cae软件在聚合物加工中的对比分析

cae软件在聚合物加工中的对比分析

1聚合物加工过程模拟计算技术，即cae（cordicgail）技术在聚合物加工领域得到了越来越广泛的应用。在该领域，cae技术的核心是对传输、注射、压延等生产工艺过程进行数学模型，并在此基础上优化加工工艺和设备，以提高产品质量，缩短产品开发周期，降低成本。CAE中的一个关键问题就是模拟要尽可能符合实际情况,聚合物加工过程的复杂性容易造成模拟结果与实际情况之间较大的误差,这既与模拟过程中的假设和简化有关,也与所选用的分析软件密切相关。多年来人们就模拟软件的开发进行了不懈的努力,目前可用于或专用于聚合物加工过程的模拟软件有多种,如ANSYS、POLYFLOW、MOLDFLOW、MARC、PLANETS、FIDAP等。这些软件在过程模拟的总体思路上具有许多共同点,但在功能、结构和操作等方面各有差别,不同软件对解题对象有所侧重。作者在实际工作中先后使用过ANSYS、POLYFLOW、MOLDFLOW3种不同软件,现就其结构、功能等特性谈一下初步体会。2一些模拟软件的比较2.13压力和速度分析ANSYS软件是一个典型的基于有限元方法进行分析和设计的软件平台,适合许多工程领域。ANSYS软件可进行机械结构分析、热分析、流体分析、电磁分析和耦合场分析。结构分析主要包括静力分析和动力分析,静力分析针对于静态载荷,包括结构的线性和非线性行为,如大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等;动力分析涉及质量和阻尼效应,包括模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析;热分析用于确定3种不同传热方式下结构物中的温度分布;流体分析用于确定流场的流动状态和温度;电磁分析用于计算电磁装置中的磁场;耦合场分析要同时考虑两个或多个物理量之间的相互作用,如热-应力分析、热-电分析、静电-结构分析等。POLYFLOW对非牛顿流体及聚合物的非线性等具有较好的模拟性能,可用于模拟聚合物挤出、吹塑、压延成型,还可用于模拟电加热和其他较为复杂的计算模拟,如多区域模拟、逆向设计、共挤出、带自由边界的3D挤出、具有时间依赖性的过程等问题。该软件的最大优点在于它有大量的流体材料数据库及反映广义牛顿流体和粘弹性流体流变特性的本构方程的支持,适于对聚合物流体分析。MOLDFLOW则主要用于聚合物注射加工中,可实现对注射过程中的流动、冷却、翘曲、应力进行模拟,对热固性、热塑性树脂的流动行为分析模拟,另外可进行气体辅助注射、纤维取向、制品收缩以及制品优化等更加复杂的模拟分析。2.23计算模型的对比尽管3种软件的功能有差别,但它们的基本结构是类似的,都主要由3个组成部分即前处理、求解、后处理,如图1～3所示;分析所遵循的基本步骤也是类似的,即都是由几何模型的建立到有限元模型的生成,再到指定材料属性和施加必要的边界条件或载荷求解条件,然后经主体分析程序求解计算,最后将计算结果以某种适当的形式输出。但3种软件主要分析对象各有侧重,在结构上也存在较大差异。如ANSYS适于求解的对象复杂多样,所以运行后要选择不同的功能模块,如图1所示,后两种相对单一,不用特意选择。POLYFLOW在对材料和边界的设定中,已经独立成一个完整的POLYDATA模块,使得整个数据管理过程变得简单、直观,而且POLYFLOW后处理中含有诊断模块和统计模块,这在MOLDFLOW和ANSYS没有。从图1～3的结构图中可以看到,POLYFLOW和MOLDFLOW有材料数据库的支持,边界条件的设定也更加独立,这是聚合物加工中边界条件的重要性和高分子材料所遵循的独特本构方程对其提出的必然要求;POLYFLOW有独立的网格修整模块,有助于网格的规范,为后续求解计算创造良好条件,其后处理模块界面友好,操作简便,较之其他两种软件功能更丰富、更具体。