基于cae的虚拟注射成型系统的研究和开发

模具工业2004. No. 2总276 3 模具CAD/ CAM 作者简介:黄建科(1980 - ) ,男,江西临川人,硕士研究生,从事 塑料模CAD/ CAM/ CAPP/ PDM的研究,地址:武汉市珞瑜路1037 号,华中科技大学模具国家重点实验室。电话:(027) 87543492 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50205011) ,国家 “十五” 科技攻关重点项目资助 收稿日期:2003 - 10 - 13 1引言 虚拟制造技术是在CAD/ CAM/ CAE技术基础上 发展起来的,是CAD/ CAM/ CAE技术发展的更高阶 段 1 。虚拟注射成型技术作为虚拟制造技术的一个 具体应用方向,也引起了广泛的研究兴趣。目前已 有的注射成型模拟系统大多是利用数值分析的方 法来预测成型情况,显示熔体流动、 保压、 冷却等分 析结果,为进一步实现注射成型虚拟制造,有必要 在此基础上结合模具和注塑机运动仿真,实现成型 全过程的动态模拟。 此外随着塑料注射成型技术在 制造业的广泛应用,相关领域技术人员的大规模培 训成为迫切需要解决的问题,因此开发和应用面向 教学的虚拟成型系统,既可迅速提高操作者的素 质,又安全可靠且费用低廉。 现将虚拟技术与已有的注射成型模拟技术相 结合,利用自行开发的三维真实感模拟软件所提供 的相关数据信息,对成型过程中的模具与注塑机运 动、 塑料传输过程及相关的压力、 温度等物理量进行 模拟仿真,实现了注射成型过程的可视化。 2虚拟注射成型系统结构设计 模具在注塑机上安装调试成功后开始注射,注 射成型过程包括合模、 注射、 开模和制品顶出几个主 要阶段。在注射环节,塑料在注塑机料筒内经过加 热、 塑化达到流动状态后,在螺杆的推动下经喷嘴由 模具的浇注系统进入模具型腔,其过程又可以分为 充模、 压实、 保压和冷却4个阶段。作为虚拟注射成 型系统的总体设计,首先必须对应于注射成型实际 过程中的几个步骤定义相应的功能模块,明确系统 各个模块间的相互关系。在系统的操作过程中,用 户首先应该从已经建立好的国标模架型号中提取合 适的装配模型,系统提供了友好的人机界面来完成 标准模架和注塑机的选择和显示。在完成推杆和斜 抽芯杆设计后,用户通过设置运动组件运动参数来 定义运动的方式,从而实现制品、 模具、 注塑机等相 关几何实体的协同动作过程,通过调整运动参数可 以预防可能发生的各种干涉现象的出现,并可以直 观地观察到注射过程中各个运动部件之间相互的运 动位置。同时在运动过程当中,系统将数值分析所 基于CAE的虚拟注射成型系统的研究和开发 黄建科,周华民,李德群 (华中科技大学,湖北武汉430074) 摘要:研究了虚拟制造技术在注射成型过程中的应用,通过建立模架装配模型和模架的运动描述,开发 出了基于CAE的虚拟注射成型原型系统,并将其与注射成型CAE系统HsCAE 3D集成,取得了良好的 效果。 关键词:虚拟制造;注射成型CAE;虚拟注射成型 中图分类号:TQ320. 662文献标识码:A文章编号:1001 - 2168(2004) 02 - 0003 - 04 The R injection CAE; virtual injection 模具工业2004. No. 2总276 4 产生的大量数据信息,如温度场、 压力场、 剪切力场 等场值通过可视化的界面动态显示给用户。 系统结 构流程框图如图1所示。 3虚拟注射成型系统关键技术 3. 1CAE技术 传统的塑料注射成型充填模拟软件都是采用 基于中性层模型(Middle - Plane)的有限元/有限差 分方法 2 。 所谓中性层 ,就是假想的位于模具型腔和 型芯中间的层面,其模拟过程如图2所示。但基于 这种型腔模型的CAE软件在应用中具有很大的局 限性,主要表现在: (1) CAE软件的使用人员必须理解中性层的概 念,用户直接由产品模型构造中性层较困难。 (2)独立开发的CAE系统造型功能往往很差, 依据型腔的CAD模型自动生成中性层模型又十分 困难,这就极大地妨碍了CAE软件的推广和普及。 (3)由于CAD、CAE软件的模型不统一,二次建 模不可避免,设计效率因此大打折扣, CAD、CAE的 集成也不可能实现。 