毕业设计（论文）-热水器水管支架塑料模具设计（全套图纸）.pdf

设 计 说 明 书设 计 说 明 书 热水器水管支架塑料模具设计 Water heater pipe of a bicycle plastic mold design 摘摘 要要 近几年国家振兴机械行业，与机械相关的各个行业都越来越重视CAD/CAM 技术，不仅是因为CAD/CAM技术已发展成为一项比较成熟的共性技术，同时还因 为塑料制品及模具的3D设计与成型过程中3D分析正在塑料模具工业中发挥越来越 重要的作用。在本次毕业设计中，通过运用三维实体造型高端软件 UG 对“支架”外 形进行3D造型，同时也设计了其塑料外壳注塑模的3D模型；还根据所设计的模具 尺寸选择安装了相应的模架，最终生成了直观的结构设计图；此外还利用CAD绘制 了模具装配图以及各种成型零件图。这是第一次利用绘图软件对整套模具进行设计， 对所学知识进行了全面巩固，意义重大！ 关键词： 壳体；注塑模；实体造型；模具；模架；AutoCAD（CAD） II Abstract Over the past few years the country vitalizes machinery industry, each industry that related with mechanics is all paying more and more attention to the CAD/CAM technology. That is not only because CAD/CAM technology has already been developed into one ripe generality technology, but also because 3D design of Plastics piece make and mould and 3D analysis of molding process plays a more and more important role in plastics mould industry. In the graduation project, through using 3D entity sculpting software UG, I build 3D mold of “Support”, also build the plastics injection 3D mold of the shell crust at the same time.;I chose the appropriate mold frame and made it fixed with the mold , according to the measurement of the mold. Finally I do the intuitionistic drawing of 3D mold as well. In addition, also has drawn up the mold assembly drawing as well as each kind of Molding Parts drawing using CAD . This is that the first time makes use of the software drawing to carry out design on package mould , have carried out all- round consolidation on what be learned knowledge，The significance is significant！ Keywords： Shell; Plastics injection mold；solid mold；mold；mold fram AutoCAD（CAD） ；Pro/Engineer（Pro/E） 全套图纸加 153893706 III 目录 摘摘 要要 . I ABSTRACT . II 1 绪论绪论 . 