注塑模的CAE技术及实例分析

1、注塑模的CAE技术及实例分析1. 注塑模CAE技术国内外研究现状1.1 CAE技术概述及其在注塑成型中的应用计算机辅助工程分析，是应用计算机分析几何模型物理问题的技术，可以让设计者进行仿真以研究产品的行为，进一步改良或最佳化设计。目前在工程运用上，比较成熟的CAE技术领域包括结构应力分析、应变分析、振动分析、流体流场分析、热传分析、电磁场分析、机构运动分析、塑料注塑成型模流分析等等。有效地应用CAE，能够在建立原型之前或之后发挥功能协助设计变更，协助排除困难，累积知识经验，系统化整理，建立设计准则。CAE以使用近似的数值方法来计算求解，而不是传统的数学求解。数值方法可以解决许多用纯数学所无法求

2、解的问题，应用层面相当广泛。因为数值方法应用许多矩阵的技巧，适合使用计算机进行计算，而计算机的运算速度、内存的数量和算法的好坏就关系到数值方法的效率与成败。注塑模CAE技术以有限元分析为基础进行模流分析，其分析模型是将产品的几何模型曲面离散为三角形或四边形形式的网格元素形态表示。注塑模CAE技术可用来帮助模具设计者及注塑成型加工者在开模前及生产过程中经由电脑模拟的结果了解熔体在充填、保压及冷却过程中的各种状态，如温度、压力、流速、密度、剪切力及应变等的分布与变化情况，进而由这些资料决定适当的产品及模具设计。例如可决定适当的壁厚及其变化，可决定流道尺寸大小，选择最佳浇口位置，多模穴的安排，熔接线

3、及排气孔位置的预测，冷却水管的设计等，并可建立加工视窗，提供适当的保压时间、保压压力、注射压力、加工温度、模具温度等，同时，可预测所需锁模力及成型品收缩率。注塑成型分两个阶段，即开发设计阶段(包括产品设计、模具设计和模具制造)和生产阶段(包括购买材料、试模和成型)。传统的注塑成型方法基本步骤如图一所示，图一为现代模具开发步骤。传统的注塑方法是在正式生产前，由于设计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕后，通常需要几次试模，发现问题后，不仅需要重新设置工艺参数，甚至还需要修改塑料制品和模具设计，这势必增加生产成本，延长产品开发周期。采用技术，完全可以代替试模，技术提供了从制品设计到生产的完整解决

4、方案，在模具制造之前，预测塑料熔体在型腔中的整个成型过程，帮助发现潜在的问题，有效地防止问题发生，大大缩短了开发周期，降低生产成本。图1-1 结合CAE的设计方法1.2 注塑模CAE技术研究现状近年来模具及塑料加工领域发展最快的是技术，通过对成型加工过程进行数值模拟，研究加工条件的变化规律，预测制品的结构和性能，选择制品、模具设计及工艺条件的最佳方案，使成型加工从一项实用技术变为一门应用科学。注塑模CAE技术是根据塑料加工流变学和传热学的基础理论，通过建立熔体在模具型腔中的流动和传热的数学模型，利用计算机图形学将动态流动过程直观地显示到屏幕上。注塑模技术是一门工程应用技术，它的出现为快速解决注

5、塑成型过程的工程实际问题提供了帮助。如果在塑料的加工过程中的流动、传热以及在力场和热场作用下所出现的物理、化学变化没有深入的、科学的认识，就不能生产出质量优良的制品。所以各国都非常重视注塑模CAE技术。 1978年推出了第一个注塑成型充填阶段的模拟软件MOLDFLOW。80年代，随着C-MOLD软件的问世及其他一些软件广泛用于注射成型过程，模具设计才成为依赖于计算机预测的工程科学。 自80年代以来，北美和欧洲的许多研究小组对聚合物熔体流经管道、口模和成型设备的各个方面进行了深入的调查、研究，推出了关于聚合物流动的有限元分析软件FIDAP,POLYFLOW,NEKTON和POLYCAD等。90年

6、代，己将研究重点置于材料的粘弹性、复杂三维模拟以及取向、残余应力和固化现象的研究。另外，计算方法在双螺杆挤出、热成型、薄模吹塑、反应注射成型和气体辅助注射成型的工艺条件设定方面的应用，也成为研究热点。可以预见，注塑模CAE技术将被广泛采用，成为解决塑料成型加工和模具设计中各类问题的标准工具和手段。国内开展注塑模CAE研究起步较晚，但通过不懈的努力，以及对国外软件开发经验与技术的吸收和研究，发展较快，并取得了一定的成果。华中理工大学模具技术国家重点实验室自行开发了国内第一个注塑模CAD/CAM/CAE集成系统HSC2.0，其水平达到了国外年代初期的先进水平，最近推出HSC5.0。浙江大学、上海交

