利用新的检测系统对塑料材料进行准确的测定

塑料在功能材料中所占的比例越来越大了。当前的零部件设计都是按照传统的方法设计的。因此，常常不能充分发掘所用材料的性能潜力。而利用实验模拟可以成功的发挥所有材料的最大潜力。

长期以来，在对塑料材料的零部件进行设计时常常都是按照静态特性数据、利用安全系数和不同的收缩系数来确定其常规尺寸。这种设计方法，从满足操作、使用强度要求的意义上讲，大多数都是不真实、不可信的。这里没有考虑到收缩系数可能出现的相互作用。而且估算的收缩系数本身就是不保险的，很容易导致设计的尺寸规格过大、或过小。一种能够充分挖掘塑料材料性能潜力的设计方法就是利用实验模拟来确定其尺寸大小。

图1.多功能测试样件的充填模拟。

实验模拟

这里介绍的实验模拟技术是基于满足使用强度要求的设计技术，它更深层次的考虑了各个收缩系数的相互作用。一般来讲，像材料、零部件几何形状和尺寸、生产制造工艺技术和使用条件下的载荷大小等参数在确定满足使用强度要求的尺寸设计时都是至关重要的参数。

而这些参数都是相互影响、互相干扰的，而且在大多数应用设计时都常常受到成本费用这一因素的制约。每一个设计的目标都是：确定材料、材质、(几何)形状、生产制造工艺，在重量最轻和成本费用最低的情况下满足所要求的功能。

从强度的意义上看这就意味着：承受的载荷要始终小于承载能力。数字化的工作负载模拟结合实验性的材料检验就能够完成这样的承载能力评判。零部件的载荷情况可利用有限元法来确定(载荷、几何尺寸、材料)。根据从标准试样或者与零件相似试件材料实验得到的数据可以确定出材料的承载能力，并与零部件设计计算的结果相互比较。

图2.多功能内部压力检测的装备。

材料数据的测定

为了获得零件设计所需的材料在不同应用条件下的真实数据，就要在实验模拟中，就要考虑到满足工作要求所需具备的所有重要影响因素。这也意味着：被测试样的形状选择外、生产制造工艺过程，和在合适的试样上施加机械载荷以及环境污染的模拟是一样重要的。

环境污染情况对塑料材料的承载能力有着很大的影响。例如，在确定利用注塑工艺技术生产的短纤维增强的热塑性塑料件的尺寸时，所使用的测试样本就要在类似真正零件的生产条件下制造出来。因为在短纤维增强的热塑性塑料生产过程中，会因生产工艺过程的不同，例如壁厚、形状、注塑工艺而使得短纤维有着不同的方向。因此，被测样本的这些特性应尽可能的与真实零件保持一致或相似。如果没有充分考虑这些特色带来的后果，则会是：被测试样和真实的塑料零件有着完全不同的各向异性特性。

一般来讲，零件都是有凹痕。例如由零件横截面几何尺寸、形状的变化带来的凹痕会带来应力集中。而应力集中又会影响零件的承载能力。因此，在设计确定零件尺寸时就必须注意到凹痕的问题、采用特别的材料检测方法来考虑应力集中。

图3.完成了内部压力检测的多功能测试样件。

多轴向负荷

一般情况下，零件承受的载荷是多轴向负荷;也就是说从空间的几个方向受力。而目前的设计方法大多数都没有充分考虑这种负荷。设计塑料零件使用的材料模型大多数都是在简单的性能检测试棒的基础上、在单一轴向负载的情况下机械测试的。使用这种在单一轴向负载测试得到的材料性能数据时是有风险的;因为大多数失效假设都是各向异性和塑料材料非线性材料分布不足以承受这样的各向异性。这也就没有考虑多轴向载荷之间的相互作用。大多数情况下很难做好多轴向载荷材料性能试验用的测试样本。

环境负载

除了选择材料、试样的几何形状和生产制造工艺之外，还要在真实的使用条件下测试材料的承载能力。当塑料零件所受到多种负荷时，例如受到机械负载、温度、或者介质影响时，还有明确它们相互作用的结果对机械性能、电气性能和光学性能的影响。