1 2 热水器管支架设计及其成型工艺的分析热水器管支架设计及其成型工艺的分析 . 2 2.1 塑件分析 . 2 2.1.1 结构分析如下 . 2 2.1.2 成型工艺分析。 . 2 2.2 塑料的选材及性能分析 . 2 3 热水器管支架模具设计方案热水器管支架模具设计方案 . 4 3.1 分型面方案的确定 . 4 3.1.1 分型面的选择原则 3 . 4 3.2 型腔数量以及排列方式的优化确定 . 5 4 模具设计模具设计 . 6 4.1 注塑机选型 . 6 4.1.1 注射量计算 . 6 4.1.2 注射机型号的选定 . 6 4.2 模具浇注系统设计和浇口的设计 . 8 4.2.1 主流道的设计 4 . 8 4.2.2 浇口和流道的设计优化 . 9 4.3 成型零件工作尺寸的设计和计算成型零件工作尺寸的设计和计算 . 10 4.3.1 型腔零件刚度和强度校核 . 12 4.4 模架的确定和标准件的选用 . 12 4.5 合模导向机构和定位机构 . 13 4.5.1 导向机构的总体设计 . 13 4.5.2 导柱设计 . 14 4.5.3 导套设计 . 14 4.6 脱模推出机构的设计 . 15 4.6.1 脱模推出机构的设计原则 8 . 15 4.6.2 塑件的推出机构 . 15 4.7 侧抽芯机构的设计 . 16 4.7.1 侧向分型与抽芯机构类型的确定 . 16 4.7.2 斜导柱的设计 . 16 4.7.3 滑块的组合及设计形式 . 16 4.7.4 各项尺寸的计算与校核 . 16 4.8 排气系统设计 . 17 4.8.1 加热系统 . 17 4.8.2 冷却系统 . 17 5 模具装配模具装配 . 19 5.1 塑料模具装配的技术要求 . 19 IV 5.2 塑料模具装配过程 . 19 6 模具工作过程模具工作过程 . 20 总总 结结 . 21 参考文献参考文献 . 22 致致 谢谢 . 24 附件一附件一 英文文献翻译英文文献翻译 . 25 1 绪论 1 1 绪论绪论 近年来，中国塑料模具制造水平已有较大提高。大型塑料模具已能生产单套重量达 到50t以上的注塑模，精密塑料模具的精度已达到 2m，制件精度很高的小模数齿轮模 具及达到高光学要求的车灯模具等也已能生产，多腔塑料模具已能生产一模 7800 腔的 塑封模，高速模具方面已能生产挤出速度达 6m/min 以上的高速塑料异型材挤出模具及 主型材双腔共挤、双色共挤、软硬共挤、后共挤、再生料共挤出和低发泡钢塑共挤等各 种模具。在生产手段上，模具企业设备数控化率已有较大提高，CAD/CAE/CAM 技术的 应用面已大为扩展， 高速加工及 RP/RT 等先进技术的采用已越来越多， 模具标准件使用 覆盖率及模具商品化率都有较大幅度的提高，热流道模具的比例也有较大提高。中国塑 料模具行业和国外先进水平相比，主要存在以下问题。 1）发展不平衡，产品总体水平较低。虽然个别企业的产品已达到或接近国际先进 水平，但总体来看，模具的精度、型腔表面的粗糙度、生产周期、寿命等指标与国外先 进水平相比尚有较大差距。包括生产方式和企业管理在内的总体水平与国外工业发达国 家相比尚有10年以上的差距。 2）工艺装备落后，组织协调能力差。虽然部分企业经过近几年的技术改造，工艺 装备水平已经比较先进，有些三资企业的装备水平也并不落后于国外，但大部分企业的 工艺装备仍比较落后。更主要的是，企业组织协调能力差，难以整合或调动社会资源为 我所用，从而就难以承接比较大的项目。 3）大多数企业开发能力弱，创新能力明显不足。一方面是技术人员比例低、水平 不够高，另一方面是科研开发投入少；更重要的是观念落后，对创新和开发不够重视。 模具企业不但要重视模具的开发，同时也要重视产品的创新。 4） 供需矛盾短期难以缓解。 近几年， 国产塑料模具国内市场满足率一直不足74%， 其中大型、精密、长寿命模具满足率更低，估计不足60%。同时，工业发达国家的模 具正在加速向中国转移，国际采购越来越多，国际市场前景看好。市场需求旺盛，生产 发展一时还难以跟上，供不应求的局面还将持续一段时间。 5）体制和人才问题的解决尚需时日。