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注塑模流道系统集成设计技术研究.pdf

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注塑模流道系统集成设计技术研究.pdf

第12卷第1期2000年1月计算机辅助设计与图形学学报JOURNALOFCOMPUTERAIDEDDESIGNANDCOMPUTERGRAPHICSVol.12,No.1Jan.,2000注塑模流道系统集成设计技术研究周振勇顾正朝石教英浙江大学CADCG国家重点实验室杭州310027摘要通过总结注塑模流道系统的设计知识,结合基于特征的设计、专家系统技术和CAE分析工具,对流道系统进行完整、全面的设计.利用专家系统进行流道和浇口的初始设计,采用CAE工具C2MOLD和评价目标函数,进行流道和浇口的优化设计,并总结流道和浇口的形状特征,最终建立流道系统的特征和实体模型.这一方法已较好地应用于构造新一代注塑模设计制造系统中.关键词流道系统,知识,CAE,优化,特征中图法分类号TQ330ResearchonIntegratedDesignTechniquesforInjectionMoldRunnerSystemZHOUZhen2YongGUZheng2ChaoSHIJiao2YingStateKeyLaboratoryofCADCG,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027AbstractAcompletedesignstrategyforinjectionmoldrunnersystemisproposedinthispa2per.Therunnersystemdesignknowledgeiscomprehensivelycollected,theexpertsystemisusedfortheinitialdesignoftherunnerandthegates.TheC2MOLDandanevaluatedobjectfunctionareusedinoptimaldesignofrunnersystemandtheformfeaturedatabaseofrunnerandgateisusedtoconstructrunnersystemfeaturemodel.Themethodhasbeenusedinanewgenerationofinjectionmolddesignandmanufacturingsystem.Keywordsrunnersystem,knowledge,CAE,optimization,feature原稿收到日期1998208231修改稿收到日期1998210212.本课题得到国家自然科学基金59605014资助.周振勇,男,1972年生,博士研究生,主要研究方向为注塑模智能CAD及信号的智能检测与诊断.顾正朝,男,1966年生,博士后,副研究员,主要研究方向为产品建模、特征造型和模具CADCAMCAE.石教英,男,1937年生,教授,博士生导师,主要研究方向为计算机图形学、虚拟现实和多媒体计算等.1引言流道系统是注塑模功能零件设计十分关键的环节.注塑过程中,塑料熔体经过流道系统即喷嘴、流道和浇口进入模具型腔\1\.流道系统设计的好坏,对注塑件的质量和生产效益都有非常重要的影响.流道系统设计的传统方法是采用试探法,观察是否产生短射或其它缺陷来确定流道设计的好坏,这种方法效率低,成本高.自从CAE分析工具出现后,采用流动模拟程序和优化设计方法来确定流道系统的各有关尺寸受到重视.