7、通大学、四川大学、大连理工大学、郑州工业大学、合肥工业大学、北京化工大学等在注射模CAD/CAM/CAE系统研究方面都做了许多研究工作。北京华正模具研究所与美国AcTech公司合作开发的面向注射模的中文辅助分析软件CAXA-IPD，采用了国际上CAE技术的最新成果。注塑模CAE技术的应用在国外己相当普遍，而在我国注塑模具设计仍停留在以经验为主导的设计模式，成熟的注塑模用户屈指可数。主要原因在于以下几方面:(1) 注塑模CAE系统对工程师的综合素质要求较高。注塑模CAE系统是一个很好的工程分析工具，但它只能帮工程师了解产品存在的问题，提供解决问题的思路，而并不能提供解决问题的方案。要充分发挥注塑

8、模CAE技术的作用，关键在于对分析结果的正确评价与最佳解决方案的确定。而分析结果的评价又涉及到高分子材料、产品结构、模具、注塑成型工艺等方面的相关理论和经验，这就对工程师的综合素质提出了较高的要求。(2) 还未正确认识注塑模CAE技术对模具设计的指导作用。注塑模CAE技术是多学科相互交叉的产物，既包含了科学的数理计算方法也加入了诸多资深工程师的经验。注塑模CAE分析是了解和优化模具设计与制造工艺的最佳途径，但在求解与有效运用分析结果之间仍有相当大的差距。有些企业虽然购买了CAE软件，但软件使用人员不懂如何有效的应用分析结果来指导模具设计，使企业并不能从CAE技术的应用中带来经济效益，造成资源的

9、巨大浪费，也影响了注塑模CAE软件的进一步推广应用，因此要缩短这一差距主要还是要靠CAE分析工程师自身的素质不断提高。值得注意的是，注塑成型CAE分析是一种理想状态下的理论分析，并不能完全取代试模，成功的注塑成型分析不等于成功的实际注塑生产，但是一个不注重产品优化设计的企业无法面对全球经济一体化竞争激烈环境的挑战。(3) 目前主流算法的局限性是软件推广应用的瓶颈。2. 注塑模软件2.1 注塑模软件的基本结构和分析流程技术CAE是一个综合软件系统，其核心技术是工程问题的模型化和数值计算方法。CAE技术的载体是软件产品，分为专用与通用两类针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化

10、的软件称之为专用CAE软件可对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化的软件称为通用CAE软件。注塑CAE软件属专用软件。一般的CAE软件架构可以区分为三大部分前处理器(pre-processor)、求解器(sovler)和后处理器(post-processor)。前处理器的任务是建立几何模型、切割网格元素与节点、设定元素类型与材料系数、设定边界条件等。求解器读取前处理器的结果档，根据输入条件，运用数值方法求解答案。后处理器将求解后大量的数据有规则地处理成人机接口图形，制作动画以方便使用者分析判读答案。为了便利建构2D或3D模型，许多CAE软件提供了CAD功能，方便

11、建构模型。或者提供CAE接门，以便将2D或3D的图文件直接汇入CAE软件，再进行挑面与网格切割，以便执行分析模拟。目前，常见注塑CAE软件的结构如图2-1所示，按成型工艺过程的特点，分为流动、保压、冷却、残余应力及翘曲分析等软件模块。为进行模拟分析，需要有前后处理软件。前处理主要完成分析模块的数据准备，用来进行分析对象的形状定义、边界条件的确定及网格离散，后处理主要完成计算结果的图形显示，以便让用户直观了解分析结果。图2-1 目前常见注册CAE软件结构图CAE技术可以通过改变几何模型数据*.msh文档、材料物性参数*.mat文档及成型条件*.pro文档，产生不同的方案组别，仿真不同的设计方案或

12、参数变更，找出影响制品质量的主要变量或参数。CAE技术分析的基本流程见图2-2。从图可以看出，步骤13主要用来明确研究对象，如应用流动分析解决塑料件欠充填问题，用保压分析解决薄板密度不均匀问题，用冷却分析解决内应力过大问题，用流动、保压、翘曲分析解决成型尺寸不良问题等;步骤47主要用来完成技术对所研究问题的解决方法。图2-1 CAE技术分析的基本流程图2.2 注塑模技术商品化软件注塑模CAE技术在加快新产品开发，促进产品更新换代、提高模具和产品质量方面有巨大的推动作用，因此，世界上许多国家都投入了大量的人力、物力和财力加以研究开发。从80年代开始，注塑模技术从实验室阶段进入实用化阶段，目前，国

