基于MPI的塑料模具成形仿真实验指导书.doc

基于mpi的塑料模具成形仿真实验指导书一、实验目的1.了解注塑模模拟仿真软件mpi-moldflow plastic insight的功能；2.熟悉moldflow plastic insight各个菜单和工具栏；3.运用实例初步掌握moldflow plastic insight的成形分析流程；4.独立完成范例文件的塑性成形分析。二、实验内容1.介绍moldflow plastic insight软件的菜单、工具栏、显示控制、图层控制及文件接口等；2.介绍moldflow plastic insight软件分析流程；3.学生在教师指导下完成示例模型的成形分析，并提交成形分析报告。三、实验设备1.每个学生一台pc机，cpu：p5d2.8g，硬盘120g，内存，10242mb，显示器17lcd2. moldflow plastic insight6.0中文版软件3.internetexplorer软件四、实验原理1.注塑成形的基础知识所谓注塑成形（injeetion molding）是指将已熔化的材料喷射注入到模具内，经由冷却与固化后，得到成品的方法。实验将运用moldflow plastic insight软件来学习如何通过计算机仿真技术模拟塑件成形的过程，并估计成形缺陷、优化成形工艺参数，使学生掌握先进的注塑模设计手段和方法。2.moldflow软件介绍moldflow 的产品适用于优化制件和模具设计的整个过程，并提供了一套整体解决方案。moldflow软硬件技术为制件设计、模具设计、注塑生产等整个过程提供了非常有价值的信息和建议，而且这些信息可以方便地实现共享。下面介绍moldflow的产品。moldflow plastics insight简称为mpi它是moldflow动态系列的升级产品，是一个更为深入的制件和模具设计分析的软件集成体，它提供了强大的分析功能、可视化功能和项目管理工具。这些工具使使用者可以进行深入的分析和优化。mpi使用者可以对制件的几何形状、材料的选择、模具设计及加工参数设置进行优化，从而获得高品质的产品。1)mpi具有集成的用户界面使用者可以方便地输入cad模型、选择查找材料、建立模型并进行一系列的分析，同时先进的后处理技术能给使用者观察分析结果带来方便，还可以生成集成基于insight的分析报告，方便实现。2）提供了最为优秀的cae模型获取集成方案mpi可以直接读取任何cae集成方案，实现了最广泛的几何模型集成。无论设计的几何模型是什么形式（包括线框模型、表面造型、薄壁实体以及难以用中型面来表达的厚壁实体），mpi都能提供已于使用的、稳定的、集成的环境来处理。线框表面造型mpi可以直接读取任何cad表面模型并进行分析。在用户采用线框和表面造型文件时，mpi可以自动生成midplane网格并准确计算单元厚度和进行精确的分析，因此节省了用户大量的cae建模时间。薄壁实体mpi的fusion 模块基于moldflow的独家专利的dual domain分析技术，使用户可以直接进行薄壁实体模型分析，这将原来需要几小时甚至几天的建模工作缩短为几分钟，并且无需进行中型面网格的生成和修改。fusion模块可以直接从塑件顾问(mpa)中读取模型，用来进一步的分析。厚壁实体moldflow的mpi/flow3d和mpi/cool3d等模块通过使用经过验证的、基于四面体的有限元体积网格解决方案技术，可以通过对厚壁产品和厚度变化较大的产品进行真实的三维模拟分析。3）拥有广泛、深入的模拟分析工具mpi能够模拟最广泛的热塑性塑料和热固性塑料注射成型中的制造工艺。具体地说就是mpi可以模拟热塑性塑料注射成型过程中的充填、保压以及冷却阶段，还能预测处制品成型后的缺陷，如制品翘曲变形等。