第十三次模具CAE

复习上次课内容：模具CAM

主讲本次课内容：模具CAE（简介）第一节、有限元分析概述第二节、金属塑性成形模拟第三节、塑料成型模拟分析

第七章模具CAE

现代成形加工与模具正朝着高效率、高速度、高精度、高性能、低成本、节省资源等方向发展，因此传统的设计方式已远远无法满足要求。20多年来，随着计算机技术和数值仿真技术的发展，出现了计算机辅助工程分析(ComputerAidedEngineering)这一新兴的技术，该技术在成形加工和模具行业中的应用，即模具CAE。

CAE所涉及的内容非常丰富，泛指运用科学的方法、以计算机软件的形式，为工程领域提供一种有效的辅助工具，帮助工程技术人员对产品、加工工艺、工模具、以及制造成本等进行反复的评估、修改和优化，直到获得最佳的结果。由于所开发CAE软件的种类、功能都较有限，系列化与集成化都难以实现；CAE应用还远未达到所定义范围。目前，模具CAE的主要内容和目的：对工件的可加工性能作出早期的判断，预先发现成形中可能产生的质量缺陷，并模拟各种工艺方案，以减少模具调试次数和时间，缩短模具开发时间；对模具进行强度刚度校核，择优选取模具材料，预测模具的破坏方式和模具的寿命，提高模具的可靠性，降低模具成本；通过仿真进行优化设计，以获得最佳的工艺方案和工艺参数，增强工艺的稳定性、降低材料消耗、提高生产效率和产品的质量；查找工件质量缺陷或问题产生的原因，以寻求合理的解决方案。第一节有限元分析概述

对于一般的工程受力问题，获得整个问题的精确解一般几乎是不可能的。随着20世纪五六十年代计算机技术的出现和发展、以及工程实践中对数值分析要求的日益增长，并发展起来了有限元的分析方法。

有限元法自1960年由Clough首次提出后，获得了迅速的发展；首先只是应用于结构的应力分析，但很快就广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学、成形工艺等连续问题。

一、有限元法的基本概念

对于连续体的受力问题，可以假想地将整个求解区域离散化，分解成为一定形状有限数量的小区域（即单元），彼此之间只在一定数量的指定点（即节点）处相互连接，组成一个单元的集合体以替代原来的连续体；

只要先求得各节点的位移，即能根据相应的数值方法近似求得区域内的其他各场量的分布；这就是有限元法。有限元法的实质就是将一个无限的连续体，理想化为有限个单元的组合体，使复杂问题简化为适合于数值解法的结构型问题；且在一定的条件下，问题简化后求得的近似解能够趋近于真实解。

由于对整个连续体进行离散，分解成为小的单元；有限元法可适用于任意复杂的几何结构，也便于处理不同的边界条件；在满足条件下，如果单元越小、节点越多，有限元数值解的精度就越高。随着单元的细分，需处理的数据量非常庞大，采用手工方式难以完成，必须借助计算机；计算机具有大存储量和高计算速度等优势，同时由单元计算到集合成整体区域的有限元分析，都很适合于计算机的程序设计，可由计算机自动完成；随着计算机技术的发展，有限元分析才得以迅速的发展。二、有限元法分析的基本过程结构的离散化，就是将结构划分成为有限个单元体。假定位移是坐标的某种简单函数，称为位移函数。分别导出单元的应变、应力和刚度矩阵。求单元的应变能求结构的总应变能求结构的总势能根据势能极小原理求上述函数极小值得到引入几何边界条件求得所有的未知节点位移根据求得的节点位移，计算出各单元的应变和应力。

