注射模具浇注系统设计Ch注射成型CAE

1、注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 第三章 注射成型CAE注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 目录o 3.1 聚合物模具型腔内流动的模型理论与模拟方法o 3.2 注射成型CAE主流软件o 3.3 三种流动模型及其实现方法o 3.4 中面模型的建立与抽取o 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.1 聚合物模具型腔内流动的模型理论与模拟方法n 3.1.1 数值模拟的基本理论n 3.1.2 数值模拟的实现过程注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.1

2、聚合物模具型腔内流动的模型理论与模拟方法o 3.1.1 数值模拟的基本理论o 1. 质量守恒方程质量守恒方程o 2. 动量守恒方程动量守恒方程0vdtdpgvdtdd注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.1 聚合物模具型腔内流动的模型理论与模拟方法o 3.1.1 数值模拟的基本理论o 3. 能量守恒方程能量守恒方程o 4. 本构方程本构方程qDdtde:n1*001注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.1 聚合物模具型腔内流动的模型理论与模拟方法o 3.1.1 数值模拟的基本理论o 5. 状态方程状态方程 tBPcTvPTv1ln1,0

3、0,30,0ggTTbvTv TbbTB21exp PBPcbvvvbTvvTPp20031,PBcvvPvvTPT01,注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.1 聚合物模具型腔内流动的模型理论与模拟方法o 3.1.2 数值模拟的实现过程0vyuxtxzuzP0yzvzP0zTkzyTvxTutTCP2222yvxu0= )y P S(-y + ) xP S(- x + tbdzb022zS注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.2 注射成型CAE主流软件n 3.2.1 注射成型CAE的发展阶段n 3.2.2 注射成型CAE的代表性软件注射

4、模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.2 注射成型CAE主流软件o 3.2.1 注射成型CAE的发展阶段o塑料注射成型CAE的发展大致经历三个阶段，现正进入第四个阶段。o70年代以前，由于计算机条件的限制，对充模过程和冷却过程都是采用一维模拟，在1960年，Toor、Ballman和Copper最先用数值的方法计算了塑料熔体的充模过程，随后，许多研究者对一维流动进行了大量研究，主要是计算塑料熔本在等直径圆管、中心浇口的圆盘以及端部浇口的矩形型腔中的流动过程。Catic通过建立模具内的热平衡方程，考虑模腔与准却介质之间的一维传热，采用分析解或有限差分法求解热平衡方程，由此

5、得到最小冷却时间的计算公式。注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.2 注射成型CAE主流软件o3.2.1 注射成型CAE的发展阶段o70年代中期至80年代中期，充模流动模拟和冷却模拟采用二维模拟技术，在二维流动分析中，除数值方法本身的难点外，另一个新的难点是对移动边界的处理，如何确定新时刻的熔体流动前沿位置。Broyer、Gutfinger和Tadmor运用流动网格分析法（Flow Analysis Network)对二维等温流动进行了计算，并对保压、固化及分子取向问题进行了有益探索。Takahashi和Matsuoka基于FAN法，考虑熔体温度的变化，将三维制件展

6、平为二维平面，实现了对三维制件的非等温流动分析。Hieber和Shen将Hele-Shaw流动推广到非牛顿流体的非等温流动情况，得到了描述二维充模流动的数学模型，并分别采用有限元差分法和有限元与有限差分混合求解。Shen还尝试了用边界元法求解述问题。两位学者采用网格扩展法（Mesh Expansion Scheme)确定流动前沿位置，并对其中的计算稳定性进行了研究。此阶段热传导方程扩展到二维的情形。此时，有限差分是主要的分析方法，Schaefer、Singh及Chen用有限差分法、将模具划分大的网格、制件划分较小的网格，冷却装置以一维单元近似，同时进行分析计算，给出制件和模具的二维温度场。注射

7、模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.2 注射成型CAE主流软件o3.2.1 注射成型CAE的发展阶段o80年代后期，开展了三维流动和冷却模拟研究，三维流动模拟主要采用二种方法：其一，Hieber采用流动路径法（Flow Path Scheme)实现了对三维制件的流动分析。其二，V.W.Wang及Hieber用有限元与有限差分混合法，沿用Hieber和Shen提出的数学模型，求解压力场、速度场和温度场，针对三角形线性单元，定义了控制体积，并沿用FAN法的思想，提出用控制体积法(Control Volume Scheme)来确定熔体流动前沿位置。在这一阶段，采用边界元法对