甚至能够分析纤维填充材料的流动情况，预测纤维的取向并在预测产品翘曲时加以考虑。mpi还可以模拟其他各种热塑性塑料成型工艺，如砌体辅助注射成型、共注和注压成型以及反应成型过程，包括热固性注射成型、反应注射成型和半导体芯片封装。mpi/synergympi/synergy是一个前置和后置处理器，支持mpi系列产品的所有分析模式，分析组建提供塑料行业范围最广的成型模拟工具，mpi/synergy环境支持传统的中性层模型、基于moldflow专利（dual domain技术）的fusion模型和3d实体模型。mpi/midplanempi/midplane不仅大大缩短了对塑件产品进行造型的时间，而且可以自动产生网格化的实体中型面，使用户可以致力与深入的工艺分析。mpi/fusionmpi/fusion是处理cad模型最方便的方法，在保证流动、保压、优化、冷却和翘曲等分析基础上，能够减少处理模型的时间。在用户mpi使用组件进行热固性塑料模具分析时，也可以使用mpi/fusion。使用mpi/fusion可以改进纸片和模具设计，确定材料和工艺条件，从而在质量、成本和时间上取得最佳组合。mpi/3d mpi/3d技术解决的是一类以前用传统的有限元方法无法解决的问题。即在厚的部件中，熔融的塑料向各个方向上流动的这类问题。通过使用基于实体四面体的有限单元网格，即使在由非常大的厚薄变化的情况下，mpi/3d技术也能在非常厚的实体上执行正真的、三维模拟。mpi/flow流动分析模块mpi/flow 可以模拟注射时的充模和保压阶段，预测热塑性材料的流动件，以便有效地得到高质量的产品。运用mpi/flow，可以急性制品和模具设计，选择合适的材料和工艺条件，以取得质量、成本和时间的最佳平衡点。mpi/cool冷却分析模块mpi/cool通过分析冷却系统对流动过程的影响，达到优化冷却管路的布局和工作条件，cool与 flow模块相结合，可以产生十分万马的注塑过程分析结果。这样可以改善冷却管路的设计，从而产生均匀的冷却，缩短成型周期，减少产品成型后的内应力。mpi/wap翘曲分析模块mpi/wap可使用户了解在注射成型过程中制品收缩和翘曲的原因，并且能预测变形发生的区域。分析结果可使用户在模具制造之前，就可优化设计，选择适当的材料和工艺条件，使用mpi/wap，即使是严格要求尺寸的稳定性，良好的表面质量及与其他部件精确配合的制品都能高质量、快速、低成本地制造出来。3.注塑制品易出现的缺陷、原因和解决方法通过合理地运用moldflow系列软件，可以预先估计出好的注塑制品及其模具中可能存在的缺陷，同时结合实际经验，就可以在开模之前分析缺陷出现的原因，并最终解决这些问题，从而减少修模、试模的次数，提高一次成功率。注塑成型中产品出现缺陷有各种各样的原因，从材料、模具、工艺参数到成型设备都对制品的质量有着直接或间接的影星，这是一个综合因素的影响，出现产品缺陷一般有以下一些因素：模具设计不合理成型工艺参数选择不当材料（聚合物）性质本身造成的产品缺陷注塑成型设备（注塑机）选择不当（1）欠注欠注（short shot）也可以称为填充不足或短射，是指聚合物不能完全充满模具型腔的各个角落的现象。1）产生欠注的原因流动受限，由于浇注系统设计的不合理导致熔体流动受到限制，流道过早凝结出现滞流或者制品流程过长，过于复杂排气不充分，未能及时排出的气体会产生阻止流体前沿前进的压力，从而导致欠注发生模具温度或者熔体温度过低，降低了熔体的流动性，导致填充不完全成型材料不足，注塑机注塑量不足或者螺杆前端缺料等，都会造成压力损失和成型材料体积不足，形成欠注。2）欠注的解决方案针对可能导致欠注发生的因素，应当从以下几个方面避免欠注产生。