塑料以其質量輕、設計空間大、制造成本低、性能優異的顯著特點，成為了二十一世紀汽車、電子、家電等工業領域最好材料的選擇之一。尤其是工程塑料，以其較高的拉伸強度、彎曲彈性模量、耐熱性，在有承載要求的結構件中應用日益廣泛。為達到預期使用壽命，工程師采用傳統的思路一安全系數來設計產品。但塑料注塑件設計的失敗通常發生在設計者不明白不同載荷條件下的安全系數與塑料的行為(呈現與時間、溫度相關的黏塑性)的關系，以及注塑加工過程對設計強度的影響，從而導致注塑件斷裂、變形的各種失效。

　　1 注塑件的強度設計及預測

　　1.1 注塑件的強度設計

　　安全系數是衡量產品能達到預期使用壽命的能力，它給出了零件在任意操作條件下都不會失效的保證。與金屬零件不同，對于塑料注塑件而言，其安全系數的設計不僅僅要考慮材料本身的性能，還應該能補償零件從加工到成型整個過程的缺陷，以及后續使用過程的波動。

　　材料性能安全系數，用于在零件設計初期階段的材料選擇。在快速裝配(如卡扣)和壓力裝配的應用場合，主要利用塑料的彈性變形性能，要求塑料發生彈性變形但不能發生塑性變形，因此，材料安全系數可基于屈服應力來計算，即n快速裝酊肝力裝配=6屈服/6許用。而對于柔性鉸鏈的應用場所，失效形式表現為斷裂，此時，材料安全系數是基于極限應力來計算，即17,柔性鉸鏈=6板限/8許用。在許用應力一定情況下，材料的屈服應力或極限應力越高，其安全性能越好。

　　設計安全系數，不僅與載荷類型有關，還與塑料的力學特性(呈現與時間、溫度相關的黏塑性)有關。典型載荷類型、塑料的相關性質與安全系數的不同分類如表1。

　　表1 塑料特性、載荷特點與安全系數

　　1)靜態安全系數：當外部載荷為短時載荷時，比如組裝或使用時偶爾短時加載，該種載荷下零件強度主要與材料的應力應變曲線中的屈服強度有關，此時的安全系數體現為靜態安全系數。

　　2)時間安全系數：當零件在較長時間內承受較大外載荷，比如過盈配合、扣位或螺紋緊固，此時，載荷表現出長期性特點。對于塑料材料而言，隨著時間變化，將發生蠕變和應力松弛現象，零件承受這種載荷時應考慮塑料材料的蠕變特性來進行零件的安全系數計算，以避免發生應力斷裂，或者發生應力松弛而導致配合松動。

　　3)動態安全系數：當零件在長時間范圍內承受間斷或周期的外部載荷時，就需要利用塑料材料的S-N特性來設計零件的安全系數。

　　4)沖擊安全系數：對于高速或沖擊載荷(高速載荷是指速度大于1 m/s;而沖擊載荷指的是速度大于50 m/s)，需要避免載荷施加在殘余應力或裝配應力大的區域，應采用屈服強度來設計零件的安全系數。當寬度、厚度發生改變時，應采用光滑的大圓角設計來避免應力集中;

　　加工過程安全系數，主要用來補償注塑成型缺陷所導致的強度降低，這些注塑成型缺陷包括熔接痕、氣泡、應力集中等。

　　操作條件安全系數，主要用來補償特殊的操作條件，如儲藏、運輸和使用過程中的過熱、過冷或過高的相對濕度、紫外線照射、鹽水浸泡、腐蝕介質環境，也就是說，耐候性條件對操作條件安全系數影響很大。對于應用在過高或過低溫度的場合，應避免零件問的熱膨脹系數差異過大，給與零件較大的間隙以容納材料隨溫度變化的伸縮。

　　1.2注塑件的強度預測

　　塑料件的強度不僅依賴于材料本身，也與零件幾何形狀、施加在零件上的載荷特點、注塑成型缺陷等有關。制造商對最終出貨產品的檢驗驗證，包括耐久性驗證、承載能力、高溫高濕測試等，非常重視。但這些性能若等到試模樣品才能進行，則風險高得多。因此，需要對注塑件的強度及其加工過程進行預測，而傳統的解析計算方法對復雜零件幾乎難于應用。