2.3几何模型的生成和数据接口上述3种CAE分析软件的前处理模块中均有几何建模功能,而且都使用基于尺寸驱动的参数化特征造型的方法,支持两种建模方式,即自底向上和自顶向下建模。在操作和管理上,都是以数据文件的格式进行存取、调用、传输、转换。不同之处在于ANSYS中的几何模型是用命令的方式生成的,而POLYFLOW中前处理模块GAMBIT用控件来生成几何体,并且引入“虚几何”的概念,通过虚几何的应用可以把几何体中的一些小尺寸面、缝隙等合并、消除,以利于高质量网格的生成。尽管这些模拟软件都具备建模的功能,但还不具备专用CAD软件那种强大的造型和编辑功能,当处理复杂几何体形状时就表现出局限性。因此3种软件都提供与专用CAD软件的数据接口。通常可导入ANSYS的CAD数据格式为IGES、SAT、UG、PARASOLID、Pro/E等;可导入MOLDFLOW中的多为STL格式的文件;GAMBIT中可导入的数据文件格式一般为ACIS、PARASOLID、IGES、STEP、ICEM等,有时还可以直接导入其他的已经网格化的图形文件。2.4基于anasas的网格控制3种软件的网格生成各有特点,在单元类型、网格控制、网格生成方式、网格划分策略和网格修补等方面都有一些不同,如表1所示,以下择要说明。ANSYS和POLYFLOW对于单元类型分类主要有以下几种:平面单元和立体单元;结构化单元和非结构化单元;线性单元和非线性单元。MOLDFLOW的分析对象多为壳体,所以它较多采用平面类型中的三角形单元。在网格控制方面,ANSYS有智能网格控制和自定义函数两种方法;POLYFLOW需要指定边长和单元数目,有时还要使用尺寸函数;MOLDFLOW则需指定边长和合并允许公差。网格生成时,ANSYS主要有自由网格和映射网格两种方式,此外还有专门针对立体网格生成的拖曳(Drag)和扫略(Sweep)方式。POLYFLOW针对不同的几何体类型有多种网格生成方式,如对于面网格的生成方式有Map、Submap、Pave等;对于体网格生成有类似于扫略的Cooper功能和类似于自由网格Tgrid功能等。ANSYS在进行映射网格生成时要根据不同节点数量采用不同策略;POLYFLOW在网格生成中当使用Map或者Submap划分单元网格时需要指定图形节点的性质,如端点(END)、边点(SIDE)、角点(CORNER)还是逆向点(REVERSE)。就网格修整而言,在POLYFLOW中有Heel控件,ANSYS中需要重新设定相关参数并再次生成网格,MOLDFLOW中有自动修复功能,主要解决单元重叠问题,也可以通过合并与移动(Merge/Move)进行人工修复。2.5poliwell挑战求解是CAE模拟分析过程中的关键步骤,评价CAE软件优劣的依据很大程度上取决于求解的速度与求解结果的精度。求解前ANSYS要确定载荷和求解器类型,ANSYS中的载荷分为3类:作用在节点上的DOF约束和位移约束载荷,作用在面单元的压力、对流载荷,以及作用在体单元的重力、惯性力和结构温度载荷;其主要的求解器有3种:直接消去求解器、迭代求解器、并行求解器,不同求解器适用于不同的问题种类,对内存的要求也不同。POLYFLOW的加载是通过POLYDATA模块完成的,边界条件、材料物性、插值函数、重新网格化等,当涉及迭代或时间依赖问题时还需要定义数值参数选项,设置收敛条件和迭代步数,然后启动POLYFLOW求解器完成对所设定问题的求解计算。MOLDFLOW是在分析(ANALYSIS)模块中设定分析类型、材料物性、工艺参数、成型条件,如填充量、充填保压切换时间、冷却时间、保压时间等,然后运行求解程序即可。