在社会主义市场经济中，竞争性行业，特别 是像模具这样依赖于特殊用户、需单件生产的行业，国有和集体所有制原来的体制和经 营机制已显得越来越不适应。人才的数量和素质也跟不上行业的快速发展。 2 2 热水器管支架设计及其成型工艺的分析热水器管支架设计及其成型工艺的分析 2.1 塑件分析 图 2.1 热水器管支架 上图2.1 所示是热水器管支架参考零件。 2.1.1 结构分析如下 该塑件为壳体，表面光滑，在模具设计和制造上要有良好的加工工艺，确保成型零 件具有一定的光洁度； 2.1.2 成型工艺分析。 采用一般精度等级5级，大量生产。 该塑件壁厚约为2mm，考虑到壳体左右部分比较浅，脱模斜度为1度；由于 下面的倒扣需要用到斜顶模斜度也设置为 1度。 2.2 塑料的选材及性能分析 PP 粒料为本色、圆柱状颗粒，颗粒光洁，粒子的尺寸在任意方向上为 2mm5mm， 无臭无毒，无机械杂质。本品以高纯度丙烯为主要原料，乙烯为共聚单体，采用高活性 催化剂在 6280及低于 4.0MPa 的压力下经气相反应生产聚丙烯粉料，再经干燥、 混炼、挤压、造粒、筛分、均化成聚丙烯颗粒。密度为 0.90 g/cm30.91g/cm3，是通 用塑料中最轻的一种。聚丙烯树脂具有优良的机械性能和耐热性能，使用温度范围 -30140。同时具有优良的电绝缘性能和化学稳定性，几乎不吸水，与绝大多数化 学品接触不发生作用。本品耐腐蚀，抗张强度 30MPa，强度、刚性和透明性都比聚乙烯 2 热水器管支架设计及其成型工艺的分析 3 好；缺点是耐低温冲击性差，较易老化，但可分别通过改性和添加抗氧剂予以克服。与 发烟硫酸、发烟硝酸、铬酸溶液、卤素、苯、四氯化碳、氯仿等接触有腐蚀作用。可用 作工程塑料，适用于制电视机、收音机外壳、电器绝缘材料、防腐管道、板材、贮槽等， 也用于生产扁丝、纤维、包装薄膜等。 4 3 热水器管支架模具设计方案热水器管支架模具设计方案 3.1 分型面方案的确定 分型面是模具上用来取出塑件和浇注系统料可分离的接触面称为分型面,分型面的 选择对模具设计方式影响最大,分型面设计是否合理对塑件质量和模具复杂程度具有很 大的影响。基本上是一种分型面对应着一种模具设计方案，所以分型面的选择决定着模 具总体的设计方案。 3.1.1 分型面的选择原则 3 1）保证塑料制品能够脱模。 2）使分型面容易加工。 3）尽量避免侧向抽芯。 4）使侧向抽芯尽量短。 5）有利于排气。 6）有利于保证塑件的外观质量。 7）尽可能使塑件留在动模一侧。 8）尽可能满足塑件的使用要求。 9）尽量减少塑件在合模方向的投影面积。 10）长型芯应置于开模方向。 11）有利于简化模具结构。 综上所述，分型面平坦在一个平面上,为了顺利脱模,分型面采用如下模具结构， 只需要斜顶出模，加工成本经济，塑件成型精度可靠。 3 热水器管支架模具设计方案 5 3.2 型腔数量以及排列方式的优化确定 如图 3.1 所示。按要求采用一模二腔。 3.1 分型面形式与位置 6 4 模具设计模具设计 4.1 注塑机选型 注射机是安装在注射机上使用的设备，因此设计注射模应该详细了解注射机的技术 规范，才能设计出符合要求的模具。 注射机规格的确定主要是根据塑件的的大小及型腔的模具和排列方式，在确定模具 结构形式及初步估算外形尺寸的前提下，设计人员应对模具所需的注射量、锁模力、注 射压力、拉杆间距、最大和最小模具厚度、推出形式、推出位置、推出行程、开模距离 进行计算。根据这些参数选择一台和模具相匹配的注射机，倘若用户自己提供型号和规 格，设计人员必须对其进行校核，若不能满足要求，则必须自己调整或与用户取得商量 调整。 4.1.1 注射量计算 通过 UG 三维软件计算体积得 1 V 8.96 3 cm 2=17.92 3 cm 浇注系统体积取塑件体积的 10%得 2 V 17.920.11.8 3 cm V 1 V + 2 V 19.7 3 cm 4.1.2 注射机型号的选定 根据以上的计算初步选定型号为 G54-S200/400 型卧式注射机，其主要技术参数见 表4.1。 