这一方法首先需要设计者交互构造好流道系统,确定各截面尺寸、浇口尺寸及位置和类型,然后利用CAE分析工具进行平衡流道系统分析,预测熔接线的位置,确定塑件的收缩与翘曲和残余应力大小等结果.再由用户根据自己的模具设计经验,评估初始流道系统设计的好坏.若不理想,修改流道系统的部分设计参数,再用CAE分析工具进行评估.这样迭代直到达到满意结果为止\2\.可以看出,这一过程对模具设计者经验的要求较高,且较为繁琐.基于知识的系统提供了解决这一问题的方法,它可对分析结果进行评估.不仅如此,基于知识的专家系统通过对模具设计专家知识的处理,可以极大地帮助设计者正确、有效地设计模具.这方面已有一些研究成果.如采用优化设计方法进行浇口设计\3,4\采用知识库和特征技术相结合进行流道系统设计\5,6\.本文提出全面考虑流道系统设计的每个过程的特点,克服单一设计方法的不足,采用基于特征和CAE及人工智能技术进行流道系统集成设计.基于特征设计可提供完备的产品信息模型和丰富的设计信息.浇口形式和流道形状与布置都有一定规则,可以通过定义各种浇口形状特征及流道形状特征的方式提供给设计者进行浇口及流道的设计.使用特征进行浇口及流道系统的设计,可以同CAE分析很好地结合起来,支持浇口及流道系统的设计优化工作.利用专家系统可实现浇口类型选择、流道截面和浇口尺寸确定、浇口数目选择等工作,给设计人员以全面帮助.2流道系统集成设计的总体思想流道系统的设计包含浇口和流道初始设计、优化设计和详细设计几个部分.在浇口和流道初始设计阶段,确定型腔布置、选择浇口类型、确定浇口位置及其初始尺寸、确定流道截面形状及其初始尺寸等优化设计包括流道平衡计算、浇口位置与数目的优化迭代详细设计是建立流道系统的特征模型.系统结构如图1所示.3设计知识的表达及浇口与流道的初始设计3.1设计知识的表达流道系统设计知识包含塑料性能知识、浇口类型选择知识、浇口位置选择知识、型腔配置知识、流道截面形状知识、浇口及流道尺寸计算知识等内容.设计知识都是以前向推理的产生式规则表达,以面向对象的框架结构描述每个设计知识的内容.框架结构可表达类的继承.每个产生式规则被激活后得到相应的选择和计算结果.对每个具体的设计问题,选择激活相应的产生式规则,直到获得所有设计过程所需要的知识.下面以根据塑件几何特征确定浇口位置的知识为例来说明设计知识的表达.浇口位置一般设立在墙壁wall特征的中心、角点和组成边的中点等处,而对孔、凸台boss、加强筋等特征,一般不允许将浇口设置在这些特征的组成几何上.总结这一特点,可形成浇口位置与塑件几何特征对应的设计知识,如规则1.IF所造的塑件特征\墙特征THEN浇口位置\墙面的中心或墙的角点或墙边的中点规则2.IF所造的塑件特征\凸台THEN浇口位置≠凸台组成面上的点3.2浇口与流道的初始设计浇口与流道的初始设计是根据浇口与流道设计知识,获得初步的型腔布置、流道截面形状、浇口类型、位置及数目的设计结果.1型腔布置型腔排列方式影响浇口及流道的设计.型腔排列的方式有很多种,一般可分为直线型、H型和圆周型及变异型.对型腔排列的选择规则分为塑件是否精密成型、塑件的类型、流道长度、加工难度、型腔数目、流动的平衡性等几类.根据不同的类型,确定型腔排列的方式.型腔排列方式的确定,实际上就确定了分流道的布置.2分流道截面形状的确定71期周振勇等注塑模流道系统集成设计技术研究分流道的设计要求是散热少、压力损失小、流道中所容纳的塑料量尽可能少.常见的分流道截面形状有圆形、正六边形、U形和正方形等.分流道截面形状的选择知识按照加工难度、顶出难度和热量损失进行分类组合.3浇口位置、类型和数目的确定a浇口位置的确定浇口位置对成型塑件的质量和模具合理的工作状态都起着极为重要的作用.浇口位置合理与否直接影响模具的排气、熔接线位置、过充填或充填不足及残余应力大小等.系统首先根据塑件的特征模型,对其形状特征图中各组成特征进行逐一分析.