有限元软件并不直接体现以上的过程，一般只是根据相应的功能分为前处理、分析计算和后处理三大部分。前处理模块的主要功能是构建分析对象的几何模型、定义属性以及进行结构的离散划分单元；分析计算模块则对单元进行分析与集成，并最终求解得到各未知场量；后处理则将计算结果以各种形式输出，以便于了解结构的状态，对结构进行数值分析。三、通用用有限元元软件简简介有限元法法自1960年年代提出出后，由由于其强强大的功功能，获获得了迅迅速的发发展。但但有限元元法的应应用离不不开计算算机和有有限元应应用软件件；随着有限限单元法法理论的的发展和和完善，，国内外外先后开开发出了了MSC.NASTRAN、ANSYS、ASKA、ADINA、SAP等等诸多大大型通用用有限元元软件，，ABQUS、、LS-DYNA、MSC.MARC等非非线形分分析有限限元软件件，及其其他各种种功能的的有限元元应用软软件。这些软件件一般都都具有结结构静动力分分析、大大变形和和稳定分分析、各各种非线线形、、以及热热分析、、流体分分析和多多物理场场耦合分分析等功功能，有有比较成成熟、齐齐全的单单元库，，并提供供二次开开发的接接口。有限元软件件MSC.NASTRANNASTRAN有限限元分析系系统是由美美国国家宇宇航局（NASA））在20世世纪60年年代中期委委托MSC公司和贝贝尔航空系系统公司开开发，发展展至今已有有多个版本本，其系统统规模大、、功能强。。在70年年代初期，，MSC公公司对原始始的NASTRAN进行改进进和完善后后推出了MSC.NASTRAN。作为世界最最流行的大大型通用结结构有限元元分析软件件之一，MSC.NASTRAN的分分析功能覆覆盖了绝大大多数工程程应用领域域，并为用用户提供了了方便的模模块化功能能选项。主要分析功功能模块有有：基本分析模模块、动力力学分析模模块、热传传导模块、、非线性分分析模块、、设计灵敏敏度分析及及优化模块块、超单元元分析模块块、气动弹弹性分析模模块、DMAP用户户开发工具具模块及高高级对称分分析模块。第二节金金属塑性性成形模拟拟

