（机械制造及其自动化专业论文）cae在薄壳件注塑成型浇注系统设计中的应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 薄壳注塑成型是随着日新月异的电子产品的生产需求应运而生的一种新型 注塑成型技术。它的成型过程极为复杂，成型难度加大，这样给注塑方法和模具 设计提出了高要求。随着计算机软、硬件技术的发展，注塑模c a e 技术得到了前 所未有的发展。设计人员和生产人员可利用注塑模c a e 技术有目的地修改设计方 案和工艺条件，克服因经验少、设计失误所带来的不良后果，从而缩小模具设计 制造周期，降低生产成本，提高塑料模具的设计制造水平及制品质量。 本文首先简要概述了薄壳注塑技术，指出注塑模c a e 技术在国内外的研究发 展情况和研究意义。其次介绍了注塑模流动模拟理论，结合薄壳注塑成型特点， 在对塑料的粘度模型、流变理论和数值方法等方面进行初步研究基础上，建立薄 壳注塑成型过程中塑料熔体充填流动的数学模型，并采用有限元有限差分方法 对数学模型进行了数值求解，得到了流动充模的数值计算流程。研究了基于c a e 技术的流动分析在薄壳注塑模具浇注系统设计中的应用，阐述了浇注系统设计的 理论设计方法，并且提出了优化流道和浇口设计的流程。最后，以鼠标上、下盖 组合型腔模具设计为实例，运用m o l d f l o w 软件对初始设计方案进行充填分析研 究，通过对实验结果的分析，找出设计中存在的问题，从而对初始模具设计方案 进行优化。 研究结果表明，通过对鼠标组合型腔模具初始设计的c a e 分析，发现存在 流动不平衡( 不平衡性达到1 6 4 ) ，型腔内压力分布不均匀，锁模力过大，出 现气穴和熔接痕缺陷等不合理因素；经过m o l d f l o w 的优化，充填均匀、流动平 衡，熔体几乎同时充满型腔；v p 转换点浇口位置压力从1 0 0 8 t p a 降到 7 8 4 3 m p a ，型腔内压力分布均匀；最大锁模力也由4 2 7 5 t 降到2 5 5 8 t ；气穴和 熔接痕等缺陷也得到了很好的控制。本文对模具的设计及注塑件的生产具有一定 的指导意义和实用价值。 关键词：注塑模，c a e ，流动模拟，浇注系统，l o l d f l o w 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t h t h e d e v e l o p i n g o fc o m p u t e r t e c h n o l o g y i ns o f t w a r ea n d h a r d w a r e ，蠲e c t i o n m o l dc a et e c h n o l o g yh a s a l r e a d y a c h i e v e dt r e m e n d o u s d e v e l o p m e n t m o l dd e s i g n e ra n dp r o d u c e rc a l lu t i l i z ei tt om o d i f yt h ed e s i g ns c h e m e a n dt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o ni no r d e rt oa v o i ds h o r to fd e s i g ne x p e r i e n c ea n dd e s i n g a l o rb r i n gk i c k b a c k , c o n s e q u e n t l yr e d u c et h ec y c l eo f m o l dd e s i g na n dp r o d u c e , t oc u t d o w np r o d u c t i o nc o s t s , t oi m p r o v et h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gl e v e lo fi n j e c t i o n m o l da n dp m d u c t e rq u a l i t y i nt h i sp a p e r , f i r s t l yt h et h i n - w a l li n j e c t i o nt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e ds u m m a r i l y , a t t h es a m et i m et h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fi n j e c t i o np l a s t i cm o l dc a e t e c h n o l o g y a n dt h es t u d ys i g n i f i c a n c ea r ep r e s e n t e d s e c o n d l y , f l o ws i m u l a t i o nt h e o r yo fi n j e c t i o n p l a s t i cm o l d i s i n t r o d u c e d , c o m b i n i n g t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i n - w a l li n j e c t i o n m o l d i n g b a s e do i lp i l o ts t u d yo np l a s t i cv i s c o s i t ym e d e l , r h e o l o g i c a lt h e o r ya n d n u m e r i c a lm e t h o d , t h em a t hm o d e lo f f u s a n tf l o w0 1 1t h ep r o c e s so f t h i n - w a l li n j e c t i o n m o l d i n gi se s t a b l i s h e d , a n dt h em a t hm o d e li s s o l v e dw i t ht h em e t h o do ff i n i t e e l e m e n t f i n i t e d i f f e r e n c e , t h e ng e t t h en u m e r i c a lc a l c u l a t ef l o wo f f i l l i n g p r o c e s s a p p l i c a t i o no fd e s i g no fr u i l r l e l s y s t e mi nt h ei i l j e c t i o nm o l d i n gb a s e do n c a et e c h n o l o g ya n df l o ws i m u l a t i o ni ss t u d i e d , a n dt h e o r e t i c a ld e s i g nm e t h o d c o n c e r n i n gr u n n e rs y s t e mi se x p o u n d e d , t h e no p t i m i z a t i o nd e s i g nf l o wo fr u l l r l e ra n d g a t ei sb r o u g h tf o r w a r d a