注塑过程的数值模拟.pdf

模 具 技 术 2 0 0 5 . N o . 37 塑料的注塑过程是一个非常复杂的过程非 牛顿的高温塑料熔体在注塑压力的作用下通过浇 注系统流向低温的模具型腔熔体由于模具传热 而快速冷却同时因剪切力的作用产生热量另 外还伴随着体积收缩分子取向和结晶等过程 在以往的注塑模具设计中设计人员主要凭工作 经验和试模的方法来对注塑过程的工艺参数进行 分析和选择数值模拟技术极大地改善了这一状 况它可以使设计人员对注塑过程进行模拟分 析并对工艺参数进行优化I . P a n d e l i 和Q . Z h o u 较早运用该项技术对塑料的注塑过程进行研究 1 国内学者 2 5 也运用数值模拟技术对注塑过程进 行了大量的研究 文章编号1 0 0 1 - 4 9 3 4 ( 2 0 0 5 ) 0 3 - 0 0 0 7 - 0 4 注塑过程的数值模拟 李鹏阳杨明顺朱江新袁启龙李言 西安理工大学机械工程与精密仪器学院陕西西安7 1 0 0 4 8 摘要针对塑料熔体的特性建立数学模型并根据实际情况对有限元模型进行简化采 用大型有限元分析软件A N S Y S 对注塑模的瞬态注塑过程进行数值模拟得到塑料熔体在型 腔中的速度分布和压力分布通过不同工艺参数条件下的结果进行对照分析可以对工艺参 数做出合理的选择实验表明该数值模拟法确实能对塑料注射过程的参数进行优化为设 计塑料注射过程工艺参数提供了一种行之有效的途径 关键词塑料注射工艺有限元工艺参数 中图分类号O 2 4 2 . 2 1文献标识码A A b s t r a c t : T h e m a t h e m a t i c m o d e l i s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f p l a s t i c m e l t T h e F E M m o d e l i s s i m p l i f i e d a c c o r d i n g t o a c t u a l s i t u a t i o n T h e t r a n s i e n t i n j e c t i o n m o l d i n g p r o c e s s i s s i m u l a t e d n u m e r i c a l l y b y l a r g e - s c a l e F E M s o f t w a r e A N S Y S T h e v e l o c i t y d i s t r i b u - t i o n a n d p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n o f p l a s t i c m e l t i n m o l d a r e o b t a i n e d B y t h e c o n t r a s t t o t h e r e s u l t s a t d i f f e r e n t p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s t h e p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s c a n b e s e l e c t e d p r o p e r l y T h e e x p e r i m e n t p r o v e s t h a t t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n m e t h o d c a n o p t i m i z e t h e p a r a m e t e r s o f i n j e c t i o n m o l d i n g I t s a n e f f e c t i v e m e t h o d f o r t h e d e s i g n o f p l a s t i c i n j e c t i o n m o l d i n g K e y w o r d s : p l a s t i c i n j e c t i o n p r o c e s s F E M p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s 收稿日期2 0 0 5 - 0 1 - 1 2 作者简介李鹏阳1 9 7 2男讲师 1注塑过程分析的数学模型 粘性流体力学的 3个基本方程的矢量形式 如下 3 1 连续方程1 2 运动方程 2 3 能量方程 3 8D i e a n d M o u l d T e c h n o l o g y N o . 