一、塑塑性有限元元的基本概概念金属塑塑性变变形是是一种种典型型的非非线性性问题题：由于塑塑性变变形区区中的的应力力与应应变关关系为为非线线性的的，为为了便便于求求解非非线性性问题题，必必须用用适当当的方方法将将问题题进行行线性性化处处理；；塑性性问问题题的的应应力力与与应应变变关关系系不不一一定定是是一一一一对对应应的的；；塑塑性性变变形形的的大大小小，，不不仅仅取取决决于于当当时时的的应应力力状状态态，，而而且且还还决决定定于于加加载载历历史史；；塑性性变变形形中中，，金金属属与与工工模模具具的的接接触触面面不不断断变变化化；；因因此此，，必必须须考考虑虑非非线线性性接接触触与与动动态态摩摩擦擦问问题题。。塑性性理理论论中中关关于于塑塑性性应应力力应应变变关关系系与与硬硬化化模模型型有有多多种种理理论论，，材材料料属属性性有有的的与与时时间间无无关关，，有有的的则则是是随随时时间间变变化化的的粘粘塑塑性性问问题题；；于于是是，，采采用用不不同同的的理理论论本本构构关关系系不不同同，，所所得得到到的的有有限限元元计计算算公公式式也也不不一一样样。。1.弹弹塑塑性性有有限限元元在塑塑性性变变形形过过程程中中，，如如果果弹弹性性变变形形不不能能忽忽略略并并对对成成形形过过程程有有较较大大的的影影响响时时，，则则为为弹弹塑塑性性变变形形问问题题，，如典型的板料料成形。在弹塑性变形形中，变形体体内质点的位移和和转动较小，，应变与位移移基本成线性性关系时，可可认为是小变变形弹塑性问问题；而当质质点的位移或或转动较大，，应变与位移移为非线性关关系时，则属属于大变形弹弹塑性问题；；相应地有小变变形弹塑性有有限元或大变变形（有限变变形）弹塑性性有限元。由于在弹塑性性变形中，应应力应变关系系为非线性的的，变形体的的最终形状变变化通常不能能如线弹性问问题一样能够够一次计算得得到；因此，在有限限元分析时，，一般只能按按增量理论进进行求解，即即将整个载荷荷分解成为若若干增量步，，逐渐施加在在变形体上。。2.刚（粘粘）塑性有限限元在塑性加工的的体积成形工工艺中，变形形体产生了较较大的塑性变变形，而弹性性变形相对很很小，可以忽忽略不计，此此时可认为是是刚塑性问题题，如锻造、、挤压等；相应地则可以以用刚塑性有有限元法分析析。刚塑性有有限元法是在在马尔可夫（（Markov）变分原原理的基础上上，引入体积积不可压缩条条件后建立的的。二、金属塑性性成形有限元元模拟软件简简介金属塑性成形形一般可分为为体积成形和和板料成形两两大类。在板料成形模模拟方面，国国际上主要有有美国的DYNAFORM、德国的AUTOFORM、法国的的PAM系列列软件；在体积成形方方面，有美国国的DEFORM、MSC.SUPERFORGE，法国国的FORGE3等。1.板料成成形模拟软件件DYNAFORMDYNAFORM是由美美国ETA公公司和LSTC公司联合合开发的用于于板料成形模拟拟的专用软件包包。DYNAFORM具具有友好的用用户界面、良良好的操作性性能，包括大大量的智能化化自动工具，，可方便地求求解各类板成成形问题。DYNAFORM专门用用于工艺及模模具设计涉及及的复杂板成成形问题，如如弯曲、拉深、、成形等典型板料冲冲压工艺，液液压成形、滚滚弯成形等特特殊成形工艺艺；可以预测成形形过程中板料料的裂纹、起皱、、减薄、划痕痕、回弹，评估板料的成成形性能，从从而为板成形形工艺及模具具设计提供帮帮助。2.体积成成形模拟软件件DEFORMDEFORM系列软件是是基于工艺过过程模拟的有有限元系统(FEM)，，可用于分析析各种塑性体体积成形过程程中的金属流流动以及应变变应力温度等等物理场量的的分布，提供供材料流动、、模具充填、、成形载荷、、模具应力、、纤维流向、、缺陷形成、、韧性破裂和和金属微结构构等信息，并并提供模具仿仿真及其他相相关的工艺分分析数据。第三节塑塑料成型模拟拟塑料成型是制制造业中的一一个主要组成成部分，而流流动模拟对塑塑料成型具有有重要意义；；运用塑料流动动模拟能帮助助设计人员优优化成型工艺艺与模具结构构，指导设计计人员从成型型工艺的角度度改进产品形形状结构、选选择适合的塑塑料材料和成成型设备，评评判不同材料料采用同一工工艺与模具成成型的可行性性，分析可能能出现的问题题；达到降降低生生产成成本、、缩短短模具具开发发周期期的目目的。。