根据每个组成特征的类型是基元特征,还是辅助特征等,由塑件几何形状确定浇口位置的知识,进行排斥选择.将孔、凸台、加强筋等这些不宜设置浇口位置的辅助特征先从塑件组成特征图中去除,只留下基元特征,如板和墙壁等,作为浇口位置可选对象然后针对选择的浇口类型,对剩下的组成特征进行进一步筛选.如对于点浇口,只有那些平行于分型面的墙特征或板特征才作为浇口位置可选对象.经过上面两次筛选后,再根据塑件外观要求等限制因素确定浇口位置的知识,将设计者认为不能设置浇口的限制边、限制点和限制特征,以及考虑对称性的墙特征等从可选的对象中除去.这时对剩下的塑件组成特征,根据选择的浇口类型,计算可选的浇口位置.上述计算获得的浇口位置可能不止一个,究竟哪一个最优,则需要采用CAE分析工具和优化算法进行比较确定.采用基于特征的塑件产品模型,可以把塑件看作一个整体,从而产生浇口可能位置,显得非常直观有效.b浇口类型确定常见的浇口类型有10种.这些浇口类型可根据它们的位置分成3类,组成层次结构,如图2所示.浇口类型的选择结合塑件类型、对塑件外观的要求、去浇口要求、型腔数目、塑料性能、容许压力损失和型腔深度这几个方面来进行.c浇口数目的确定浇口数目主要取决于对给定的浇口位置塑件中最大流动长度的大小.经验表明,浇口数目越少越好.一般开始时取一个浇口,但当型腔的厚度较薄,流程过长时,不但塑件的内应力增加,熔接痕处的强度下降,塑料在流动过程中,还会因温度降低而不能充满型腔.一般假定从浇口到塑件有限元模型中某单元E的流程同壁厚之比大于23许用流动比时,就会充不满型腔或熔接痕处强度太低.即LfEtEE23\Lt\.式中LfE为从浇口到单元E的流动长度,tE为单元E处的塑件壁厚,\Lt为许用流动比.因此当给定浇口位置后,计算塑件离浇口最远处的距离,若满足上式,则需增加浇口.4浇口及流道的优化设计在浇口及流道初始设计过程中,产生的浇口设计方案及流道布置和分流道截面形状等信息,还需要经过优化及迭代设计,才能获得最优或局部最优的设计结果.系统将其分为浇口优化设计和平衡流道设计计算两部分,采用CAE分析软件C2MOLD与优化设计策略相结合的方式,实现浇口及流道的优化设计.4.1浇口优化设计浇口优化设计分为两步.第1步是建立浇口设计评价函数,对每个浇口初始设计结果进行评估,综合比较,得到最佳塑件设计质量的浇口设计结果第2步是对第1步获得的浇口位置采用数值分析计算的方法,对塑件有限元模型中相邻节点位置作为浇口位置时获得的设计结果进行评估,以获得局部最优的设计结果.为了判断浇口设计的质量,首先建立评价目标函数fg∑i1wiXi.其中wi表示评价目标函数Xi的权系数,Xi为评价参数.系统从注塑模设计分析角度出发,选择最能反映浇口设计对注射成型工艺过程的影响和对成型塑件质量影响的因素.通过分析,取模具温度变化、过充模的单元百分数、摩擦过热单元的百分数和超过许用流动比的单元百分数等4个参数,作为反映浇口位置对塑件质量影响的重要因素.1模具温度变化TdTmaxTmin.8计算机辅助设计与图形学学报2000年Tmax,Tmin是流动模拟结果中得出的塑件各有限元节点温度的最大和最小值.一般地,由经验规则,模具温度变化值应小于或等于20℃,即TdF20℃.2过充模.所谓过充模是指在充模阶段,由于剪切和摩擦,型腔各部分压力损失不同,从而使得型腔内压力分布不同,造成密度不均.在采用有限元分析时,某单元称为过充填单元,是指该单元的3个节点压力非常高,且压力梯度接近于零,即满足下式Pn1≈Pn2≈Pn3,Pn1Pn2Pn33EPmax2Pn1,Pn2,Pn3分别为单元3个节点的压力,Pmax为充填结束时的最大压力.3摩擦过热.熔体注入型腔时,由于剪切产生摩擦热,高的剪切速率不仅会引起塑件的翘曲,还能导致材料的降解,使塑件表面质量下降.