13、际上具有代表性的商业化软件有:(1) 澳大利亚MOLDFLOW公司的注塑模具CAE软件moldflow主要包括流动模拟程序(MF/FLOW)、冷却分析程序(MF/COOL)、翘曲分析程序(MF/WARP)即和应力分析程序(MF/STRESS)。澳大利亚MOLDFLOW公司于1978年发布了世界上第一套塑料注射成型流动分析软件moldflow plastic insight，二十世纪八十年代初期，美国AC-TECH公司也发布了注射成型分析软件C-MOLD，2000年4月，MOLDFLOW公司收购了AC-TECH公司，并于2001年发布了集MPI2.0和C-MOLD2000优点于一体的MPI3.0

14、，今年初，推出了4.0版。软件一直主导塑料注射成型软件CAE市场，在世界上拥有较多的用户。(2) 德国IKV研究所的CAD/CAE软件CADMOULD。该软件主要包括模具方案构思与设计软件LAYOUT&DESIGN、二维流动模拟FLOW PATTERN LAY-FLAT、三维流动分析MEFISTO、二维冷却分析THERMAL LAYOUT和模具强度、刚度分析MECHANICIAL LAYOUT OF MOULDS等。(3) 美国SDRC公司的I-DEAS软件。该软件原为通用的机械CAD/CAM软件，90年代初，该公司开发注射成型流动和冷却分析软件，并与I-DEAS集成推出适合于注的卜。此外，还

15、有美国GRAFTEK公司、PRIME-CV公司、PRIME-CALMA公司、意大利P&C和英国的Delta CAM公司的注射模设计制造软件包。注塑模的数值模拟在实际应用中取得了飞速发展但商品化软件无论在功能还是在精度上，至今远未达到尽善尽美的程度，注塑模CAE技术仍是当今塑料中热门的研究课题之一。特别是三维模拟，注塑成型全过程模拟，CAD/CAM/CAE的集成化技术，人工智能在CAE中的应用，新的成型工艺以及模拟研究将是以后着重要解决的问题。MOLDFLOW软件包括三部分Moldflow plastic advisers(产品优化顾问，简称MPA)塑料产品设计师在设计完产品后，运用MPA软件模

16、拟分析，在很短的时间内，就可以得到优化的产品设计方案，并确认产品表面质量；Moldflow plastic insight(注塑成型模拟分析，简称MPI):对塑料产品和模具进行深入分析的软件包，它可以在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析，包括充填、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩，以及气体辅助成型分析等使模具设计师在设计阶段就找出未来产品可能出现的缺陷提高一次试模的成功率；Moldflow plastics xpert(注塑成型过程控制专家，简称MPX):集软硬件为一体的注塑成型品质控制专家，可以直接与注塑机控制器相连，可进行工艺优化和监控，自动优化注塑周期、降低废品率及监控整个生产

17、过程。 MOLDFLOW 软件在注塑模设计中的作用主要体现在以下几方面:（1） 优化塑料制品,运用MOLDFLOW软件，可以得到制品的实际最小壁厚，优化结构，降低材料成本，缩短生产周期，保证制品能全部充满。（2） 优化模具结构,运用MOLDFLOW软件，可以得到最佳的浇口数量与位置，合流道系统与冷却系统，并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸优化，在计算机上进行试模、修模，大大提高模具质量，减少修模次数。（3） 优化注塑工艺参数,运用MOLDFLOW软件，可以确定最佳的注射压力、保压、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间和冷却时间，以注塑出的塑料制品。 采用MOLDFLOW软

18、件对注塑件进行流动模拟分析，可以解决以下问题通过浇口位置分析，可以确定浇口的位置和数目预测可能存在的气穴位置，以确定排气槽的开设位置预测熔接线的位置，并通过比较确定更为合理的工艺参数，使熔接线处在理想的位置优化成型工艺参数。2.3注塑成型流动模拟技术研究现状流动模拟的目的是预测塑料熔体流经流道、浇口并充填型腔的过程，计算流道、浇口及型腔内的压力场、温度场、速度场、剪切应变速率及剪切应力分布，并将结果以图形等值线图和阴影图的形式显示在计算机屏幕上。通过流动模拟可优化浇口布置及注塑工艺参数料温、模温、注塑时间等，预测所需的注射压力及锁模力并可能出现的短射、不合理的熔接线位置、气穴等缺陷。流动模拟的