表 4.1 注塑机工艺参数 注射机的工艺参数表 G54- S200/400 额定注射量： 200- 400cm 螺杆直径： 55mm 注射压力： 109M Pa 注射行程： 160 mm 和模力：KN 2540KN 最大成型面积： 645cm2 最大开模行程： 260mm 模具最大厚度： 406mm 模具最小厚度： 165mm 4 模具设计 7 1）最大注射量校核 根据塑料橡胶成型模具设计手册144 页，式（5-2-1） 1 1.06 GG = 式中： 1 G 注塑机最大注谢量（ cm） G 注塑机额定注谢量（ cm） 待加工塑料密度 3 /g cm 代入数据得： 1 0.83 200*184.4 0.9 Gg= 根据式（5-2- 3） () zjfsb mn mmmm=+ 式中： n 模具的型腔数 , j m 塑件的质量 g ， f m 浇注系统分流道凝料的质量 g ， s m 主流道凝料质量 g ， b m 塑件飞边质量 g 代入数据得： 17.73 z m =g 根据校核式（5-2- 2） 1*80% 147.517.7G= 故：合格 2）注射压力校核 根据 塑料 橡胶成型模具设计手册 P145， P j 150Mpa， Pch100Mpa，（0.75 0.9）P j 112.5135MpaPch，故也是合格的。式中：P j 注塑机额定最大 注射压力，Pch模具成型时需要的注射压力。 3）锁模力的校核 根据塑料橡胶成型模具设计手册P145，P 取 30Mpa，k 取 3 2 ， q P pK30 3 2 20Mpa 由表 5-2-1，取 F17.6Mpa，有 q P F，故合格。式中： q P 型 腔内塑料压力，P料筒内注塑机柱塞或螺杆施加于塑料的压力，K损耗系 数，F注射机的额定锁模力。 4）开模行程及其顶出行程校核 根据塑料橡胶成型模具设计手册P149，H125mm，H225mm，S260mm， H1+ H2+（510）5560mm 推抽+2，所以抽芯距离满足要求，塑件能正常取出。 图 4.15 侧向分型与抽芯分析 4.8 排气系统设计 模板分型面上设置 1mm 深的排气槽用于排气，而且在成型壳体内腔的型芯上设置 了 23 根推杆，排气条件足够。 4.9 冷却系统的优化设计10 4.8.1 加热系统 该套模具的模温要求在 70C以下，又是小型模具，所以无需设置加热装置。 4.8.2 冷却系统 根据实用模具设计与制造手册433 页，式 6-31 W () 43 1 TTK aW 其中 W1根据注射模典型结构 100 例P201 附表 3 中查得 18 85gs，W () 63564 . 0 1003 . 185 595.4g，W V， V W 1 4 . 595 595.4cm，取直径 d20mm，L 2 4 1 d V 2 2014 . 3 4 1 4 . 595 1.8m， 式中：W通过模具的冷却水重量， 1 W 单位时间内进入模具的塑料重量，a 每可塑料的热容量，K热传导系数， 3 T 出水温度， 4 T 如水温度， 冷 却液容重，V冷却水道体积，L冷却水道长度，d冷却水道直径。 4.10 模具材料例表 表 4.7 该模具的选材及热处理见表 零件名称 材料牌号 热处理 硬度 说明 模仁 718H 预硬化 36HRC-38HRC 保证加工后获得较高的形状和 尺寸精度,易于抛光 圆柱型芯 Cr12MoV 淬火 58HRC-62HRC 淬透性好,热处理变形小、耐磨 性好 动模型芯 718H 淬火 42HRC-54HRC 保证加工后获得较高的形状和 尺寸精度,沿脱模方向抛光 动定模座板 45 调质 230HB-270HB 垫块 Q235 调质 230HB-270HB 支撑柱 S50C 调质 225HB-240HB 推板固定板 45 调质 230HB-270HB 主流道衬套 T10A 淬火 50HRC-55HRC 导柱导套 T10A 淬火 54HRC-58HRC 定位圈 45 调质 230HB-270HB 复位杆 45 淬火 43HRC-48HRC 5 模具设装配 19 5 模具装配模具装配 5.1 塑料模具装配的技术要求 塑料模具种类较多，结构差异很大，装配的具体内容与要求也不同。