Φ10 mm，浇口直径为Φ5 mm。将工业安全帽模型导入Moldex3D软件中并划分网格，网格尺寸为2 mm，网格类型为四面体；流道网格尺寸也为2 mm，网格类型为六面体。安全帽通常采用抗冲击性良好的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)塑料来制造^[11]，因此在注塑模拟中材料选用CHIMEI公司生产的牌号为PA747的ABS，熔体温度推荐范围190~230 ℃，模具温度推荐范围30~70 ℃。

在Moldex3D软件推荐工艺参数组合下，进行注塑模拟分析，工艺参数设置如下：熔体温度为210 ℃，模具温度为50 ℃，保压时间为10 s，保压压力为90 MPa，充填时间为1.6 s，流率为100%，射压为150 MPa，v/p切换时刻为充填99%时，冷却时间为15 s，顶出温度为104 ℃。

图2为初始模拟结果。从图2可以看出，安全帽充填均匀，充填完成时间为1.648 s；最大凹痕位移为0.036 mm；体积收缩集中在浇口附近，最大体积收缩率为3.621%，帽壳其他区域收缩率均小于1%；翘曲总位移为0.231~0.899 mm；最大流动残余应力为2.716 MPa；最大热残余应力为21.494 MPa。初始方案注塑分析结果中，残余应力值较大，对安全帽的力学性能有较大影响。因此，将残余应力(包括流动残余应力和热残余应力)作为优化目标进行注塑工艺参数优化。

1.2 正交试验设计与分析

温度、压力、保压时间等工艺参数是影响注塑件残余应力的重要因素^[12-14]。为了降低塑件的残余应力，采用正交试验方法在Moldex3D软件中对安全帽注塑过程进行模拟仿真，优化成型工艺参数组合^[15-16]。

选取熔体温度(A)、模具温度(B)、保压时间(C)、保压压力(D)4个工艺参数为试验因素，各设定3个水平。表1为L₉(3⁴)正交试验因素水平设计。其他工艺参数设定与初始设置一致，以最大流动残余应力和最大热残余应力为优化指标。

表2为L₉(3⁴)正交试验结果。K_fi 、K_Ti 分别表示水平为i时最大流动残余应力和最大热残余应力的算数平均值；R_f、R_T分别表示两个指标的极差值。极差分析法是正交试验后分析各因素对结果指标的影响大小以及找出最优工艺参数组合的一种直观分析方法^[17-18]。从表3可以看出，最大流动残余应力的极差R_f顺序为：R_BR_AR_CR_D；最大热残余应力的极差R_T顺序为：R_BR_AR_DR_C。

从极差分析可以看出，对两种残余应力影响最大的因素均为模具温度，模具温度升高使残余应力明显降低；其次是熔体温度，随着熔体温度升高，分子链段取向程度增大，流动残余应力逐渐减小；熔体温度升高使塑件各部分收缩不一致，使热残余应力先增大，随着熔体温度进一步升高，冷却速度减慢，因此热残余应力后减小；保压时间和保压压力影响较小，随着保压时间增加，残余应力减小，但过长的保压时间会使塑件过保压，因此保压时间为14 s。同理，保压压力可取90 MPa，使两种残余应力均最小。

1.3 最优工艺参数组合下的模拟结果

通过正交试验与极差分析，确定最优工艺参数组合为A₃B₃C₃D₂，即熔体温度为230 ℃，模具温度为70 ℃，保压时间为14 s，保压压力为90 MPa。随后在Moldex3D中按照最优工艺参数组合设置并分析。图3为最优方案模拟结果。从图3可以看出，缝合线集中在帽壳前方通气孔的下侧边；最大流动残余应力为1.487 MPa，主要集中在浇口和帽壳侧面曲率最大处，比初始方案模拟值小1.229 MPa，下降45.25%；最大热残余应力为15.262 MPa，主要分布在帽沿与帽舌的边缘处，比初始方案模拟值小6.232 MPa，下降28.99%。

2 安全帽力学性能耦合模拟

2.1 模型创建与材料设定

安全帽帽壳的材料设定为ABS，密度为1.068 g/cm³，弹性模量为2 200 MPa，泊松比为0.394，屈服强度为50 MPa。帽衬组件中塑料部分也为ABS；织物部分设定为尼龙织物，密度为1.15 g/cm³，弹性模量为4 000 MPa，泊松比为0.4。按照GB/T 2812—2006的要求绘制落锤、穿刺锥和头模，落锤质量为5 kg，穿刺锥质量为3 kg，材料均为45#钢，弹性模量为209 000 MPa，泊松比为0.269，密度为7.89 g/cm³。头模的质量为5 kg，材料设定为铝，密度为2.7 g/cm³，弹性模量为70 000 MPa，泊松比为0.35。根据安全帽力学性能实验测试的原理，建立一直径为Φ40 mm、高度为20 mm的圆柱体作为传感器模型，属性设置为刚体。落锤和穿刺锥的下端距安全帽帽顶高度为1 000 mm，垂直下落砸至安全帽顶筋的中心区域。图4为部件装配关系。