考虑到上述不足,现引入型腔的表面模型取代 中性层模型,这一创新使得由现行的模具设计CAD 系统产生的型腔模型可以直接应用于CAE软件,突 破了原有软件的建模瓶颈,其模拟过程如图3所 示,详细的模型系统实现见文献3 ,4。 图2基于中性层模型的模拟过程 a 三维实体b 中性层模型 c 中性层模型网格划分d 模拟结果 图3基于实体模型的模拟过程 a 三维实体b 网格划分c 模拟结果 3. 2运动仿真技术 运动仿真的基本思想是给定各零部件的运动, 观察这些零件在运动中的情况,根据不同的情况处 理运行结果。模拟运动的目标是:经过模拟运动后, 设计者可以很直观地看出模具能否正常开模,运动 过程中是否产生干涉,如果产生干涉,干涉的原因以 及干涉的零件是什么等。实现运动仿真的过程可通 过以下步骤来确定: (1)提取装配模型。 本系统中已经建立了部分国 标模架,设计者可根据零件的大小、 型腔的数目、 注 塑机的行程等设计要求选用不同类型、 不同系列、 不 同国标型号的模架。 (2)运动分组。 设置运动分组的基本思想是装配 模型的装配树中包含零件和子装配体,其中基本零 件的数目大约30个以上,不可能对每一个零件分别 设置其运动路程和运动时间,但有必要对装配树中 的所有零件进行归类,把在整个模拟运动过程中有 相同运动的零件设置成同一运动组,如定模运动组、 动模运动组、 推件机构运动组、 斜滑块运动组等,以 组为单位设置运动参数。在运动模拟中,同一运动 组的所有零件具有相同的运动。 (3)设置运动参数。 设置运动参数的基本思想是 进行运动分解,即首先假定各运动组的运动是匀速 运动,然后将所有运动组的路程分成相同数目的若 干段,这种分割必需满足一个条件,即各运动组在相 同序号路程分段里的运动方向不变,运动也不停 止。如果存在运动方向改变和运动停止的情况,就 需要对路程进行进一步分解和细化,在此基础上选 取一个位置作为运动组的运动参考,在每个时间步 增量中,计算各个运动组相对该位置的运动位移。 模具工业2004. No. 2总276 5 3. 3三维显示技术 国外目前已有的注射模运动仿真软件是:以色 列在Auto CAD上开发的M oldCreate软件,其能够进 行模具部分零部件的运动仿真; UG软件,可通过屏 幕抓图方法生成图片,然后再用动画软件播放进行 模拟。 这些软件运动仿真的核心技术是计算机动画 显示技术的实现,动画的对象是机械零件和装配 体。实践证明,为虚拟系统独立开发三维图形的显 示、 变换、 交互操作图形接口得不偿失 5 。当前在实 现动画显示过程中采用的是OpenG L图形工具包, OpenG L作为一种与硬件、 窗口系统和操作系统相独 立的图形开发工具,提供了一种直观的编程环境, 它提供的一系列功能强大的函数大大简化了三维 图形程序,并且可以方便地被集成到UNIX、Win2 dow95/ NT/ 2000/ XP等窗口系统中 6 。 在虚拟注射成 型原型系统实现过程中,本系统利用OpenG L技术 实现了实体建模、图形变换和实体选择等基本功 能,并充分利用了OpenG L提供的其它高级功能。 因 模具在开、 合模运动过程中涉及到的运动部件有十 几个,为了保证三维图形显示的连贯性,还利用了 OpenG L中的显示列表技术来增加动画的显示效 率。在推杆的设计过程中,为了有利于用户在多个 不同角度观察零件,使用了半透明的显示效果来方 便用户设计。此外,为了形象地显示注塑机的外观 形状,还使用了纹理和插图的方法来增加注塑机显 示的真实感。 4应用实例 实例选取制品为BP机外壳,在虚拟注射成型 系统中模拟其充填、保压、冷却等成型过程和模架 及注塑机的开、合模动作过程。图4为提取装配模 型的用户操作界面,图5为制品的填充过程,图6为 模具开模及制品顶出过程。 5结束语 本文研究的内容作为注射成型CAE系统的有 机组成部分,成功实现了对注射成型全过程的模拟 仿真,实现了注射成型过程的可视化。该虚拟注射 成型系统已在HsCAE 3D系统上实现,具有较大的 实用价值。 参考文献: 1李珊,李治邦.虚拟制造技术J .计算机应用研 图4提取装配模型的用户操作界面 图5制品的填充过程 图6模具开模过程及制品顶出过程 究,2001 ,(3) . 2周华民.塑料注射成型三维真实感流动保压过程模 拟及实验研究C.武汉:华中科技大学博士论文, 2002. 