基于计算机仿真技术的塑料机械设计应用.pdf

第 4 4卷第 3 期 2 0 1 6年 3月 塑料工业 C HI N A P L A nCS I NDUS T RY 9 7 基于计算机仿真技术的塑料机械设计应用 徐宁 ( 福建信息职业技术学院，福建 福州 3 5 0 0 0 3 ) 摘要：塑料机械设计是计算机仿真领域的重要研究对象之一，计算机仿真技术的应用 ， 对塑料机械的发展具有极 大的帮助。从计算机仿真技术的发展出发，介绍了仿真技术的一些基本概念及理论依据。其次 ，通过介绍关键零部件 强度分析及模具参数化设计 ，详细分析了仿真技术在塑料机械设计领域的优势。最后 ，结合实例 ，从设计与生产两个 角度 ，对该技术进行介 绍。 关键词：计算机仿真技术；塑料机械设计；模块化 ；传统工艺；设计 d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 - 5 7 7 0 2 0 1 6 0 3 0 1 4 中图分类号：T Q 3 2 0 6 6 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 5 - 5 7 7 0( 2 0 1 6 )0 3 0 0 9 7 0 3 Ap pl i c a tio n o f Pl a s t i c M a c hi ne r y De s i g n Ba s e d o n Co mpu t e r Si mu l a tio n Te c h no l o g y xu Ni n g ( F u j i a n P o l y t e c h n i c o f I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y ，F u z h o u 3 5 0 0 0 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：P l a s t i c m a c h i n e r y d e s i g n i s o n e o f t h e i m p o r t a n t r e s e a r c h o b j e c t i n t h e fi e l d o f c o m p u t e r s i mu l a t i o n T h e a p p l i c a t i o n o f c o mp u t e r s i mu l a t i o n t e c h n o l o g y h a s a g r e a t h e l p t o t h e d e v e l o p me n t o f p l a s t i c s ma c h i n e ry I n t h i s p a p e r ， s t a r t i n g f r o m t h e d e v e l o p me n t o f c o mp u t e r s i mu l a t i o n t e c h n o l o gy ， s o me b a s i c c o n c e p t s a n d t h e o r e t i c a l b a s i s o f s i mu l a t i o n t e c h n o l o g y w e r e i n t r o d u c e d S e c o n d l y ， b y i n t r o d u c i n g t h e s t r e n g t h a n aly s i s o f k e y p a r t s a n d t h e p a r a me t r i c d e s i g n o f t h e mo u l d，t h e a d v a n t a g e o f s i mu l a t i o n t e c h n o l o gy i n t h e fi e l d o f p l a s t i c ma c