而在传统的设计方法中，这些都是利用种种系数来考虑的。这里就没有考虑各个影响因素之间的作用关系，相反每一个系数都有着降低确定性能的作用。聚合物零件疲劳强度试验所得到的结论告诉我们：周围介质对疲劳强度是有影响的。在环境温度较高时，周围介质对疲劳强度的降低与施加在塑料零件上的应力有着明显的关联。环境介质对拉伸载荷的影响明显的要大于拉-压载荷的影响。

另一个需要考虑的问题是塑料零件对周围介质进行吸附、解吸时的内应力与试样几何形状之间的关系。这里，除了疲劳强度的特征值以外，还要考虑各个应力比的相互关系。当塑料零件吸收周围介质时，会在其表面产生压应力，内部产生拉应力。在解吸附时，这一过程完全相反;表面层出现了拉应力、内部出现了压应力。

塑料零件受到的各种外部载荷作用后的应力是可以相互叠加的。它们叠加的结果既可降低塑料零件的使用寿命也可以延长塑料零件的使用寿命。

多功能测试用材料

弗朗霍夫协会结构耐久性和系统可靠性研究所LBF开发出新的多功能测试用材料的结构形式。利用这一新型试样可以对塑料的整个生产链进行测试：从变流学平衡开始到注塑生产过程直至材料性能和结构测试。多功能测试材料的生产制造工艺运用注塑工艺技术。在多功能测试样件的生产制造时，可以使用多种不同的塑料材料，例如没有纤维增强的塑料材料、短纤维增强的塑料材料或者长纤维增强的塑料材料等等。

在多功能试样制作的前期准备工作中，利用充填模拟对塑料材料的流变特性进行测试。通过这一测试可以对注塑工艺过程的参数进行优化和调整，可以界定可能出现的接缝和塑料件收缩，对纤维方向进行研究。通过对注塑工艺参数的验证，可以得出注塑工艺参数对所有材料机械性能的影响。

在完成被测试样的制作之后，可以对多功能试样进行静载荷的、动载荷的、蠕变载荷的和交变载荷的内应力检测。既检测塑料短时间受力时粉碎的情况，也检测塑料长时间受力时蠕变，疲劳强度情况。多功能检测试样受到的负载即其内腔压力。施加内腔压力的介质可以是不同的可燃或者不可燃液体，例如油、燃料、酸或者碱等。检测时，可以对不同介质短时间和长时间作用的影响进行测定。内腔压力在最大负载区域内产生的负载是多个轴向方向的负载。

利用有限元法可以测定最高承载区域内的各个承载点处的负荷分量。利用注塑试棒完成了单轴向静载荷和交变载荷作用的塑料模型可以再按照这种多功能试样的方法再进行多轴向承载能力的测试。

并可按照最大承载区域中纤维方向的受力情况与受力模型的受力情况进行比较。这样就有可能对多功能试样承受内部压力作用时的工作可靠性进行评估，并把评估结果应用到其它结构要素的塑料零件中。这是一种测定结构要素承受多轴向负载的检测方法。

轻结构制造

我们所处社会对机动性的要求，迫使我们不断的寻找替代材料和新的驱动技术方案。而轻结构制造在电动汽车的设计中有着举足轻重的作用。塑料材料具有高强度、同时重量很轻，最适合用做制造轻结构车辆的材料了。为了充分挖掘塑料材料轻结构制造的潜力，知道塑料零件的机械性能、生产过程、材料、几何形状和外部载荷之间的相互作用非常有必要。

小结

这种多功能模拟测试材料的优点是：能够在塑料研发设计的早期阶段就发现可能存在的薄弱环节，知道各种负载相互作用的结果。这不仅仅可以降低产品研发的费用，而且也可以缩短产品投放到市场的时间。利用多功能模拟测试方法可以充分挖掘塑料材料在轻结构设计中的应用潜力，因为它不仅能够用较低的研发成本快速的设计出合格的塑料件产品，而且还使得设计出来的塑料件更轻、有着更好的工作可靠性。