一般注射、压 缩和挤出模具结构相对复杂，装配环节多，工艺难度大。其他类型的塑料模具结构较为 简单。无论哪种类型的模具，为保证成形制品的质量，都应具有一定的技术要求。 1） 模具装配后各分型面应贴合严密,主要分型面的间隙应小于0.05mm;在模具适 当的平衡位置应装有吊环或起吊孔;模具的外形尺寸、闭合高度、安装固定及定位尺寸、 推出方式、开模行程等均应符合设计图样要求，并与所使用的设备条件相匹配，模具应 有标记，各模板应打印顺序编号及加工与装配时使用的基准标记。 2）导向或定位精度应满足设计要求，动、定模开合运动平稳，导向准确，无卡阻、 咬死或刮伤现象，安装精定位元件的模具时，应保证定位精度、可靠，且不得与导柱、 导套发生干涉。 3）成型零件的形状与尺寸精度及表面粗糙度应符合设计图样要求，表面不得有碰 伤、划痕、裂纹、锈蚀等缺陷；抛光方向应与脱模方向一致，成形表面的文字、图案与 脱模方向一致；活动成形零件或镶件应定位可靠。配合间隙适当，活动灵活，不产生溢 料。 4）浇注系统表面光滑，尺寸与表面粗糙度符合设计要求。 5）推出机构应运动灵活，工作平稳、可靠；推出元件不应承受侧向力；既不允许 放生溢料，也不得有卡阻现象。 6）侧向分型与抽芯机构应运动灵活、平稳；斜导柱不应承受侧向力；滑块锁挈应 固定可靠，工作时不得产生变形。 7）模具加热元件应安装可靠、绝缘安全、无破损，能达到设定温度要求；模具冷 却水道应通畅，无堵塞，连接部位密封可靠。 5.2 塑料模具装配过程 塑料模的总装过程因模具结构的不同而不同,但其主要的总装配顺序不变,具体如 下: 1）确定装配基准。 2）安装导柱导套和型芯、型腔并使间隙均匀。 3）安装侧抽芯机构和推出机构等。 4）其他零件的装配。 5）检验、试模。 20 6 模具工作过程模具工作过程 模具装配试模完毕之后,模具进入正式工作状态,其基本工作过程如下. 1）对塑料进行烘干,并装入料斗. 2）清理模具型芯、型腔，并喷上脱模剂，进行适当的预热。 3）合模、锁紧模具。 4）对塑料进行预塑化，注射装置准备注射。 5）注射过程包括充模、保压、倒流、浇口冻结后的冷却和脱模。 6）脱模过程。见装配图。开模时，开合模系统带动动模部分后移，斜导柱 逼使侧抽芯滑块随着动模的移动侧向抽芯，当斜导柱脱离动模部分时，固定在动模部分 的弹簧波子刚好顶住滑块，固定防止斜滑块与动模部分分离或者下滑，使之顺利的留在 动模恰当的位置，有利于顺利合模与复位；塑件先丛型芯中脱出；同时主流道凝料在塑 件的带动下与浇口套分离；继续开模具到一定的距离，推出机构工作，推板在注射机顶 杆的作用下，带动塑件推杆工作，把塑件从主型芯上推出来，从而完成了塑件与模具的 分离；最后将塑件取出。 7）塑件的后处理。 总结 21 总总 结结 本次毕业设计是我们大学四年所学知识做的一次总测验，是锻炼也是检验自己四年 来所学并掌握运用知识的能力， 是我们高等院校学生的最后的学习环节， 通过这次设计， 我学到了许多原来未能学到的东西，对过去没有掌握的知识得到了更进一步巩固。独立 思考，综合运用所掌握理论知识的能力得到很大的提高，学会了从生产实际出发，针对 实际课题解决实际问题，掌握了综合使用各种设计手册、图册、资料的方法，提高了电 脑绘图水平，也是为我们即将参加工作所做的必要准备，打下基础，更是我们四年机械 设计制造及其自动化专业知识的一次综合。 22 参考文献参考文献 1林清安. Pro/ENGENEER 2.0 模具设计M. 北京：清华大学出版社，2004. 2林清安. Pro/ENGENEER 2.0 零件设计基础篇M. 北京：清华大学出版社，2004. 3 屈华昌. 塑料成型工艺与模具设计M.北京: 机械工业出版社，1995. 4 伍先明. 塑料模具设计指导M. 北京：国防工业出版社，2006. 5 唐志玉. 模具设计师指南M. 北京：国防工业出版社，1999. 6 塑料模设计手册编写组. 塑料模设计手册M. 北京：机械工业出版社，1994. 7 廖念钊. 互换性与技术测量M. 北京：中国计量出版社，1991. 8 模具制造手册编写组. 模具制造手册M. 