h i n e ry d e s i g n wa s a n a l y z e d i n d e t a i l F i n a l l y，c o mb i n i n g wi t h t h e i n s t a n c e ，f r o m t wo a s p e c t s o f d e s i g n a n d p r o d u c t i o n， t h e t e c h n o l o gy wa s i n t r o du c e d Ke ywo r d s： Co mpu t e r Si mu l a t i o n Te c hn o l o gy ； P l a s t i c Ma c hi n e ry De s i g n； Mo d u l a r； Tr a d i t i o n al Pr o c e s s； De s i g n 1 计算机仿真技术 1 1 计算机仿真技术概述 计算机仿真技术是仿真技术与计算机技术相结合 而诞生的一门学科 ，它以多门学科为理论基础 ，以计 算机软件为工具 ，能实现系统仿真 、设计虚拟模型而 达到工程人 员的预期要求 。计算机仿 真技术 以系 统实验为 目标 ，建 立系统 虚拟模型 ，并根据不 同条 件 ，利用计算机软件对所建模型进行动态试验。系 统 、模型和计算机软件是仿真技术 的三大要 素。计算 机作为 2 1 世纪最 为实用 的工具 ，在仿真技术 中发挥 着无 比重要的作用 ，科研人员可以利用计算机进行系 统分析设计、评价、运行等操作。计算机代替了从前 陈旧的试验设备，将试验过程数据化，节省了大量的 人力财力 ，大大地降低 了生产成本 。目前 ，计算机技 术 已成为系统分析、项 目规划和运筹 、预测等 的主要 工具 。 计算机仿真技术对计算机技术的依赖性较强，它 要求在进行仿真之前 ，必须先建立起能被计算机系统 识别的系统模型_ 2 。也就是说，计算机仿真技术的 操作流程主要包 括：1 )系统 分析 ；2)建 立起描述 系统行为规律的系统模型；3 )将之前建立好 的系统 模型转化为计算机仿真程序 ，以便仿真运算对系统模 型进行求解。仿真技术是一种模型试验，为了得到正 确且真实的系统运动规律， 要求科研人员不断地进行 仿真探索和模型研究，建立恰当的系统模型和正确的 仿真结果。 1 2 计算机仿真技术的发展 近几年，计算机技术快速发展， 计算机仿真技术 也随之得到不断的完善和发展。在新的社会背景下， 计算机仿真技术的发展主要包括网络化和虚拟制造两 作者简介 ：徐宁，男，1 9 5 9年生，副教授，福州大学访问学者，研究方向是机械制造技术。x u n i n g 5 9 2 1 c n c o m 9 8 塑料工业 2 0 1 6每 个 方 面。 1 )计算机仿真技术网络化 计算机仿真数据有许多都不能实现转移 ，共享困 难 ，兼容性差 。计算机仿真技术网络化是 当代仿真技 术的潮流，为实现资源的共享化及兼容性 ，在未来很 长一段时间内，该技术都会朝着这一方向发展。网络 化不但能够极大地降低二次开发的投资资金 ，而且可 以从分享过程 中获取部分共享费用 。 2 )虚拟制造技术 计算机仿真技术发展的另一个重要方向是虚拟制 造技术 3 J 。虚拟制造技术最早出现在 2 0世纪末 ，它 是通过计算机仿真技术实现产品设计 、产品出厂及企 业管理等过程的新型技术 。虚拟制造不需要太多的生 产经验就能实现生产的多维的预测 ，是机械制造领域 发 展 的基石 。 2 塑料 机械 设计 传统的塑料机械设计仅仅是针对单种产品进行 的，利用合模装置和注射装置，进行单一产品的生 产 。这种设计生产方式 ，很难适应多种客户 的需求 ， 极大地限制了塑料机械的发展。 2 1 塑料机械模块化设计原理 塑料机械模块化设计与传统塑料机械设计的差别 很大 ，它是以一系列相似的产品进行统一设计 ，通过 若干模块的拼接组合 ，组成不同型号 、不同参数 的几 种塑料机械H 。模块化设计 的前提是 市场需求 ，基 础是产品功能的分析，在进行设计时需结合优化设 计 、系统设计 、相似性设计等现代化设计方法 ，以满 足广大民众的需求 。