塑料件加强筋设计原则（塑胶的结构设计）

一、加强筋的含义：

加强筋：又称加强肋、肋骨，模具行业上俗称骨位，是产品（特别是塑胶制品）用来提高制品整体或局部刚度（强度）上的一种功能结构。

二、加强筋的作用：

1、加强作用：这是加强筋的核心作用，主要是增加塑胶制品的刚度，减少塑胶制品变形的程度；同时也可以增加某些结构的强度，如螺丝柱。

2、导流作用：加强筋可充当内部流道，有助模腔充填，对帮助塑脂流入制品的支节部分起到很大的作用。

3、辅助作用：在与其他零件装配时，提供导向、定位、支撑等作用。

三、加强筋的设计：

一提到加强筋，相信各位从事机械结构设计行业的攻城狮们都或多或少了解，从外形上看，它比其他大部分功能结构要简单得多，同时，由于加强筋很多时候一般不直接参与装配设计，很多攻城狮们对于加强筋的设计都比较随意，顶多只是遵循以下几点被业界公认的行业经验。

• 提高塑胶件的刚度，应该通过添加加强筋的方式而不是单纯增加壁厚；
• 加强筋的厚度不宜太厚，否则塑胶件表面会产生凹陷（缩水）等缺陷；
• 加强筋的高度不宜太高，太高容易因困气而引起短射；

以上几点经验都说得没错，但是即使了解了，也不确保能设计出合适的结构，加强筋是一种让攻城狮们又爱又恨的功能结构，爱它的地方在于它能明显增强塑胶件的刚度，恨它的地方在于同时它会引起塑胶件表面的产生凹陷（缩水）等外观不良缺陷，凹陷一定会存在，只不过可以通过合理设计使得产生的凹陷肉眼分辨不出来。

那怎么设计加强筋呢，或者设计加强筋时需要考虑些什么呢？

加强筋设计的原则：

• 基于刚度原则
• 基于外观质量原则
• 基于加工工艺原则

01 基于刚度原则

上文已经提到，加强筋起到加强、导流、辅助等作用，导流、辅助作用很好理解，这里就不详细介绍，下面主要介绍的是加强筋是怎么对塑胶件的刚度起到加强作用的。

首先，我们需要了解什么叫做刚度，同时不要与强度混淆。

刚度：是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，它是材料或结构弹性变形难易程度的表征。

强度：是指表示工程材料抵抗断裂和过度变形的力学性能之一。

它们之间的侧重点不同：

• 强度侧重于材料遭破坏的极限，超过了物体的强度，则物体就会被破坏。
• 刚度侧重于材料在某种条件下抵抗外界“破坏”的能力，变形后物体可以恢复。

因此，在表征塑胶件的变形程度时，我们更多提及的是刚度。

材料力学中，弹性模量与相应截面几何性质的乘积表示为各类刚度，如GI为扭转刚度，EI为弯曲刚度，EA为拉压刚度。

下面主要对塑胶件的弯曲刚度进行介绍，塑胶件的弯曲刚度可以通过梁的截面弯曲刚度EI来表征，梁的截面弯曲刚度EI等于弹性模量E和梁截面关于中性轴的惯性矩I的乘积。

由此可见，抗弯刚度包含E和I两个因素，即提高塑胶件的弹性模量E或塑胶件截面惯性矩I，都可提高塑胶件的弯曲刚度。

1、弹性模量

弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。

弹性模量是材料的一个固有的特性，从宏观角度来说，是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。

塑胶件的弹性变形，本质上就是分子链段的运动或内旋转，分子链段的运动或内旋转的难易程度可视为弹性模量的大小。

影响分子链段的运动或内旋转的因素有内因和外因，对这部分内容有兴趣的可点击链接阅读：塑胶材料篇：高分子的结构，影响着材料的诸多性能。

比如，主链含有芳环或杂环时，芳杂环不能内旋转，柔顺性较差，刚性强，弹性模量高。如PP0、PC，可作为工程塑胶。

如果主链全部由C-C单键组成的碳链高分子，则具有较大的柔性，刚性差，相应的弹性模量低，如PE、PP、乙丙橡胶（EMP）等。

以下为常用塑胶材料的弹性模量：

由上表可知，不同材料的弹性模量E值是不尽相同，但是大部分还是集中在2-3GPa之间，同时，玻纤、碳纤、矿物质填充的复合材料，其相对于单体的弹性模量增大不少，但增幅还是有限的。

图：某玻纤增强ABS性能表

鉴于此，增大塑胶件的刚度，应设法增大塑胶件截面惯性矩I值。下面介绍截面惯性矩是如何影响塑胶件的刚度的。

2、惯性矩的计算

把塑胶件简化成一根简支梁，在梁的上方施加力，梁在力的作用下发生弯曲变形。

中性轴与中性层

如果设想梁是由无数层纵向纤维组成的，由于横截面保持平面，说明纵向纤维从缩短到伸长是逐渐连续变化的，其中必定有一个既不缩短也不伸长的中性层（不受压又不受拉）。中性层是梁上拉伸区与压缩区的分界面。中性层与横截面的交线，称为中性轴，如下图所示截面aabb中，cc为中性轴。