避免滞流现象的发生尽量消除气穴，将气穴放置在容易排气的位置或者利用顶杆（cjcction pin）排放气体增加模具温度和熔体温度增加螺杆速率，螺杆速率的增加会产生更多的剪切热，降低熔体粘性，增加流动性改进制件设计，使用平衡流道，并尽量减小制件厚度的差异，减小制件流程的复杂程度更换成型材料，选用具有较小粘性的材料，材料粘性小，易于填充，而且完成填充所要求的注塑压力也会降低增大注塑压力最大值（2）气穴气穴是指由于熔体前沿汇聚而在塑件内部或者模腔表层形成的气泡。气穴的出现可能导致欠注的发生，造成填充不完全和保压不充分，形成最终制件的表面瑕疵，甚至可能由于气体压缩产生热量出现焦痕（burn mark）.1）气穴成因跑道效益滞流流长不平衡，即使制件厚度均匀，各个方向的流长夜不一定相同，导致气穴产生排气不充分，在制件最后填充区域缺少排气口或者排气口不足是引起气穴形成最常见的原因2）解决方案平衡流长避免滞流和跑道效应的出现，对浇注系统作修改，从而使制件最后填充位置位于容易排气的区域充分排气，将气穴放置在容易排气的位置或者利用顶杆排气（3）熔接痕和焊接线当两个或多个流动前沿融合时，会形成接痕和熔接线。两者的区别在于融合流动前沿夹角的大小。两个箭头为流动前沿方向，若图4-1中标注的角大于135，则形成熔接痕。 图 4-1熔接线位置上的分子趋向变化强烈，因此该位置的机械强度明显减弱。熔接线的强度大，视觉上缺陷也不如熔接线明显。熔接痕和熔接线的出现的部位还可能出现凹陷、色差等质量缺陷。1）熔接线和熔接痕成因由于制件的几何形状，填充过程中出现两个或者以上流动前沿时，很容易形成熔接痕或者熔接线。2）解决方案增加模具温度和熔体温度，使两个相遇的熔体前沿融合得更好增加螺杆速率改进浇注系统的设计，在保持熔体流动速率的前提下减小流道尺寸，以产生摩擦热。如果不能消除熔接线和熔接痕，那么应使其位于制件上较不敏感的区域，以防止影响制件的机械性能和表现质量，通过改变浇口位置或者改变制件壁厚可以改变熔接线和熔接痕的位置。（4）滞流滞流式指某个流动路径上的流动变缓甚至停止。1）滞流成因如果流动路径上出现壁厚差异，熔体会选择阻力较小的壁厚区域首先填充，这会造成薄壁区域填充缓慢或者停止填充，一旦熔体流动缓慢，冷却速度就会加快，粘度增大，从而使流动更加缓慢，形成循环，滞流通常出现在筋、制件上与其他区域存在较大厚度差异的薄壁区域等。滞流会产生制件表面变化，导致保压效果低劣、高应力和分子趋向不均匀，降低制件质量。如果质量的熔体前沿完全冷却，那么成型缺陷旧由滞流变为欠注2）解决方案浇口位置远离可能发生滞流的区域尽量使容易发生滞流的区域成为最后填充的区域增加容易发生滞流区域的壁厚，从而减小其对熔体流动的阻力选用粘度较小的成型材料增加注塑速率以减少滞流时间增大熔体温度，使熔体更容易进入滞流区域（5）飞边飞边时指在分型面或者顶杆部位从模具模腔溢出的一层材料。飞边仍然和制件相连，通常需要手工清除。1）飞边成因模具分型面闭合性差，模具变形或者存在阻塞物锁模力过小，锁模力必须大于模具型腔内的压力，有效保证模具闭合过保压成型条件有待优化，如成型材料粘度、注塑速率、浇注系统等排气位置不当2）解决方案确保模具分型面能很好的闭合避免保压过度选择具有较大锁模力的注塑机设置合适的排气位置优化成型条件（6）跑道效应跑道效应是指在制件薄壁区域未充满之前熔体已经完成了对厚壁区域的填充1）跑道效应的成因跑道效应是典型的流动不平衡现象，会产生气穴位和熔接先。2）解决方案从产品设计的角度来讲，壁厚的差异有时是不可避免的，为了防止出现跑道效应，应当尽量使用模腔内的流动平衡，即熔体在同一时间内 完成对模腔内各区域的填充。可以通过改变浇口位置或者采用多浇口的浇注系统实现平衡流动。