在进行市场调查和用户需求调查 之后 ，设计人员对塑料机械功能进行分析 ，设计出灵 活性高 、整体性强 、可靠且具有一定 先进水平 的模 块。塑料机械模块化设计中的模块划分应以最少模块 数获得最多组成方案为标准 ，划分时 ，各模块之间应 具有一定的独立性。 2 2 塑料机械模块化设计方法 塑料机械模块化设计中模块单元划分的常用方法 是 ，以机械部件 、零件及组件为模块单元进行划分。 这种模块划分方法，使得模块具有较高的完整性和独 立性，能灵活拆分，且组装质量高，便于不同人群的 接受与应用 。 模块化设计的对象分 为老产品和新产品两种 。 以老产品为对象时，选择一种性能好 、先进的产品为 基型，在这一基型的基础上，设计一些标准基型模 块，代替原先老旧的零部件，组成新型产品。这种以 老产品为基型的产品，设计生产周期短，更新换代 快 ，质量也有较大 的保证。以新产品为基型时 ，需设 计一个规划方案 ，包括模块的组成、划分方案及进行 分级。这种开发性 的产品 ，具有老产品不具有的创新 性 ，又继承了老产品所具有的成熟的零部件构成 ，因 此是 目前较为流行 的塑料机械设计方法 1 。 3 计算机仿真技术在塑料机械设计中的应用 计算机仿真技术设计效率高、开发周期短 、研究 费用低 、产品质量高 ，为产品的更新换代及增强市场 竞争提供 了很 大的帮助 。本章从计算机 辅助设计 ( C A D) 计算机辅助工程( C A E)系统的开发 与应 用出发 ，介绍了 C A D C A E系统的一 系列开发过程及 应用过程，从设计和生产为核心的两个角度 ，举 出具 体事例，对计算机仿真技术进行阐述。 3 1 关键零部件强度分析及模具参数化设计 计算机仿真技术在塑料 机械设 计 中的应用有很 多，对关键零部件强度的分析方法也数不甚数 ，如有 限元强度分析、密炼机 温度场分析、强度分析等L 8 j 。 在机架有限元分析中，其针对的对象主要是压延机及 开炼机类产品。对于此类产品，一般对设备的要求较 高，高精度、大刚度的器械才能满足生产需要。如果 压延机基座的刚度过低 ，设备精度也随之下降，产 品 质量将很难达到合 格标 准。下文 以塑炼机强 度计算 为例 ： 首先就辊筒 的受力状态进行分析 ，对塑料 的横压 力所产生的温度应力及弯应力进行计算 ，对扭矩产生 的剪切应力进行计算 J 。 1 )弯应力 M弯= L t 2 - P L 8 ( 1 ) 式 中， 奋 一 弯应力 ；P 一 单位面积上的横压力 ；R 一 轴 承支点应力 ；L 一 辊筒的有效工作长度 ；L 一 轴承支点 间距 。 2 )扭矩 Mk = 9 7 5 0 0 N n ( 2 ) 式中， 一 扭矩；N一 电机 的标 准额 定功率 ； 一 后方 辊筒转速 ；卵 一 总效率。 3 )强度 辊简所受的力的作用主要包括弯曲应力和扭转联 合应力两种力，这两种力联合作用，组成复合应力， 构成其所受强度值。 = ( 1 一 ) 2 6 弯+ ( 1 + k ) 2 + 4 7【 6 1 】 ( 3 ) 式 中，8 e- 复合应力 ；8 - 弯曲应力 ；下 一 剪切应力 ；k 一 修正参数； 6 - 1 一 许用应力。 通过弯应力 、扭矩及强度的分析 ，确定辊筒各个 参数值 ，便能建立有 限元模型。确定各边界条件 ，对 第 4 4卷第 3期 徐宁：基于计算机仿真技术的塑料机械设计应用 9 9 模型进行后处理等操作 ，便能得到辊筒的有限元分析 结果 。密炼室温度场分析是在产品投入生产前 ，对新 产品进行模拟炼塑的一种预测分析方法。这种分析方 法可 以预测新型密炼机的性能 ，通过研究炼塑温度和 时间的关 系 ，厂 家能准确地知道 产品制造 出来后 的 性能 。 。 。 3 2 3 DS MA X 的三维实体设计 实体 建模 是 三维动 画设计 中较 为 困难 的部分 ， 3 D S MA X进行实体建模的方法主要有以下 四种方式 。 1 )直接输入法 这种方 法 是 最 为 直 接 的建 模 方 法 ，它 是 利 用 3 D S MA X中的三维图形绘制工具 ，直接生成三维模型 的一种生成法 。