3 2 0 0 5 式中流体密度 t时间 v流动速度矢量 Fm单位质量流体所受外力矢量 p流体压力 Fv i s c单位质量流体所受粘性力矢量 e流体的比内能 能量耗散系数 Q外界传给单位体积流体的热量 由于注塑件一般为薄壁件因此型腔可以假 设为相距很近的两块平行平板塑料熔体在其中 的流动可以视为广义H e l e - S h a w 流动 6 基于充 填过程的特点对二维粘性流体力学基本方程进 行简化从而得到熔体在型腔中流动过程的控制 方程 4 5 6 式中x y平面坐标 z厚度方向坐标 u vx y 方向的速度分量 粘度 cp比定压热容 热导率 T温度 利用粘附边界条件和对称边界条件基于连 续性方程和动量方程可推导出充填过程压力场 控制方程 7 2注塑过程的有限元分析 注塑过程的有限元分析是将问题的求解区域 划分为一系列小的单元各个单元之间仅靠节点 连接单元内部点的待求量可由单元节点量通过 选定的函数关系插值求得运用 A N S Y S对塑料 熔体充填过程进行模拟分析主要包括以下几个步 骤 1 几何模型的建立对于复杂的实体 A N S Y S可以通过 I G E S P R O / E A C I S 等格式从 A u t o C A D P r o / E U G S o l i d E d g e 等绘图软件导 入 2 网格划分采用映射网格划分法增加 固定壁面处网格密度有利于求得精确解 3 确定边界条件并施加载荷固定壁面处 各向速度压力为 0 入口处施加速度压力载 荷在固定壁面和入口处施加不同的温度约束 4 运算求解选择求解器设置松弛系 数选择要求解的控制方程 5 后处理显示并查看结果 3应用举例 图 1所示带有注塑余料的尺寸为1 0 m m 1 0 0 m m3 . 2 m m标准样件的实体模型现用 A N S Y S的 F L O T R A N模块对塑料熔体的充填过 程进行数值模拟表 1列出了两组注塑工艺参 图 1 实体模型 参数 组别 工艺参数1 工艺参数2 注射时间 s 3 3 注射压力 M P a 1 1 0 5 5 入口处注射速度 m / s V x2 V y0 V x2 V y0 表 1 注塑过程的工艺参数 模 具 技 术 2 0 0 5 . N o . 39 数其中 VxVy分别表示 x和 y方向的速度 分别采用这两组工艺参数为载荷对塑料熔体的注 塑过程进行数值模拟最后对获得的速度分布曲 线进行分析以判断哪一组工艺参数更为合理 3 . 1有限元模型及其边界条件的施加 采用1 / 4 模型的二维轴对称平面模型选用 F L U I D 1 4 1 单元划分网格后的模型如图2 所示 共有9 6 0 个单元9 4 4 个节点在注塑成形过程 中充填时间与给定型腔厚度下的冷却时间相比 非常短因而热力学性能为常值的假定对于型腔 充填过程分析是合适的 7 材料选用 A B S 表 2 给出了其物性参数 为了便于描述和分析在图2 中规定3 条路 径 A B B C C D 其中路径 A B代表对称轴 线B C代表模具的型腔底面C D代表模具的 型腔侧面A 端为塑料熔体的入口模具壁面温 度 3 2 3 K 入口处塑料熔体温度 4 9 3 K 固定壁面 处各向速度压力为 0 对称边界处Vy= 0 密度 k g / m 3 8 9 6 粘度 c m 2 / s 1 0 9 导热系数 W /m . K 0 . 1 3 比定压热容 J /k g . K 1 9 0 0 表 2 塑料熔体的物性参数 3 . 2数值模拟和结果分析 图3 图4 分别显示了塑料熔体在工艺参数 条件1 2 下的速度和压力分布曲线比较图3 图4 可知减小入口注塑压力塑料熔体的注塑 速率也跟着减小并且图3 的速度分布曲线比图 4 的速度分布曲线更加平稳这说明工艺参数 1 比工艺参数 2 更为合理 由图3 图4 可以看出塑料熔体在入口处 的一小段距离内速度急剧增长然后在大部分距 离内趋于平稳下降快到达底面时速度又急剧减 图 2 有限元模型 小说明有阻力存在这种阻力是由回流的塑料 熔体产生的 现在分别对各路径的速度和压力进行分析 图 5 图 6分别显示了路径 B C上的塑料熔体在 工艺参数1 条件下的速度和压力分布状况图7 图 8 分别显示了路径 C D 上的塑料熔体在工艺参 数 1 条件下的速度和压力分布状况 对图5 6 7 8 进行观察比较并考虑到 路径 B C 的对称性可得到如下结论塑料熔体 在型腔底面和侧面的速度压力呈对称的抛物线 分布也就是说熔体要先到达壁面再填充角 图 3 路径 A B 上的速度分布( 工艺条件 1 ) 图 4 路径 A B 上的速度分布( 工艺条件 2 ) 图 5路径 B C上的速度分布 10D i e a n d M o u l d T e c h n o l o g y N o . 3 2 0 0 5 痕这是在塑件表面质量方面要考虑的问题 5结论 1 具有对称型腔结构的注塑模其注塑过 程可以简化为二维对称结构来进行有限元分析 2 采用 A N S Y S有限元程序对塑料熔体的 充填过程进行了数值模拟并得到不同工艺参数 条件下的速度压力分布曲线对其进行对比可 以优化工艺参数 参考文献 1 P a n d e l i d i s IZ h o u QO p t i m i z a t i o n o f I n j e c t i o n M o l d - i n g D e s i g nP a r t I G a t e L o c a t i o n O p t i m i z a t i o n J P o l y - m e r E n g i n e e r i n g a n d S c i e n c e1 9 9 03 01 5 8 7 3 8 8 2 2 申长雨 橡塑模具优化设计技术 M 北京 化学工业 出版社 1 9 9 7 3 刘春太 董斌斌等 基于充填分析的注塑模浇口位置 优化设计研究 J 工程塑料应用 2 0 0 23 03 4 9 5 1 4 余晓容 申长雨等 基于灵敏度分析的挤出平缝口模 优化设计 J 工程塑料应用 2 0 0 23 09 4 5 4 8 5 项辉宇 流动模拟技术在洗衣机面板模具设计中的应 用 J 模具工业 2 0 0 2 1 1 7 1 0 6 生井武文 井上雅弘 粘性流体力学 M 北京 海洋出 版社 1