北京：机械工业出版社,1996. 9马金骏. 塑料模具设计M. 北京：中国科学技术出版社，1994. 10夏巨谌,李志刚.中国模具设计大典M. 北京：机械工业出版社，2002. 11张荣清. 模具制造工艺M. 北京：高等教育出版社，2006. 12屈华昌主编.塑料成型工艺与模具设计.机械工业出版社.1996 13陆宁主编.实用注塑模具设计.中国轻工业出版社.1997 14彭建声主编.模具技术问答.机械工业出版社.2001 15上海模具技术协会著.塑料技术标准大全.M.杭州：浙江科学技术出版社，1990. 16王孝培主编.塑料成型工艺及模具简明手册.M.北京：机械工业出版社，2000. 17党根茂主编.模具设计与制造.M.西安：西安电子科技大学出版社，1997. 18贾润礼等主编.实用注塑模设计手册. M.北京：中国轻工业出版社，2002. 19佟河亭主编.Pro/ENGINEER wildfire 中文版习题精解.M.北京：人民邮电 20张祥杰.Pro/ ENGINEER wildfire 模具设计M.北京：中国铁道出版社，2002. 总结 23 24 致致 谢谢 附件一 英文文献翻译 25 附件一附件一 英文文献翻译英文文献翻译 译文：译文： 1. 三维注射成型流动模拟的研究三维注射成型流动模拟的研究 摘要摘要:大多数注射成型制品都是具有复杂的几何轮廓和厚壁或薄壁的制品。这种三维仿真模型将比两 维半模型具有更精确的填充过程。本文介绍了一种基于三维模型的注射成型流动模拟的数学模型和 数值实现，把速度和压力同次插值方法成功地应用到三维注塑模拟的计算中，从离散的动量方程中 找出压力和速度的关系，然后迭代到连续性方程中得到压力方程。用三维控制体积法追踪流动前沿， 并通过算例分析来说明三维模型的有效性。 关键词关键词：三维模型 等序插值法 模拟 注塑成型 1 引言引言 在注塑成型的过程中，聚合物熔化的流变反应随着流动前沿的方向大多是非牛顿流体和非等温 的。由于这些内在的因素，分析它的填充过程是很困难的，因此通常进行简易处理。例如在中面流 和双面流技术中，由于大多数注塑成型的零件都是薄壁却有复杂的形状的特征，当分析流动性而厚 度方向的速度和压力变化被忽略时，通常使用 HeleShaw 流动简化。因此这两种技术都是两维的填 充模型，用这种方法填充一个模型的型腔就变成了流动方向的二维问题和厚度方向的一维分析。 但由于采用了简化假设，它产生的信息是有限的、不完整的。除了用有限差分法求解温度在壁 厚方向的差异外，基本上没有考虑物理量在厚度方向上的变化 。随着塑料成型技术的发展，注塑成 型零件将具有越来越复杂的形状，其壁的厚度的多样性将变得越来越显著，因此在厚度方向变化的 物理量就不能被忽视。此外，熔体在型腔的表面流动模拟看起来不真实，仅当这些流动模拟出现在 成型型腔时它的真实性才更加明显。 三维流动模型已经是研究方向而且在塑料注塑成型模拟方面将是个热点。在三维流动模型中， 熔体在厚度方向的速度分量不再被忽略，熔体的压力沿厚度方向变化，并且在分解三维实体制品方 面通常使用有限元分析。通过有限元计算，可以获得完整的数据（不仅获得实体制品表面的流动数 据，还获得实体内部完整的流动数据。 ） 。因此，对于薄壁制品，三维流动模拟能够产生更加详细的 关于流动特征的信息和应力分布；对于如在气体辅助成型中遇到的有厚壁区域的制品，三维流动模 拟能更加准确地预测其充填行为。许多在二维模型中不能预测的充模过程中的流动行为，如熔体前 沿的流动形态和推进方式，即“喷泉”效应在三维流动模拟技术中都可以得到很好的体现。 本文提出了一种三维有限元模型来预测模拟塑料熔体的充模流动，把速度和压力同次插值方法 成功地应用到三维注塑模拟的计算中，从离散的动量方程中找出压力和速度的关系，然后代到连续 性方程得到压力方程。用三维控制体积法追踪流动前沿，并通过算例来说明该三维模型的有效性。 2 控制方程控制方程 充模过程中熔体压力不是很高，且合理的模具结构可以避免过压现象，因此设熔体为未压缩流 26 体。由于熔体粘性较大，相对于粘度剪切应力而言 ，惯性力和质量力都很小，可忽略不计。 