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塑料CAE设计--安全系数(精.选)--第1页

塑料以其质量轻、设计空间大、制造成本低、性能优异的显著特点，成为了二十一世纪汽

车、电子、家电等工业领域最好材料的选择之一。尤其是工程塑料，以其较高的拉伸强度、

弯曲弹性模量、耐热性，在有承载要求的结构件中应用日益广泛。为达到预期使用寿命，

工程师采用传统的思路一安全系数来设计产品。但塑料注塑件设计的失败通常发生在设计

者不明白不同载荷条件下的安全系数与塑料的行为(呈现与时间、温度相关的黏塑性)的关

系，以及注塑加工过程对设计强度的影响，从而导致注塑件断裂、变形的各种失效。

1注塑件的强度设计及预测

1.1注塑件的强度设计

安全系数是衡量产品能达到预期使用寿命的能力，它给出了零件在任意操作条件下都

不会失效的保证。与金属零件不同，对于塑料注塑件而言，其安全系数的设计不仅仅要考

虑材料本身的性能，还应该能补偿零件从加工到成型整个过程的缺陷，以及后续使用过程

的波动。

材料性能安全系数，用于在零件设计初期阶段的材料选择。在快速装配(如卡扣)和压力

装配的应用场合，主要利用塑料的弹性变形性能，要求塑料发生弹性变形但不能发生塑性

变形，因此，材料安全系数可基于屈服应力来计算，即n快速装酊肝力装配=6屈服/6许用。

而对于柔性铰链的应用场所，失效形式表现为断裂，此时，材料安全系数是基于极限应力

来计算，即17,柔性铰链=6板限/8许用。在许用应力一定情况下，材料的屈服应力或极限应

力越高，其安全性能越好。

设计安全系数，不仅与载荷类型有关，还与塑料的力学特性(呈现与时间、温度相关的

黏塑性)有关。典型载荷类型、塑料的相关性质与安全系数的不同分类如表1。

表1塑料特性、载荷特点与安全系数

1)静态安全系数：当外部载荷为短时载荷时，比如组装或使用时偶尔短时加载，该种载

荷下零件强度主要与材料的应力应变曲线中的屈服强度有关，此时的安全系数体现为静态

安全系数。

2)时间安全系数：当零件在较长时间内承受较大外载荷，比如过盈配合、扣位或螺纹紧

固，此时，载荷表现出长期性特点。对于塑料材料而言，随着时间变化，将发生蠕变和应

力松弛现象，零件承受这种载荷时应考虑塑料材料的蠕变特性来进行零件的安全系数计算，

以避免发生应力断裂，或者发生应力松弛而导致配合松动。

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3)动态安全系数：当零件在长时间范围内承受间断或周期的外部载荷时，就需要利用塑

料材料的S-N特性来设计零件的安全系数。

4)冲击安全系数：对于高速或冲击载荷(高速载荷是指速度大于1m/s;而冲击载荷指的

是速度大于50m/s)，需要避免载荷施加在残余应力或装配应力大的区域，应采用屈服强度

来设计零件的安全系数。当宽度、厚度发生改变时，应采用光滑的大圆角设计来避免应力

集中;

加工过程安全系数，主要用来补偿注塑成型缺陷所导致的强度降低，这些注塑成型缺

陷包括熔接痕、气泡、应力集中等。

操作条件安全系数，主要用来补偿特殊的操作条件，如储藏、运输和使用过程中的过

热、过冷或过高的相对湿度、紫外线照射、盐水浸泡、腐蚀介质环境，也就是说，耐候性

条件对操作条件安全系数影响很大。对于应用在过高或过低温度的场合，应避免零件问的

热膨胀系数差异过大，给与零件较大的间隙以容纳材料随温度变化的伸缩。

1.2注塑件的强度预测

塑料件的强度不仅依赖于材料本身，也与零件几何形状、施加在零件上的载荷特点、

注塑成型缺陷等有关。制造商对最终出货产品的检验验证，包括耐久性验证、承载能