2.2 模拟前处理

塑料制品的力学性能不仅与材料选用、结构设计等相关，也与成型工艺条件以及注塑过程中产生的熔接线、残余应力等相关^[19-20]。因此，需要考虑注塑过程对安全帽力学性能的影响。Moldex3D软件的FEA输出接口功能可将注塑模拟得到的残余应力、缝合线等信息映射到塑件网格文档中并导入Abaqus等结构CAE软件中进行耦合分析^[21-22]。

将导出的包含有熔接线、残余应力等注塑模拟结果数据的.inp结果文件导入Abaqus中，生成其他部件的有限元网格，指定各部件的单元尺寸：帽衬组件为3 mm，头模、落锤、穿刺锥均为10 mm，传感器模型为2 mm。

图5为前处理设置。从图5可以看出，安全帽网格划分中，网格类型均为四面体网格；载荷与边界条件设置中，落锤和穿刺锥在测试过程中沿着中心轴线做自由落体运动，设置沿着y轴负方向的重力加速度为9.8 m/s²，所有部件在x、z方向的速度/角速度均设为0，其中，将传感器模型完全固定；相互作用设置中，帽壳内部安装槽与对应的帽衬固定块表面分别设置结点区域-表面接触，下颏带与头模、头模与传感器模型之间分别设置表面-表面接触，将传感器下表面的圆心设为参考点RP，作为反作用力的测量点。前处理完成后，创建分析作业并提交计算。

2.3 耦合模拟结果

根据冲击动力学理论^[23-25]，落锤冲击安全帽产生的总能量E_I分为3部分：一部分能量E_R被反射回落锤，一部分能量E_A被安全帽吸收，剩余的能量E_T经帽衬传递作用于头模。类比分离式Hopkinson压杆实验，各部件均在同一中心轴线上，将该系统中传播的应力波简化为一维模型。模拟中传感器是完全固定的刚体，其参考点处的反作用力为传递到头模的力。

2.3.1 冲击模拟结果

图6为冲击耦合模拟结果。从图6可以看出，帽壳上最大应力为33.88 MPa，小于所选用ABS的屈服强度；最大位移为7.331 mm，最大塑性应变为0.198%；传感器模型上参考点的反作用力为3 407 N。

2.3.2 耐穿刺模拟结果

图7为耐穿刺耦合模拟结果。从图7可以看出，帽壳上最大应力为24.79 MPa，小于所选用ABS的屈服强度；最大位移为6.072 mm，最大塑性应变为0.399 6%，穿刺锥没有穿透帽壳，也未接触头模；传感器模型上参考点的反作用力为1 776 N。

3 力学性能测试结果

为验证注塑-结构耦合模拟所得结果的准确性，根据注塑模拟正交试验优化所得的最优工艺参数组合进行注塑生产，抽取6顶安全帽样品并分为两组，分别测试安全帽的冲击性能和耐穿刺性能，按照GB/T 2812—2006进行测试。GB 2811—2019中对安全帽帽壳的基本性能要求为：冲击性能测试中安全帽传递到头模的力小于4 900 N，帽壳不得有碎片脱落；耐穿刺性能测试中穿刺锥不得接触头模表面，帽壳不得有碎片脱落。

图8为安全帽耐冲击穿刺测试仪。仪器型号为ZKHW-101，生产厂家为青岛中科恒维智能科技有限公司。落锤质量为5 kg，穿刺锥质量为3 kg。由无漏磁式电磁铁吸附落锤和穿刺锥；锤头、锥尖到安全帽顶部距离均为1 000 mm；采用红外激光定位系统定位安全帽顶筋中心区域，以保证落锤与穿刺锥的作用点位于安全帽中心；采用PLC力值采集处理系统检测头模受力。

表3为力学性能测试结果。从表3可以看出，冲击测试实验中头模受力峰值最大值为3 528.0 N，平均值为3 261.0 N；耐穿刺测试实验中头模受力峰值的最大值为2 538.0 N，平均值为1 957.3 N。安全帽的顶筋部分受穿刺锥作用产生凹坑，如图9所示。冲击测试和耐穿刺测试中帽壳均无破碎现象。

表4为实验测试与模拟分析结果对比。从表4可以看出，冲击耦合分析中传感器模型上参考点的反作用力比实验测试平均值大146 N，误差约为4.48%；耐穿刺耦合分析结果比实验测试平均值小181.47 N，误差约为9.27 %。二者误差均在10%以内，说明耦合模拟结果与实验值有较好的一致性。

4 结论

应用Moldex3D软件对安全帽进行注塑模拟分析，并设计四因素三水平正交试验对残余应力进行优化，优化方案的最大流动残余应力为1.487 MPa，比初始方案模拟值降低1.229 MPa，下降45.25%；最大热残余应力为15.262 MPa，比初始方案模拟值降低6.232 MPa，下降28.99%。

将优化方案的注塑模拟结果导入Abaqus中，对安全帽的力学性能做耦合分析。冲击和耐穿刺耦合模拟的反作用力分别为3 407.00 N和1 775.83 N。按照国家标准测试安全帽的冲击与耐穿刺性能，测试平均值分别为3 261.00 N和1 957.30 N。模拟值的误差分别为4.48%和9.27%，均在10%以内。

利用注塑-结构耦合分析安全帽的力学性能，模拟结果与实验测试结果具有较高的一致性，对开发安全帽新产品的力学性能验证有较好的应用价值。

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基金资助

山东省研究生教育质量提升计划项目(SDYAL21102)