对于于一般般简单单的塑塑料制制品的的成型型，只只进行行流动模模拟分分析即可；；对于复复杂精精密塑塑件的的成型型，不不仅要要对流流动过过程进进行模模拟分分析，，还需需要对对充模、、保压压过程程中塑塑件与与模具具的冷冷却进进行分分析；甚至至需要要分析析开模模后塑塑件的的残余余变形形与应应力等等。一、塑塑料流流动过过程模模拟的的基本本原理理塑料成成型过过程中中，由由于塑塑料熔熔体的的粘度度高、、雷诺诺数低低，故故熔体体流动动可简简化为为不可可压缩缩的层流，符符合牛顿顿流动定定律。由于塑料料制件一一般都是是薄壁零零件，厚厚度方向向尺寸远远小于另另两个方方向的尺尺寸；注射成型型时熔体体在三维维模具型型腔中的的流动状状态可看看作是类类似于无无限大平平板间局局部完全全发展的的平面流流动，即即简单剪剪切流动动。熔体在型型腔内流流动的数数值模拟拟分析分分为一维维、二维维和三维维分析。。一维分析析是二维维分析的的基础；；二维分析析是将任任意形状状的三维维塑件模模型展平平成二维维模型后后，并分分解成许许多一维维流动的的基本单单元进行行一维分分析；三维分析析是在三三维模型型及其有有限元网网格的基基础上进进行的。。二维分析析主要用用于确定定塑料熔熔体和成成型工艺艺参数的的可行范范围等以以及成型型过程技技术上的的可行性性；三维分析析则用于完完整的成成型过程程数值模模拟与仿仿真分析析。1.一一维与二二维流动动分析所谓一维维流动，，是指塑塑料熔体体在流动动过程中中任意质质点的运运动可用用单方向向的流速速来表征征。一维流动动的基本本形式a）圆管管流动b））矩形板板流动c））径向流流动常用的一一维流动动单元a）圆流流管b）具有有中心浇浇口的圆板c）具有有边缘浇浇口的平板d）具有有中心浇浇口的圆环板由于二维维流动单单元是由由一维单单元串联联组合而而成，故故二维分分析在实实质上与与一维分分析相同同，只是是需要处处理不同同流动路路径的熔熔体流量量和填充充时间，，而且还还需要一一定的经经验。但当确定定好流动动路径和和流动单单元后，，通过分分析即可可获得任任一时刻刻熔体流流动前沿沿位置及及其温度度、速度度、压力力的分布布以及熔熔接缝位位置等。2.三三维流动动分析三维流动动分析是是对熔体体在三维维结构上上的流动动进行模模拟分析析，一般般可以在在二维流流动分析析的基础础上进行行。分析析时必须须首先将将塑件的的三维结结构展平平，并划划分流动动路径和和单元；；实际分析析中造成成诸多的的不便，，且需要要设计人人员的经经验。采用有限限元法分分析熔体体在型腔腔内的流流动过程程，则不不必预先先确定流流动路径径与单元元，且甚甚少依赖赖设计人人员的经经验；因此，随随着有限限元法的的发展，，有限元元模拟已已成为分分析熔体体流动过过程有效效手段。。二、塑料料成型模模拟软件件简介由于塑料料成型数数值模拟拟越来越越重要的的作用，，以及实实际的需需要；国内外相相继开发发了相应应的商品品化软件件，主要要有：澳大利亚亚MOLDFLOW公司的MOLDFLOW系列列软件；美国SDRC公公司的Polyfill和Polycool-II，德国IKV研究究所的CADMOULD系列列；法国CISIGRAPH的STRIM100；；我国华中中科技大大学的华塑CAE3DRF5.0等。1.华华塑CAE3DRF5.0软件件华塑CAE3DRF5.0软件件是由华华中科技技大学开开发，该该CAE软件与与华塑CAD模模具结构构设计与与计算校校核软件件进行集集成，实实现了塑塑料成型型工艺与与模具的的CAD/CAE/CAM一一体化。。主要技术术特点和和功能有有：几何模型型的输入入——自带带几何造造型系统统；先进的图图形和结结果显示示功能——实实现模型型及分析析结果三三维显示示，快速速旋转、、平移、、缩放；；流动分分析结果果可随意意按时间间步显示示和回溯溯；操作方便便——系系统具有有良好的的中文界界面，支支持相关关的中国国国标，，优良的的设计操操作性能能，采用用可折叠叠的目录录树管理理操作进进程和分分析数据据，让用用户能有有效的控控制整个个分析过过程的实实现；先进的流流动分析析技术——采采用三维维真实感感注射成成型流动动分析；；强大的分分析功能能——准准确地分分析流动动前沿、、温度场场、压力力场、剪剪切力与与剪切速速率场；；自动预预测熔接接缝和气气穴的位位置等；；开放的数数据库——支支持国内内外塑料料数据库库，并可可以测试试并添加加新获得得的塑料料流变数数据。