惯性矩：其物理意义是指截面抵抗弯曲的性质。结构设计和计算过程中，构件惯性矩I为截面各微元面积与至截面上指定轴线距离二次方乘积的积分。

注意：同一截面，对不同轴的惯性矩是不同的。

举例：假设有一截面，如下图，宽为b，厚为h，求截面对形心轴zc和yc的惯性矩。

由此可见，如果b不等于h，那么Izc不等于Iyc。同时如果改变厚度的值，惯性矩的变化就越大，这也是为什么增加塑胶件的壁厚，相应的刚度急剧增大的原因。

以上是矩形截面惯性矩的计算公式，如果是以下这种复合截面又怎么算呢？

首先需要计算出组合截面形心C的位置：

由上图，Zc，y 为其形心轴，y 位置已知（图形关于 y 轴对称），Zc 位置未知（需要计算）。

计算过程：将基准线定在上面黄色矩形的上边沿上，因此，可以得到黄色矩形的形心C1离基准线的距离为 t1 ，而红色矩形的形心C2离基准线的距离为 t2。

组合截面形心C距离基准线的距离x为：

其中， t1 =h1/2，t2=h1 h2/2

组合截面的惯性矩：

其中，

假设，有一塑胶件，其截面宽b=30，厚h=2，如图，

由以上公式可计算出Izc=20，如果把厚度增加一倍（h=4），那么Izc=160。如果想在塑胶件上通过增加一加强筋，达到跟把厚度增加一倍时一样刚度，那么加强筋的尺寸怎么确定？（假定加强筋的宽度为1.5）

把已知参数带入以上公式，最后算得加强筋的高度h2=5.805。

至于计算过程，由于太过繁琐，其实可以通过Creo软件求取h2的值。下面演示下操作过程：

1）首先拉伸一实体，截面如下图：（先暂时把h2的值取为10）

2）选择“分析”-“横截面质量属性”，然后选择FRONT基准面。

3）此时会跳出“横截面属性”栏，按下图顺序选择“主惯性矩（最小）”作为特征参数供后续分析使用。

4）实际上，到这一步可以查看横截面的各种参数，比如可以看到目前截面的惯性矩为577，显然比目标值160大得多，此时加强筋的高度10偏大，但是不要紧，后面会调整。

5）建立敏感度分析，按下图步骤操作。

6）点击计算后，出来以下图形，通过调整XY轴的数值显示，可以看出来Y轴（惯性矩）在160时，对应的X轴（加强筋高度）接近6。（这一步主要是看加强筋高度值在什么范围）

7）建立可行性/优化分析，按下图步骤操作。

8）最后，点计算，模型自动调整加强筋的高度h2，图中已经被自动调整为5.805，可以看出，跟上面通过公式计算的结果是一样的。

通过对比双倍壁厚时的截面面积和只添加加强筋时的面积，很显然，通过添加加强筋的方式，在保证刚度的情况下会减轻整个塑胶件的重量，这是加强筋的优势之一。

如果是设置两条加强筋，通过优化，两条加强筋的高度减小到4.5，三条加强筋的高度减小到3.9，虽然比只有一根加强筋时高度降低了，但是减低的幅度不是太明显，这一点从惯性矩的公式中也可以看得出来，截面高度对惯性矩的影响很大。

但，在实际塑胶件结构设计中，加强筋的高度不宜设计太高，这点会在下篇介绍。

3、变形计算：

塑胶件的变形程度，也可以通过挠度表征，挠度一般指指梁、桁架等受弯构件在荷载作用下变形的位移量，通常指竖向方向（y轴）的，就是构件的竖向变形。

计算梁的变形（挠度和转角），关键在于确定挠曲线方程。

梁的挠曲线近似微分方程为：

由于推导过程比较繁琐，这里就不详细推导了，感兴趣的可以查资料，由于梁的类型很很多种（简支梁、外伸梁，悬臂梁等），不同的梁不同的受载荷情况相对应的具体挠曲线微分方程不同。

比如下图为一端固定，另一端受集中载荷的悬臂梁挠曲线方程、转角、最大挠度公式。

举例：还是以上面提到的梁，如下图，梁长度0.1mm，材料为PC（弹性模量为2.3GPa），截面距还是160mm4，一端固定，另一端施加10N的力，求最大挠度？

以下是通过公式计算的结果，最大挠度为9mm。

以下是通过软件仿真，结果为8.9mm，跟理论计算很接近，偏差0.1可能是网格划分问题，实际上对于复杂的模型，理论计算基本很难，还是需要靠软件计算解决。

4、减小变形的措施：

由梁的挠曲线方程可知，梁的变形除了与梁本身的刚度有关外，还与梁所受的弯矩有关，刚度与材料的弹性模量和截面距有关，而弯矩与梁的支承、荷载情况和跨长L有关，所以要减小梁的变形，除了提高梁本身的弹性模量外，还可以采取下列措施：

1）提高抗弯截面系数和惯性矩

a）选择梁截面的合理形状，下图为相同面积下不同形状截面的惯性矩对比。

由上图可知，同样的截面面积，惯性矩越大，说明刚度越大；反之，要达到同样的刚度，使用惯性矩越大的截面形状，对应的截面面积越小，材料用量越少，重量越轻。

b）正确放置截面形状

• 矩形截面的梁直立时比横放时具有较高的抗弯强度。
• 对于抗拉和抗压不相同的材料，如铸铁抗压>抗拉，塑胶抗拉>抗压，在选择横截面形状时，最好选择关于中性轴不对称的形状，如采用T形截面(上右图)，同时使截面的中性轴偏于强度较弱的一边，从而使材料充分发挥作用。

c）根据弯矩分布规律布置选择合理截面

2）降低最大弯矩

a）合理安排支座位置，也就是尽量减小梁的跨度。由于挠度与跨长L的高次方成正比，因此设法缩短梁的跨长，将能显著减小梁的变形。

b）增加支座

c）载荷尽量靠近支座

d）合理配置载荷

由于为了阅读体验，篇幅不宜过长，本篇暂介绍到这里，下篇再接着介绍加强筋的另外两个设计原则：外观质量原则和加工工艺原则。

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