19、发展历程是：1960年，Toor.Ballman和Cooper等人最先用数值方法计算了熔体的充模过程。随后，许多学者对一维流动进行了大量的研究，主要是计算塑料熔体在等直径圆管，中心浇口圆盘、半圆盘及端部浇口的矩形型腔的充填过程。1975年，Toor、Ballman和Cooper等人对一维流动问题做了详尽的研究，并用有限差分法获得熔体的压力、温度分布及所需的注射压力。对二维流动分析的研究始于20世纪70年代中期。二维流动分析除数值方法本身的难度外，另一个难点是对移动边界的处理，即如何确定新时刻的熔体流动前沿位置。1975年，Broyer等人用Flow analysis network (FAN)

20、法对二维等温流动进行了计算，并对保压、固化、分子取向等问题进行了探索。1980年，Hieber和Shen提出了至今仍被大多数学者沿用的数学模型和求解方法，他们用有限元有限差分混合法求解二维非牛顿流体的非等温流动。1984年，用边界元法求解了二维非牛顿流体的非等温充填过程。1986年，日本的两位学者Takahashi和Matsuoka基于FAN法，考虑熔体温度的变化，实现了三维制件的非等温流动分析。1989年，Wang和Lee两位学者用mesh expansion scheme(MES)方法确定了流动前沿位置，并对其算法的稳定性进行了讨论。在开发注射成型模拟软件的过程中，经历了三个技术发展阶段。

21、（1）基于中性层模型的模拟，首先将薄壁塑料制品抽象成近似的平面和曲面，这些面被称为中性层，在这些面上划分二维平面网格，采用有限元计算温度场、压力场，同时在中性层两侧用有限差分计算厚度方向上的温度，用控制体积法追踪流动前沿，并将结果在中性层上显示出来。其最大缺点是构造中性层十分困难，而且不能从其他软件转换，因此，在相当长的时期内，阻碍了软件的发展和推广使用。（2）基于表面模型的模拟，这是在20世纪90年代发展起来的新技术，在制品的表面（制品的表面即构成了模具的型芯、型腔）划分网格并进行有限元计算，厚度方向上的有限差分仅在表面的内侧从模壁至中性层进行。该技术的关键是网格的配对算法，由于网格不能百分

22、之百的配对，因而分析结果不如中性层的准确，但最大优点是模型准备时间大大缩短，而且可以从其他CAD软件导入，该技术的使用，使得注射成型模拟软件得到了迅速的推广使用。（3）基于实体模型的模拟,以上两种方法都忽略了厚度方向的速度分量，因而结果不十分准确。最终的解决方法是采用三维网格，考虑厚度方向的速度分量，但这样一来，网格划分技术要求更高，控制方程变得更加复杂，计算量大，时间长。虽然有三维流动、冷却、翘曲分析模块，但网格划分困难，计算时间长，因此，真正实用化，还有一段时间。流动过程的三维模拟主要采用，Branching flow methods(BFM)法和有限元有限差分混合法。BFM是进行流动平衡

23、分析的有效手段。用BFM法开发的软件有澳大利亚Moldflow公司的MF/Flow，美国和意大利P&C公司的MFC-FA，美国GRAFTEK公司的SIMUFLOW等。利用有限元/有限差分混合法求解的软件有日本丰田中央研究中心的IMAP-FF，澳大利亚Moldflow公司的FEM版的MF/Flow，美国AC Tech公司的C-flow，郑州大学橡塑模具国家工程研究中心的Z-Flow等。3.实例分析3.1建模及前处理如图一塑件，其整体尺寸约为2245035mm, 形状较复杂，有较高的柱状突起，现采用moldflow软件对其成型性能进行分析。图3-1 3D模型先将其3D模型转化为stl格式文件，然后

24、导入moldflow，采用fusion网格进行划分，如下图3-2所示： 图3-2 划分网格后的模型对划分后的网格进行处理，包括自由边的处理，纵横比的修复，处理相交和重叠的单元，调整单元取向使其一致，网格处理完后，网格匹配率达到89.8%。（一般网格匹配率需要85%以上分析较为准确）3.2 浇口位置的分析先采用moldflow进行最佳浇口位置的分析，经计算，如下图所示：深蓝色区域为较理想的浇口选择区域图3-3 最佳浇口位置分析分析上述结果，由于考虑到脱模方向为沿柱状方向，而且本产品采用一模两件，综合考虑各个方面，最后浇口位置定为如图3-4所示：采用侧浇口进胶。 图3-4 进浇口位置的确定3.3 浇注系统及冷却系统的建立 采用软件中的型腔复制，建立两个对称模型，利用modling 中的runner sy