在模 型制作过程 中，需输入一定 的数据参数 ，3 D S MA X能提供 各种形状 和 大小 的形 体，如圆锥、圆柱等，帮助快 速 生成所 需模 型。 3 D S MA X对形体的利用主要依赖于布尔运算 ，通过布 尔运算 3 D S MA X能快 速有效地通 过并、差 、交等操 作进行建模 。 2 )E x t r u d e 拉伸生成法 E x t r u d e 拉伸生成法 的原理 与直接输 入法有所不 同，它是通过不 同维度之间的转化来进行三维模型建 造的。这种方 法利用 3 D S MA X 中的二维 图形制作工 具 ，预先制作一个二维的平面图形 ，然后通过拉伸的 方法 ，对二 维图形进行 三维改造 ，生产三 维实体模 型。三维模型生成之后 ，也可 以对其进行布尔运算 ， 让模型更加符合设计要求。E x t rud e 拉伸法操作简单 ， 但对二维 图形的绘制要求较高 ，生成的三维模型较为 单一，因此在实际应用中使用较少。 3 )R e v o l v e 旋转生成法 R e v o l v e 旋转法与 E x t r u d e 拉伸法的原理有相似之 处 ，都是从二维图形 向三维图形进行转变 ，最终合成 三维模型 的方法 。不同的是 ，R e v o l v e 旋转是通过 旋转 的方 式生成三维实体 ：在 3 D S M A X 中先绘制一 个平面几何图形 ，然后选择一条直线 ，将图形沿着这 条直线进行旋转 ，便能生成三维实体。该法可以对平 面图形进行布尔运算 ，所以能生成符合要求 的二维 图 形 ，从而能生成较多种类的三维模型。 4 )L o f t 放样生成法 L o f t 放样法是所有三维建模法 中最为复杂的 ，也 是所有方法中使用最为广泛的。Lof t 放样是将二维形 体对象作为某个模型生成路径的剖面 ，在同一路径上 的不同段赋予不 同的形体 ，从而形成 复杂 的三 维实 体。在塑料 机械设计 过程 中，Lof t 放样 有极 大 的优 势 ，它能适应塑料形态多变的特性 ，设计出各种符合 要求的三维模型 。 3 3 应 用 实例分 析 塑料机械虚拟样机技术是仿真技术以制造过程为 对象的全新应用 。计算机仿真与虚拟现实相结合 ，是 实际生产过程在计算机中的本质实现 。虚拟样机 技术在计算机上群组协调工作 ，建立三维模型，生产 不 同种类 的虚拟样机 。在设计时 ，设计人员可以参考 虚拟样机对零件或整机进行综合性分析 ，包括工艺分 析 、热力学分析 、运动学分析及动力学分析等。在虚 拟样机技术中， 设计人员脱离了对传统样机的依赖， 可以在虚拟环境下对机械进行设计 、加工及装配等操 作 。可以说 ，塑料机械虚拟样机技术 已经带领着这一 行业进入全方位预测的新阶段 。 1 )以设计为核心 以设计为核心的计算机仿真技术是把设计信息渗 透到每一个设计过程 中去的。在设计 阶段之前 ，该类 仿真技术通过计算 机合成 了许多虚拟塑料机械样机 ， 因此 ，设计人员可 以对所设计 的零件进行 可行 性分 析，提出修改意见，完善设计。 2 )以生产为核心 以生产为核心的仿真技术与虚拟制造 的联系较前 者要紧密。此类仿真技术的评估和优化过程要科学得 多 ，且费用较低 、评价速度快 、评价 内容全面。以生 产为核心时 ，生产性评价具有极高的水平 ，工作人员 不但可以通过 动画了解 某一生产计划之下 的生产 实 况 ，还可 以考虑各种条件约束下 的动态调度过程 ，可 以全面地仿真 引。 4 结语 计算机仿真技术依赖于计算机技术而诞生 ，对机 械设计具有极大 的帮助 。2 0世纪 以来 ，计算 机仿 真 技术迅速发展 ，逐渐融入到各个行业 中去 ，特别在塑 料机械设计中有着独到的作用。本文通过塑料机械设 计中关键零部件强度分析及模具参数化设计两个方面 的介绍 ，简要描述 了计算机仿真技术的操作原理，以 3 D S MA X的三维实体设计为引，说明了生产与设计为 核心的仿真技术有何区别及联系 ，希望对我 国计算机 仿真技术的发展能提供一定的帮助。 