（7）过保压过保压（over-pack）是指当一个流程还在进行填充的时候，另一流程已经开始压实过多填充的材料。1）过保压成因当制件最易填满的流程完成填充后，这个区域就会出现过保压现象。此时由于其他流程还未完成填充，注塑压力会继续将熔体向这个已经填满的区域推进从而形成高密度应力区域，形成过保压的主要原因是流动不平衡。2）解决方案建立平衡的流动选择适当的浇口位置使各个方向流长尽量相等去掉不必要的浇口（8）色差色差是指由于成型材料颜色发生变化而出现的制件色彩缺陷1）色差成因通常是由材料降解引起的。过大的注塑速率、过高的熔体温度以及不合理的螺杆和浇注系统设计都会引起材料降解。2）解决方案优化浇注系统的设计修改螺杆设计选择较小注塑量的注塑机优化熔体温度优化背压、螺杆转速率和注塑速度塑料成型过程中各个参数制件相互影响，因此单纯解决一个成型问题有可能引发其他成型问题出现，所以解决成型问题时应该兼顾成型质量整体的优劣。五 实验步骤1、 网格划分与处理（1）运行 mpi6.0 mpi6.0界面非常简洁 如图 5-1-1 图 5-1-1（2）导入 一个分析模型 file 导入 选择tutorial目录下shell.stp 在网络类型选项中选 fution在项目名称里填入： “塑料壳体成型仿真分析 ” 回车后可以看到所导入的几何模型常用工具栏菜 单如图 5-1-2 注意：如果打不开模型，检查是license是否过期。如果license过期，在管理员指导下重新安装一遍license 方案任务视窗图形工作区 图5-1-2（3） 网格划分 在菜单里点网格（m）生成网格 弹出如下菜单 图5-1-3平均边长热小，网格热细，精度热高，计算时间热长平均边长大则网格粗，精度差，计算时间短一些 iges合并公差指将相邻需要合并的两点之间的最小距离第一次练习可用缺省值，点击 “立即划分”， 电脑自动划分网格如下图 图 5-1-4（4）网格诊断： 点击菜单 网格（m）网格诊断 出现如下诊断结果见图5-1-5 其中三角形单元的纵横比是指三角形的长高两个方向的极限尺寸之比，单元的纵横比对计算结果的精确性有很大的影响。一般在midplane 和 fusion 类型网格的分析中，纵横比推荐的极大值是6 自由边是指一个三角形或3d单元的某一边没有与其他单元共用，在、fution 和3d类型网格中不永许存在自由边 没有配向网格：统计没有定向的单元数，该值一定要为0 图5-1-5（5）网格处理a 自动修补： 点击 网格（m） 网格工具 自动修复 此项功能对fution 模型很有效，能自动搜索并处理模型网格中存在的单元交叉和单元重叠的问题，同时可以改进单元纵横比。但是不能期待该功能解决所有网格中存在的问题b. 处理纵横比 点击 网格（m） 网格诊断 纵横比诊断在输入参数 最小栏 填入6 ， 在选项区 选图象显示 单击 “ 显示”按钮见图5-1-6，纵横比大于6的单元将以有色线条在图中标出 图 5-1-6 处理纵横比：网格（m） 网格工具 节点工具 合并节点：（merge nodes）将多个起始点向同一个目标点合并。其中merge nodes对话框中要首先输入目标节点，然后输入起始点，以消除不理想的单元 再用鼠标框选此点先用鼠标框选此点 图1-8 合并前 图1-9 合并后 插入节点（insert node）功能在两个节点之间创建一个新的节点，可结合merge nodes使用以修正或消除不理想的单元。 选此两点 插入的节点选此两点 图 5-1-10 插入节点前 图 5-1-11 插入节点后 c 全部合并 如果最大纵横比超标的单元太多，可用全部合并功能（global merge）一次合并所有间距小于 merge tolerance (合并容差)的节点，合并容差根据实际模型定 图 5-1-122 浇口位置分析 （1）分析目的：寻找最佳浇口位置。