经过简化和假设，控制方程的直角分量形式分别为： 动量方程： 连续性方程： 能量方程： 式中：x, y, z三维坐标；u, v, w分别表示 x, y, z 方向的速度；熔体密度； P压力；T温度；熔体粘度 粘度模型采用 Cross 模型 式中：n非牛顿指数；剪切速率；材料常数；0零剪切粘度 由于在充模过程中，熔体的温度变化范围不大，因此0 采用 Arrhenius 型表达式： 式中：B，Tb, 材料常数。 3 数值模拟方法数值模拟方法 3.1 压力压力 速度关系速度关系 三维有限元模型由于没作 Hele- Shaw 流动简化，其数值处理方法和二维模型有很大不同。在三 维模型中，用三维立体单元离散制品空间，采用速度和压力同次插值和迦辽金法来离散控制方程 ， 用三维控制体积法追踪流动前沿。由于三维模型考虑了厚度方向物理量的变化，其动量方程比二维 模型复杂得多，不可能像二维模型那样直接通过在厚度方向上的积分得到速度和压力的关系，需要 首先对动量方程进行离散， 从中找出压力和速度的关系。 本文采用压力、 速度双线形插值， 用 Galerkin 法对动量方程离散，经逐个单元组装后得到节点速度和压力的关系如下： 附件一 英文文献翻译 27 其中，虚拟速度定义为： 节点上的压力系数定义为： (3) 式中分别表示在 x，y，z 方向的总体速度系数矩阵 分别表示节点在 x，y, z 方向的压力系数，其值利用式(3)在整个计算域内积分，由各 单元的贡献值组装而得到 Ni单元插值函数；i总体节点号；j每个节点所有领接节点的数量 3.2 压力方程压力方程 把连续方程式(1d)用 Galerkin 法离散后，把速度方程式(2)代入，整理后得到离散的单元压力方 程： 把单元刚度矩阵用常规的方法在整个计算域内组装就得到整体压力方程。 3.3 边界条件边界条件 在模壁上采用无滑移边界条件： 在浇口处：u=v=w=给定； 3.4 速度修正速度修正 求解压力方程，得到压力场。但从动量方程求解得到的速度场并不满足连续性条件，因此，要 按下式用所求得的压力场去修正当前得到的速度场。 28 上述压力、速度方程采用松弛迭代求解。整个求解过程如图 1 所示。 3.5 流动前沿位置的确定流动前沿位置的确定 熔体在模腔内的流动是非稳态的过程，熔体前沿位置随时间变化。像二维模型一样，本文沿用 FAN (Flow Analysis Network) J 的思路，采用控制体积法来跟踪熔体每一时刻的前沿位置。但三维控制 体积是一个空间体积，比二维控制体积复杂得多，三维控制体积的划分必须保证各节点的控制体积 完全充满制品空间，不能有空洞和缝隙。图 2 是三维控制体积的形态图，箭头处为制品表面。 (a)制品内部节点的控制体积 (b)制品边界节点的控制体积 图 2 三维控制体积 4 结果和讨论结果和讨论 算例的型腔如图 3(a)所示。 注射材料为 Kumbo生产的AKS780， 对应于五参数 Cross模型中的( n， ，B，Tb，)粘度参数为 (02 638，451510 Pa， 313 198 043107 Pas，112 236 10 K，0 Pa )。 注射温度为 250，模具温度为 45，制品的三维有限元网格如图 3(b)所示。 (a) 制品尺寸 (b) 立体网格划分 图 3 示例制品 “喷泉”效应也是充模流动时的一个典型现象。当熔体以较快的速度注入一个相对较冷的模具 中，熔体和型腔壁接触后，由于传导冷却效应，实际上在型腔壁处就形成固体层 ，靠近型腔壁处的 熔体剪切应力增加，而中部剪切应力为零，于是靠近型腔壁处熔体流动方向开始向模壁偏转。又由 于中部熔体流动速度比沿壁厚度方向上的平均速度快，不断冲破熔体前沿由于降温而形成的前沿膜 并形成新的前沿膜。因此，此时流体前端呈喷泉状，后面则以片状流动在固体层下面通过。图 4(a) 附件一 英文文献翻译 29 是示例制品在几个充填时刻流动前沿的形状，实验结果和这种理论相符合。相反，如图 4(b)所示两 维半模型的流动前沿形状不会出现这种“喷泉”效应。 (a) 三维流动前沿的形状 (b) 两维半流动前沿的形状 图 4 三维模型