　　通用數值模擬軟件如Ansys、Marc等，能夠利用零件的3維CAD模型，虛擬施加預期應用場合的載荷或其他條件后，預測出零件的動態或靜態強度，更為準確地計算零件的設計安全系數，以優化零件設計。

　　注塑件的專用模流分析Moldflow、HSCAE及Moldex等軟件，能夠預測塑料在注塑模具內的充填、冷卻情況和由此帶來的成型缺陷，包括：熔接痕、氣泡、應力集中，更為準確地預測注塑缺陷所帶來的安全系數損失，以優化模具設計及工藝設定，從而減少零件差錯，降低生產成本。

　　2 注塑件強度的預測、驗證案例

　　2.1注塑件的斷裂驗證

　　如圖1零件材料為ABS，在使用中偶爾發生斷裂，為分析斷裂原因，采用Ansys軟件進行結構強度分析。首先測試獲得ABS的應力應變，彈性模量2.5GPa，拉伸強度約為44 MPa，采用Solidi87網格劃分模型，忽略沖擊影響，假設載荷為靜載。

　　圖1 斷裂實物圖樣

　　計算結果顯示零件受力區域較小，受力較為集中，危險區域如圖2、圖3所示，第一危險區域最大應力5 MPa，第二危險區域最大應力4 MPa，危險區域位置與實物斷裂區相吻合。在正常靜載下，不考慮Ansys本身的計算誤差，零件靜態(設計)安全系數為8.5，似乎比較安全。

　　圖2 零件局部應力分布圖

　　圖3 零件整體應力分布圖

　　但實際注射成型中，因為該兩個危險區域存在熔接線以及應力集中，如圖4所示。研究表明：對于脆性聚合物的熔接線融合強度系數在最佳工藝條件下在0.6～0.7以下，典型材料如PS、SAN、PMMA;對于韌性聚合物的熔接線融合強度系數在最佳工藝條件下在0.7～0.8以上，典型材料如POM、PP、PC、ABS。

　　圖4 零件的熔接線分布

　　危險區域熔接線、應力集中的存在已經削弱實際強度，再加實際成型加工工藝很難保證最佳，以及載荷偶爾過載和實際上的微小沖擊作用，導致零件發生斷裂，盡管其靜態設計安全系數設定比較充裕。

　　2.2注塑件的強度預測

　　為提高該零件的可靠性，曾依據經驗，延長加強筋長度，如圖5所示，以期提高危險區域的強度。但通過CAE結構分析發現，更改設計第一區域最大應力5.3 MPa，比原始設計的更危險，更改設計的第二區域更安全些，其最大應力約1.8 MPa，如圖6、7所示。與傳統經驗相反，通過CAE可以預測出更改設計方案未能顯示明顯的改善，并不可取。

　　圖5更改設計3D

　　圖6 更改設計局部應力圖

　　圖7 更改設計整體應力圖

　　該零件因在試產階段，模具已經完成，零件幾何上的調整空間不大，因此，一方面，優化注塑工藝參數設置(調整注塑壓力、速度、熔體溫度及模具溫度等)，增強熔接線的熔接強度;另一方面，更改零件設計，增加圓弧過渡，消除原始設計中的應力集中，如圖8所示，可明顯加強零件強度，同時，模具的修模非常簡單。

　　圖8 圓角設計

　　3 小結

　　從塑料材料、零件設計、注塑加工過程以及使用條件等層次，探討了注塑件強度設計的安全系數分類，討論了零件承受載荷種類與塑料特性以及設計安全系數之間的關系，針對復雜注塑件，運用結構CAE軟件來預測注塑件的設計安全系數，以優化零件的幾何設計;采用模流CAE軟件來預測注塑件的加工過程對安全系數的影響，以優化零件的注塑加工，通過工程實例，綜合應用結構CAE及模流CAE軟件，來驗證、預測注塑件的強度。