（2） 任务设置： 在方案任务视窗里双击第三项，弹出图5-2-1所示选择分析系列窗口，选择浇口分析 图5-2-1（3）材料设置：在在方案任务视窗里双击第四项材料，弹出如图5-2-2材料选择窗 图5-2-2可直接选常用材料，也可根据制造商、商业名称或全称搜索，见图5-2-3 图5-2-3（4）成型条件设置： 双击方案任务视窗里的“成型条件设置”，初次练习可用缺省值（5）实施分析：双击方案任务视窗里的“立即分析”，弹出图5-2-5所示窗口，选择运行完整的分析，然后按“确定”。 图5-2-5（6） 结果分析：在方案任务视窗的结果下的best gate location 前打钩 图形区即显示图5-2-6所示结果 图5-2-6 图中理论最佳浇口在深蓝色区，但实际选浇口位置还需根据模具结构设计等综合因素考虑。3 填充分析（1）分析目的：浇注系统的性能直接影响到制件的填充行为，因此进行填充分析的最终目的是为了获得最佳浇注系统设计（2） 点击 菜单里的 文件 另存方案为（a） ， 弹出图5-3-1对话框 ，在对话框输入 “填充分析”。 图5-3-1不同的分析任务仍用同一网格模型，注意每次开始一个新分析任务都要另存，以保留上一个任务的分析过程和结果。（3） 在方案任务视窗里双击第三项，选择分析系列为“充填”（4）双击方案任务视窗的第五项 “设定注射位置”，将鼠标移动至图形区，点击注射点，如图 5-3-2 注意注射方向应是所选面的法向方向。 图 5-3-2（5）双击方案任务视窗里的“成型条件设置”如图5-3-3 在充填控制中，用户可选择注塑时间、流动速率、螺杆速度曲线作为对填充进行控制的变量。在初次分析对制件掌握的信息不够多的情况下，可按默认选项“自动”进行填充分析 在速度/压力切换选项中，通常用填充体积百分比设置速度/压力控制转换点（如99%） 默认选项是“自动”。 图5-3-3 （6）实施分析：双击方案任务视窗里的“立即分析”，在弹出窗口中，选择运行完整的分析，然后按“确定”。（7）结果分析a 在结果分析中选择 fill time 则显示如图5-3-4所示填充时间图 图5-3-4原则上浇口不同方向上的填充时间相差不要太大，缩短填充时间，提高效率。b 在结果分析中选择 pressure at v/p switchover , 则显示如图5-3-5所示压力分布图 图5-3-5压力结果图示给出了在速度压力切换点模腔内的压力分布。上图白色区表示没有压力，填充不足。另存方案为：“填充分析2” 双击成型条件设置如图5-3-6图5-3-6在速度/压力切换选项中选注射压力 填入 200mpa, 重新计算。 计算完后再看压力结果图如图5-3-7 ，零件能充满。 图 5-3-7c 在结果分析中选择 air traps 显示图5-3-8所示气穴位置图 气穴应当位于分形面或者筋骨末端,这样才容易将气体从模腔中排出,否则就要通过修改浇口位置修改制件设计等方法困气位置改变,以防制件出现气泡. 图 5-3-8d 在结果分析中选择 pressure at injection location:xy 和 clamp force:xy 绘图 分别显示注塑口压力曲线和锁模力.,此参数是选择注塑机的依据. 在结果分析中选择recommended ram speed:xy 绘图 ,则显示推荐螺杆速率曲线,这个曲线可以用于设定注塑机的螺杆在注塑过程中的运动.4 冷却 流动 翘曲分析(1) 分析目的 冷却分析目的是在获得均匀冷却的基础上优化冷却管道布局,尽量缩短冷却时间; 流动分析目的是为了获得最佳保压阶段设置,从而尽可能地由保压引起的制品收缩翘曲等质量缺陷;,翘曲分析用于判定制件是否出现翘曲,如果出现翘曲的话,查出翘曲的原因.(2) 点击 菜