图华塑塑CAE3DRF5.0软件分分析的实实例2.MOLDFLOW系列列软件MOLDFLOW系列软件件根据功功能差别别分为MPA（（MoldflowPlasticsAdvisers））和MPI（MoldflowPlasticsInsight），，其中MPI功功能非常常强大，，包括流动分析、冷冷却分析、翘翘曲分析、收收缩分析、结结构应力分析析、气体辅助注注射成型分析析、注射工艺艺参数优化等等。MPI的主要要技术特性和和功能MPI/FLOWBaseModules——基本模模块模型及几何建建模—能够对各种种复杂的产品品曲面进行造造型，并能对对模具冷流道道、热流道及及冷却管道方方便的进行造造型，并能自自动进行有限限单元网格划划分；结果显示—能够对计算算机计算结果果按等值线、、光照或按照照有限单元、、单元节点等等多种方式显显示，并能方方便的放大、、缩小、旋转转、平移显示示结果；标准图形接口口——能够将将CAD/CAM/CAE软件的IGES格式式造型文件方方便地输入到到Moldflow造型型模块，节省省造型时间，，方便产品分分析；有限单元文件件接口——能够将将ANSYS、Patran、I-DEAS、、C-MOLD软件产生生的产品造型型网格文件通通过此接口直直接传入到Moldflow软件中中，方便的用用于分析，无无须再对产品品进行造型；；材料、工艺参参数数据库——Moldflow材料、工艺艺参数数据库库中包括近5000种树树脂材料和各各种常用的模模具材料、冷冷却液、注塑塑机，方便的的为您在模拟拟分析时提供供选择；模块还可根据据产品尺寸和和所选材料为为您提供初步步的工艺参数数，包括熔料料温度、填充充时间、锁模模力、注塑压压力等；实体模型网格格自动生成——此模块块可以将CAD软件(如如:UG、Pro/E、、SolidWorks)中的三维维几何产品造造型通过STL格式直接接划分成Moldflow网格文件件，进行Moldflow分析；该该模块使用户户能更好的将将已有的CAD软件与Moldflow软件配配合使用，减减少产品重复复造型，方便便快捷，是横横跨其他CAD软件和Moldflow软件之之间的一座天天桥；流动分析——在产品品造型、材料料、工艺确定定后，通过Moldflow流动分分析模块的模模拟，您可以以得到在注塑塑过程中，熔熔融树脂填充充模具型腔时时的各种结果果及参数，如如：型腔温度度、压力、熔熔料推进过程程、锁模力大大小、熔接痕痕出现位置、、气穴出现位位置等；并能能根据产品的的几何形状优优化注塑时注注塑机的螺杆杆曲线。其他模块MPI/FUSION双双层面网格前前处理器———将IGES面模型型、STL格格式文件、STEP格式式文件、Parasolid格式文文件等直接划划分有限元网网格，即通过过此模块可以以直接将CAD模型转为为Moldflow分析析模型，无须须再建模；MPI/COOL冷冷却却分分析析————通通过过Moldflow冷冷却却分分析析模模块块，，可可以以优优化化模模具具设设计计方方案案的的冷冷却却系系统统，，包包括括：：冷冷却却管管道道的的数数目目、、位位置置、、尺尺寸寸，，冷冷却却过过程程中中的的各各项项工工艺艺参参数数等等；；优优化化后后的的方方案案可可以以减减少少动动、、定定模模温温差差，，缩缩短短生生产产周周期期，，提提高高生生产产效效率率；；MPI/SHRINK收收缩缩分分析析————了了解解制制品品各各个个部部分分及及各各个个方方向向的的收收缩缩情情况况及及其其原原因因，，并并可可预预测测缩缩痕痕、、收收缩缩翘翘曲曲情情况况等等；；MPI/WARP翘翘曲曲变变形形分分析析————能能够够精精确确的的计计算算因因冷冷却却及及收收缩缩不不均均匀匀而而产产生生的的产产品品收收缩缩和和变变形形，，并并分分析析其其原原因因；；帮帮助助模模具具设设计计师师收收放放模模具具型型腔腔尺尺寸寸，，优优化化设设计计模模具具结结构构使使得得制制出出的的产产品品收收缩缩变变形形减减少少，，保保证证装装配配尺尺寸寸；；MPI/FIBER纤纤维取向