8、冷却过程进行了三维模拟。o进入90年代后，开展了成型过程流动、保压、应力应变及翘曲的全过程模拟，将各独立模块有机地结合起来，考虑它们之间的相互影响，以提高模拟软件的分析精度和扩大适用范围。同时，为提高CAE系统的实用化程度，提高系统几何模型的生成速度，开展了CAE与CAD/CAM集成化研究，这一阶段，工人智能CAE中的应用也取得了一系列进展。注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.2 注射成型CAE主流软件o 3.2.2 注射成型CAE的代表性软件n1. AMI（Autodesk Moldflow Insight）n2. CMOLD（已经并入（已经并入Moldflow

9、公司）公司）n3. MOLDEX3Dn4. 3D TIMONn5. PLANETSn6. CADMOULDn7. I-DEASn此外，还有美国的GRAFTEK公司的SIMUFLOW，意大利P&C公司的TM Concept和英国的DeltaCAM公司的注射模设计制造软件包。注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.2 注射成型CAE主流软件o 3.2.2 注射成型CAE的代表性软件n国内开展塑料成型数值模拟研究起步较晚，但通过不懈努力，以及对国外软件开发经验与技术的吸收和研究，发展较快，并取得了一定成果。华中科技大学模具技术国家重点实验室自行开发了国内第一个注射模

10、CAD/CAE/CAM集成系统HSCAE，现在已经推出了最新版本HSCAE7.0。郑州大学橡塑模具国家工程中心推出了自主知识产权的CAE分析软件Z-Mold。另外上海交通大学、四川大学、浙江大学、大连理工大学、北京化工大学、合肥工业大学等在注射模CAD/CAE/CAM系统研究方面都做了许多研究工作。北京CAXA公司与美国前AC-Tech公司合作开发的面向注射模的中文辅助分析软件CAXA-IPD也正在推出。 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.3 三种流动模型及其实现方法n 3.3.1 中面流技术n 3.3.2 双面流技术n 3.3.3 实体流技术注射模具浇注系统设

11、计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.3 三种流动模型及其实现方法o3.3.1 中面流技术注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.3 三种流动模型及其实现方法o3.3.2 双面流技术注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.3 三种流动模型及其实现方法o3.3.3 实体流技术注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.3 三种流动模型及其实现方法o目前聚合物注射成型数值模拟呈现中面流、双面流和实体流三驾马车并驾齐驱的形式，三者各有优势，但也各有缺点。总体来看，在具体实践之中，3D的实体流动由于计算效率的问题，仍然

12、短期内难以彻底全面实现；双面流在CAE软件中较方便得到其模型，但在后续模型的有限元网格划分和为匹配双面之间的节点时花费的功夫将较多；中面流的模型得来不太方便，CAE软件的建模功能差，CAD中的实体模型无法直接导入CAE之中，但由于塑料制件的薄壁特征使得这种模型是发展最成熟，在注射CAE中应用最广泛，结果认可度也较高的一种模型。因此，完全有理由可以相信，如果克服了中面模型建立的重重困难，使得CAE分析师们能够方便的获得其分析所用的中面模型，把他们从繁杂的前处理过程中解放出来则必定是深受欢迎的。所以，能够快速解决CAE软件所使用的中面模型的建立问题对于CAE模拟具有较大的意义。 注射模具浇注系统设

13、计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.4 中面模型的建立与抽取n 3.4.1 基于CAD软件的中面模型直接建立实现方法n 3.4.2 利用HyperMesh软件抽取中面的方法注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.4 中面模型的建立与抽取o3.4.1 基于CAD软件的中面模型直接建立实现方法o 1. CREO自顶向下的数据共享方法直接建自顶向下的数据共享方法直接建立中面模型立中面模型o 1) 制件前处理制件前处理o 2) 选取表面选取表面o 3) 中面修理中面修理注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.4 中面模型的建立与抽取o3.

14、4.1 基于CAD软件的中面模型直接建立实现方法o 2. 基于基于CREO的中面模型分区域建立与整的中面模型分区域建立与整合合注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.4 中面模型的建立与抽取o 3.4.2 利用HyperMesh软件抽取中面的方法o 1. HyperMesh软软件简介件简介注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.4 中面模型的建立与抽取o3.4.2 利用HyperMesh软件抽取中面的方法o 2. HyperMesh抽取中抽取中面的实现方法面的实现方法o 1) HyperMesh读入原读入原始始CAD模型模型注射模具浇注系统设

15、计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.4 中面模型的建立与抽取o 3.4.2 利用HyperMesh软件抽取中面的方法o 2. HyperMesh抽取中面的实现方法抽取中面的实现方法o 2) HyperMesh抽取中面前的处理工作抽取中面前的处理工作注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.4 中面模型的建立与抽取o 3.4.2 利用HyperMesh软件抽取中面的方法o 2. HyperMesh抽取中面的实现方法抽取中面的实现方法o 2) HyperMesh抽取中面前的处理工作抽取中面前的处理工作注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析