2.6数据处理模块后处理完成对计算结果的显示、分析和评价等,3种软件都具有标量输出、矢量输出、等值线图输出、二维曲线等输出功能。不同的是ANSYS的后处理程序功能有拾取查询、路径操作、载荷工况组合、误差估计、结果查阅和报告生成。POLYFLOW的后处理中含有的3个子模块,通过启用Fieldview模块完成对计算结果的输出和操作,通过Polydiagnoze完成诊断,给出求解成功或失败的信息,通过Polystatic完成对混合效果和停留时间分布等的统计分析。MOLDFLOW通过ProjectView列表或图形显示计算结果,并可以自主选择、定义输出结果的形式,通过启动Report完成分析报告的生成和制作,给出评价结果和提出改进建议。3不同软件网格划分及对比现采用以上所讨论软件中的两种ANSYS和POLYFLOW就同一问题——管材挤出机头压缩定型段的流动特性进行分析。为了体现不同软件在应用上的异同,对问题的结构做了简化和必要的假设,分析对象是管机头压缩定型段及挤出物熔体离开机头模唇时的自由流动区域,如图4、5黑框所示部分。在实际分析中利用几何体的对称性,仅取压缩定型段环形流道的上半部分为对象,并假设:1)粘性不可压缩流体;2)壁面无滑移;3)忽略重力影响;4)等温幂律流体;5)不考虑粘性热的影响,同时把三维流动简化成平面二维流动。给定入口处流量,然后使用ANSYS和POLYFLOW两种软件对问题进行模拟分析,图6和图7为压缩定型段轴截面上半平面示意。因两种不同的软件在网格生成、边界性质的定义及主体分析程序不同,使求解过程和计算结果均有不同。使用ANSYS时采用了映射网格划分策略,用“工作平面”将如图6(a)所示的压缩区流道分割,由于整个压缩定型区结构不够规则,所以对分割所得的不同区域分别划分网格,以避免不合理网格的出现。而POLYFLOW则只需改变流道各特征点的几何性质就可以一次完成网格生成,正如我们在“3种软件网格划分比较”中所提到的那样。POLYFLOW把流出管机头的熔体设定为子区,并定义出自由边界,使得该处内部网格可以随着边界的运动发生变化,因此POLYFLOW的结果可以显示出挤出胀大现象,如图6(a)、(b)所示;而ANSYS中没有自由边界的概念,所以ANSYS的输出结果不能反映挤出胀大现象,如图7(a)、(b)右上角箭头所示。挤出胀大是聚合物加工过程中的一个重要问题,它直接影响制品尺寸、精度与质量,因此模拟过程能否反映挤出胀大现象是人们十分关注的,POLYFLOW的这一分析结果更加接近本例的情况。当采用三维几何模型时,这种挤出胀大现象在POLYFLOW求解的结果中表现得更为突出,见图8。其中8(a)、8(b)分别为管材挤出压缩定型段三维模拟时的横截面速度分布示意图,从图中可见,当熔体刚好位于机头出口处时其径向速度为零,但当熔体一旦离开出口就产生了沿径向分布的速度,如图8(b)所示,这些模拟结果体现了POLYFLOW的应用特性。通过进一步的数据整理和分析,可见在压缩段黏度随着轴向位移的增加而逐渐减小,表现出明显的剪切变稀,如图9所示;定型段边界处剪切严重,但在芯层黏度变化不大,可见合理确定定型段长度和适当控制芯模与外口模之间的间隙对挤出成型质量至关重要。这启示我们应设置适当的加工温度和合理的圆滑过渡结构,以维持物料黏度的均匀性,流动的稳定性,避免在上下壁面造成积料。从输出形式看,两种软件都可以进行标量输出、矢量输出和二维曲线输出,这从另一个侧面说明了不同软件在后处理上的相同点,正如本文在2.6节中所提到的那样。以上分析说明:虽然两种软件的分析结果有某种程度的差异,但他们对聚合物流动过程的模拟和预测基本一致。4模型材料与本构方程的选择这3种软件都可用于对聚合物非牛顿流体的分析,三者的基本分析流程类似。从本质上说,3种软件的核心求解程序所依赖的物理规律是一致的,即都反映流体动力学规律的4大方程:连续性方程