参考文献 1 黄志刚计算机仿真技术在包装机械设计制造中的应用 J 包装工程 ，2 0 0 2 ，2 3( 3 ) ：6 7 6 8 2 高红，魏双燕机械 C A D与计算机仿真技术在生产设备 设计中的应用 J 机械设计与制造，2 0 0 3 ( 1 ) ：6 1 - 62 ( 下转第 1 1 8页) l 1 8 塑料工业 2 0 1 6钲 综上所述 ，现阶段，U P V C塑料管材正处于 “ 认 识 、发展、普及 、再认识” 的发展过程中，U P V C塑 料管材正在进行创新性改革 。基于建设能源节约型社 会的发展宗旨，U P V C塑料管材作为一种新型的建筑 管材，已广泛应用于建筑排水系统中，综合考虑其节 约能源和控制成本等因素，其优越性是毋 庸置疑 的。 此外，结合我国石油化工产业的快速发展，U P V C塑 料管材获得 了更加广阔的升级空间 ，更多质量更优 、 性能更好 、功能更全的塑料管材的研发指 日可待。 参考文献 1 樊宝柱，杨轶，刘小云塑料管在排水管道 中的应用 C 全国给水排水技术信息网全国给水排水技术信 息 网 4 l届技术 交流会论 文集 出版地不详 ：全 国给 水排水技术信息网，2 0 1 3 ：2 2 朱则刚新型绿色化学管材走近建筑给排水管道新时代 J 西南给排水，2 0 1 3( 2 ) ：4 9 5 5 3 张春侠建筑排水 U P V C管材的施工技术 J O L 城市 建设理论研究：电子版，2 0 1 3( 1 9 ) 2 0 1 5 1 2 1 9 h t t p： d g w a n f a n g d a t c o m c n P e r i o d i c a l c s j s l l y j 2 0 l 3 1 9 3 2 6 1 a s p x 4 徐秀云建筑排水用 U P V C管材配方及工艺的研究 J 中国化工贸易 ，2 0 1 4 ( 1 5 ) ：1 7 5 1 7 6 5 张玲道路排水管道工程的施工要点及塑料管村应用 J 新型建筑材料，2 0 0 5( 8 ) ：l 5 1 6 6 刘梦娟浅谈建筑给排水在能源节约方面的途径 J 商品与质量 建筑与发展，2 0 1 4 ( 4 ) ：7 8 5 7 8 5 ( 本文于 2 0 l 5 一 l 2 0 9收到 ) ( 上接第 9 9页) 3 杨套军计算机仿真技术在机械设计中的应用 J 机 械研究 与应用 ，2 0 0 5 ( 4 ) ：1 4 1 4 4 刘嫒，张勤俭，叶书强计算机仿真技术在超硬材料抛 光技术中的应用 J 系统仿真学报，2 0 0 6 ，1 8( 9 ) ： 2 5 8 2 2 5 8 4 5 鲁建军，张宁机械设计制造过程 中的仿真技术分析 J 科技创新与应用 ，2 0 1 4( 2 0 ) ：1 0 0 1 0 0 6 杜 尚俭计算机仿 真技 术在工艺优 化设计 中的应用 J 沈阳工业大学学报，2 0 0 0( 2 ) ：9 1 - 9 3 7 周劲松 ，曾小梅 ，梁德才R h i n o结合 3 d s m a x在工业产 品设计中的应用 J 现代制造工程，2 0 0 5 ( 1 0) ：7 7 - 7 9 8 刘东亮，王凤岐，郭伟计算机仿真技术及其在生产系 统中的应用 J 组合机床与 自动化加工技术 ，2 0 0 7 ( 4) ：9 1 9 3 9 李军锋，李剑，席平数控机床加工仿真技术及应用 J C a d c a m与制造业信息化，2 0 0 2( 4 ) ：9 2 9 4 1 0 黄红武 ，莫劲翔，杨济匡有限元计算在护栏设计和乘 员保护中的应用 J 计算机仿真，2 0 0 4，2 0 ( 1 1 ) ： 1 3 5 1 3 9 1 1 宗志坚，胡勇，刘坚计算机仿真技术及其应用 J 广州大学学报 ：社会科学 版 ，1 9 9 8 ( 2 ) ：1 9 1 2 席世亮，姜南，吴大鸣，等单螺杆挤出过程的计算机 仿真 J 计算机仿真，2 0 0 3( 1 2 ) ：1 3 0 1 3 2 1 3 蔡卫国虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用 J 实验技术与管理