3李德群.现代模具设计方法M.北京:机械工业出 版社,2001. 4Unigraphics Training Center. Unigraphics CASTM. Unigraphics Solution Inc ,2003. 模具工业2004. No. 2总276 6 Pro/ E二次开发锻模CAD的图形处理技术 袁济斌,王朝明 (西安交通大学,陕西西安710049) 摘要:介绍了使用Pro/ T oolkit在Pro/ E上进行二次开发的技术,实现了锻模CAD系统中锻件图自动生 成、 飞边槽自动设计以及锻模型腔自动生成等方面的图形处理,并给出了具体实现方案和示例,为三维 型腔模具的CAD开发提供了一个较好的方法。 关键词:Pro/ E;二次开发;图形处理;CAD;锻模 中图分类号:TP391. 72文献标识码:B文章编号:1001 - 2168(2004) 02 - 0006 - 04 The Graphic Processing Techniques in Pro/ E Secondary Development for the CAD of Forging Dies YUAN Ji-bin , WANG Chao-ming (Xi an Jiaotong University , Xi an , Shaanxi 710049, China) Abstract:The technology of Pro/ E secondary development with Pro/ Toolkit is introduced.The graphic processing techniques in the CAD system for forging dies such as automatic generation of the forged part drawing , automatic design of the flash groove and automatic generation of the die cavity are described. The development process and an example are given.The development method is a good reference for the CAD system development of 3D - cavity dies. Key Words: Pro/ E; secondary development; graphic processing; CAD; forging Die 1引言 锻造成型是一种体积成型,模锻是利用模具使 毛坯变形而获得锻件的锻造方法,毛坯到锻件的各 成型阶段中的形状及模膛几何信息是锻造工艺与 锻模设计的主要内容,这些几何信息只有在三维图 形环境下才可以形象、 直观、 完整地描述。此外,所 建立的三维实体模型可支持对锻件塑性成型过程 的数值模拟,锻模型腔的实体造型数据可方便地转 换为CAM加工指令,因此在锻模CAD中应用三维 图形处理具有显著的优越性,是发展趋势。目前国 内的锻模CAD系统大多都建立在Auto CAD基础 上,在二维图形环境下以有限个视图及截面表达锻 件与型腔形状,难以满足锻造工艺及锻模设计的要 求。如果锻件属较复杂的三维形体,那么锻模设计 中涉及到的工艺补充面及预锻形体等还将进一步 增加几何造型和图形处理的复杂度,需要借助三维 设计软件,建立可视的、 可分析的、 可修改的以及可 模拟加工的三维实体模型。 以下主要介绍使用Pro/ E的二次开发工具Pro/ T oolkit ,在Visual C+ +编译环境下开发锻模CAD系 统时采用的几项重要图形处理方法,这些方法也可 以推广应用到其他基于Pro/ E开发的CAD系统。 2Pro/ E的二次开发技术 2. 1二次开发工具 Pro/E常用的二次开发工具有:族表 (Family T able)、 用户定义特征(UDF) 、Pro/ Program、J-link、Pro/ T oolkit等,下面着重介绍功能最强的Pro/ T oolkit 1 : 在Pro/T oolkit中, PTC向用户提供了大型的C 语言函数库,函数采用面向对象的风格,通过调用这 些底层函数,用户能方便而又安全地访问P