因此要尽量降低剪切速率和剪切应力.由于经验设计中没有对塑料剪切速率和剪切应力的最大允许值作规定,故不能直接以剪切应力等作为评价参数,而采用摩擦热为评价参数,因为摩擦热正比于剪切应力和剪切速率摩擦热剪切应力有效面积剪切速率有效时间\.在过热单元区,其剪切应力和速率要大于普通单元,即FHnßIß,I{nt′fill.nT′melt.n0},ßIß表示在集合I中的单元数目,t′fill.n是在单元n处充填时间单位梯度矢量,T′melt.n为单元n处温度单位梯度矢量.每个单元有3个相关节点,每个节点拥有充填时间和充填结束时的温度.4流动比.最大流动距离LfCfD.其中Cf是料流经过的最多节点数,D是节点间的平均距离,D1m∑mi1x2iy2iz2i.m是与浇口相连的节点数.由此可计算出任意节点E的LfE.评价目标函数fg∑i1wiXi结合到定量评价参数后,变为f1gw1Tdw2N1w3N2w4N3.其中,N1NpeN,Npe为过充模总的单元数,N为塑件总的单元数N2NfeN,Nfe为产生摩擦过热的总的单元数N3NfleNn,Nfle为超过许用流动比的总的节点数,Nn为塑件总的节点数.权值系数wi在0.0~1.0之间取值,4个权值系数之和为1.系统可半自动给其赋值,或由用户设置.这样就可进行浇口位置优化设计,这一过程如下Step1.将初始设计方案的结果读入,组成一组初始数据{Gtype.i,Glocation.i,Gnumber.i},i1,,n.Step2.构造塑件中截面模型及其每个组成面的厚度,并进行必要的简化.Step3.以IGES文件格式把塑件中截面模型传送到C2MOLD,并进行有限元网格划分.Step4.对第一个浇口设计方案,传送到C2MOLD,产生浇口类型单元,设置浇口位置,进行C2MOLD流动模拟分析.Step5.流动模拟的结果以文件传送到评价目标函数分析计算程序.根据模拟结果计算评价目标函数值,结果记录在一数组RESULT中.Step6.若iFn,转到Step2,否则转Step7.Step7.从数组RESULT记录中进行数值比较,最小值对应的那个设计方案为最优设计方案.Step8.结束.4.2浇口位置的局部优化对于前面获得的浇口设计最优方案,这时浇口位置一般都设置在塑件表面中心、角点或边的中点处,由于塑件形状复杂时,这些中心点或角点并不一定是局部最优的结果,而只是所有初始设计方案中最优的.因此利用评价目标函数,对浇口位置相邻节点进行评价分析,若相邻节点的评价目标函数值要比初始浇口位置的目标函数值要低,则浇口位置移至该节点.这一过程持续到对评价目标函数不再有改进为止.这一方法的步骤如下Step1.GoptGs,FopsFs这里Gs,Fs为上面获得的浇口位置和其评价目标函数值.Step2.对所有与Gs相邻节点G1,G2,,Gn,计算其评价目标函数值F1,F2,,Fn.假设Fm1FmFn为其中最小值.Step3.当FmFs时,让GsGm,重复上述过程否则中止计算.Step4.优化的浇口位置为Gs,优化值为Fs.4.3平衡流道计算流道及浇口尺寸的确定虽然可以根据流道及浇口尺寸确定知识获得,但这些知识是从经验总结而来,针对具体的设计情况,有时这些尺寸不一定合理并满足平衡流道设计要求,因此需要进行分析计算.这方面已有成熟的算法\7\,这里不再讨论.5浇口及流道特征模型创建系统提供浇口及流道设计的特征,用户从中拾取所需特征,根据前面设计获得的流道布置和分流道截面形状、浇口类型及尺寸,系统自动创建出浇口及流道的实体模型.在分析流道设计各种变化的基础上,系统抽取出了最能反映流道设计要求的基本特征.通过调用91期周振勇等注塑模流道系统集成设计技术研究

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