16、3.4 中面模型的建立与抽取o 3.4.2 利用HyperMesh软件抽取中面的方法o 2. HyperMesh抽取中面的实现方抽取中面的实现方法法o 2) HyperMesh抽取中面前的处理抽取中面前的处理工作工作注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.4 中面模型的建立与抽取o 3.4.2 利用HyperMesh软件抽取中面的方法o 2. HyperMesh抽抽取中面的实现方法取中面的实现方法o 3) HyperMesh抽抽取中面过程取中面过程注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.4 中面模型的建立与抽取o 3.4.2 利用HyperM

17、esh软件抽取中面的方法o 2. HyperMesh抽取中面的实现方法抽取中面的实现方法o 4) HyperMesh抽取中面后的清理和修补抽取中面后的清理和修补注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.4 中面模型的建立与抽取o 3.4.2 利用HyperMesh软件抽取中面的方法o 2. HyperMesh抽取中面的实现方法抽取中面的实现方法o 5) 利用利用HyperMesh划分网格划分网格注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.4 中面模型的建立与抽取o3.4.2 利用HyperMesh软件抽取中面的方法o 2. HyperMesh抽抽取

18、中面的实现方法取中面的实现方法o 6) 导入导入AMI软件，软件，运行分析运行分析注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释n 3.5.1 利用AMI软件运行流动分析的主要实现过程n 3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释o 3.5.1 利用AMI软件运行流动分析的主要实现过程o 典型的流动分析一般过程 新的研究项目网格模型建立工艺参数设定（施加边界条件）模拟结果分析与讨论前处理模拟分析后处理导入或新建CAD模型划分网格网格

19、检查与修复确立分析类型选择材料根据需要，创建浇注系统根据需要，创建冷却系统确立浇注入口设置工艺参数运行分析计算查看分析结果制作分析报告结果分析判断注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释o 3.5.1 利用AMI软件运行流动分析的主要实现过程o 1) 模型导入模型导入o 2) 网格生成与修补网格生成与修补o 3) 创建浇注系统与冷却系统创建浇注系统与冷却系统o 4) 设置分析类型设置分析类型o 5) 选择材料选择材料o 6) 工艺参数设置工艺参数设置o 7) 运行分析运行分析注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案

20、例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释1) 充模时间充模时间（Fill Time） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释2) 体积体积/压力控压力控制转换时的压制转换时的压力力（Pressure at V/P switchover） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释3) 流动前沿温流动前沿温度度（Temperature

21、at flow front） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释4) 体积温度体积温度（Bulk temperature）注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释5) 体积剪切速体积剪切速率（率（Shear rate, bulk） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释6)

22、 注射位置压力：注射位置压力：XY图图（Pressure at injection location: XY Plot ） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释7) 顶出时体积收顶出时体积收缩率缩率（Volumetric shrinkage (at ejection)） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释8) 达到顶出温度达到顶出温度时所需时间时所需时间（Time to re

23、ach ejection temperature） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释9) 冷凝层厚度冷凝层厚度（Frozen layer fraction） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释10) 注射量百注射量百分比：分比：XY图图（% Shot weight: XY Plot） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析

24、过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释11) 气穴气穴（Air traps） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释12) 平均速度平均速度（Average velocity） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释13) 充模结束时充模结束时的体积温度的体积温度（Bulk temperature (end of filling) ） 注射模具浇注系统设计及案例

25、分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释14) 锁模力中锁模力中心（心（Clamp force centroid） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释15) 锁模力：锁模力：XY图图（Clamp force: XY Plot） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释16) 管道单元管道单元内的流速内

26、的流速（Flow rate, beams） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释17) 充模结束时充模结束时冷凝层厚度冷凝层厚度（Frozen layer fraction (end of filling)） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释18) 充模起点充模起点（Grow from） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分

27、析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释19) 型腔内第一型腔内第一主应力方向的主应力方向的残余应力残余应力（In-cavity residual stress in first principal direction） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释20) 型腔内第二型腔内第二主应力方向的主应力方向的残余应力残余应力（In-cavity residual stress in second principal direction） 注射模具浇注系统设计及案例分

28、析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释21) 芯层取向芯层取向（Orientation at core） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释22) 皮层取向皮层取向（Orientation at skin） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释23) 压力压力（Pressures） 注射模具浇注系统设计及案例分析注射模具浇注系统设计及案例分析 3.5 AMI注射流动分析过程及模拟结果解释3.5.2 流动分析后处理主要结果的解释24) 充模结束充模结束时压力时压力