tl a s t ，t h ef l o ws i m u l a t i o no f u p p e ra n dl o w e rc o v e ro f m o u s e i sc a r d e dt h r o u g h , t h ef i l la n a l y s eo fo r i g i n a ld e s i g ns c h e m ei sc a r r i e do u tw i 也 m o l d f l o ws o f e w a r e t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t si nd e t a i l ，t h ep r o b l e m s i nd e s i g na r ef o u n d , t h e r e b yt h ei n i t i a ld e s i g no f i n j e e t i o nm o l d i n gi so p t i m i z e d t h es t u d yr e s u l t si n d i c a t et h a tt h r o u g ha n a l y z i n gt h ec o m b i n e dc a v i t i e sm o l do f m o u w i t hc a es o f t w a r e ，s o m ed e f a u l t sa r ef o u n d ，s u c h 嬲i m b a l a n c ef l o w ( i m b a l a n c e r a t e = 1 6 4 ) , a s y r n m e t r yp r e s s u r ei nc a v i t i e s ，b i gl o c k e dm o l df o r c e , t h ea p p e a r a n c eo f a i rt r a p sa n dw e l dl i n e a f t e ro p t i m i z e db ym o l d f l o w , t h ep e r f e c tr e s u l ti sg o t , u n i f o r m f i l l ，b a l a n c ef l o w , f i l l i n gt h ec a v i t i e sf u l l ya tt h ef l a m et i m e t h ep r e s s u r ea tv ps w i t c h i l 江苏大学硕士学位论文 p o i mo fg a t ef e l ld o w nf r o m1 0 0 8 m p at o7 8 4 3 m p a , b i g g e s tl o c k e df o r c ed e c r e a s e d f r o m4 2 7 5 tt o2 5 5 8 t , a n dt h ef l a wo fa i rt r a p sa n dw e l dl i n ea r ec o n t r o l l e d r e a s o n a b l y t h i sp a p e r h a sp r a c t i c a lv a l u ef o rd e s i g n e ro f i n j e c t i o nm o l d i n g k e y w o r d 5 ：蝎e c t i o np l a s t i cm o l d ，c a e ，f l o ws i m u l a t i o n ，r u n n e rs y s t e m ，l o l d f l o w i i l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囤。 学位论文作者签名：文希叶 签字日期：争咿1 年，月，弓日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签 0 。j b 签字日期： 9 6 年1 瑚弓日 电话： 邮编： 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文储签名爿t1 日期：埘年陪月哆日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 模具是工业生产中的重要工艺装备，模具工业是国民经济各部门发展的重要 基础之一，对其他工业的发展起着十分重要的作用。模具设计水平的高低、加工 设备的好坏、制造能力的强弱、模具质量的优劣，直接影响着许多新产品的开发 和老产品的更新换代，影响着产品质量和经济效益的提高【1 1 。 近年来，我国各行业对模具工业的发展十分重视。特别在国家产业政策和与 之配套的一系列国家经济政策的支持和引导下，我国模具工业发展迅速，年均增 速为1 3 ，2 0 0 3 年我国模具产值达到4 5 0 亿人民币以上，按模具总量排名，中 国紧随日本、美国，位居世界第三，其中塑料模约占3 0 。在未来的市场模具 中，塑料模在模具中的比重还将迸一步增加。 为了在激烈市场竞争中处于有利位置，提高塑料模具的质量，缩短模具的设 计和制造周期，减少设计和生产成本，成为各个厂家的首要目标。随着计算机辅 助设计( c a d ) 与计算机辅助制造( c a l i ) 技术的发展及其在塑料模具设计中的应 用，逐步形成了以计算机模拟为手段，剖析塑料加工过程并完成模具优化设计的 计算机辅助工程( c a e ) 技术。 注塑模c a e 技术是以高性能计算机及图形显示设备的发展和使用为发展条 件，以计算力学中的边界元、有限元、结构优化设计及模态分析等方法为理论基 础的新技术。注塑模c a e 技术能预测注射成型时塑料熔体在模具型腔中的流动情 况及塑料制品在模具型腔内的冷却、固化过程，在模具制造之前就能发现设计中 存在的不足之处，改变了以往主要靠经验和直觉，通过反复试模、修模来修正设 计方案的传统设计方法。需要指出的是，目前的c a e 技术并不能完全代替人的创 造性工作，只能作为一种辅助工具帮助设计人员去判断设计方案是否合理，仍需 要通过反复的交互( 分析修改一再分析) 才能将设计人员的正确经验体现到设 计中去。近年来模具及塑料加工领域发展最快的是c a e 技术，它是塑料模制造业 创新的关键手段，且在实现创新的同时，提高了设计质量，降低了研究开发成本， 缩短了研究开发周期。因此，c a e 技术塑料模制造业的技术创新有重大影响，对 江苏大学硕士学位论文 国民经济的发展有积极的作用。 1 2 薄壳注塑成型概述 近年来，随着笔记本、移动电话、m p 3 等便携式电子产品生产的日新月异， 消费电子市场对更小、更轻，更紧凑的通讯电子设备的需求迅速增长，对便携性 的追求，已经使这类产品的生产正朝着轻量化、薄壁化、小型化方向发展，这使 得高功能薄壳设计变得尤为重要，同时也推动了这种新型注塑成型技术的产生。 薄壳化由于具有节约材料、降低成本等突出优点而成为各种注塑消费行业的追求 目标。薄壳成型得名于其所成型的对象，即薄壳制品，其确切的含义是用最小的 用料量，成型和常规制品具有相同的力学性能并能稳定可靠的完成自身功能的薄 壳制品，是传统注塑成型的极限状态。这里所说的薄壳是一个相对的概念，目前 按制品壁厚大小划分为三个范围：即2 3 2 m m 为常规制品；i 2 2 o m m 为类薄 壳制品；小于1 2 咖的为薄壳制品。薄壳制品由于成型中随着壁厚的减薄，塑料 熔体在模腔中的冷却速度加剧，在很短时间内就会固化。因此薄壳制品成型时， 必须充填时间很短，注射速度很高，并以很高的注射压力，把料温较高流动性好 的树脂材料，迅速压入型腔。这使得成型过程极为复杂，成型难度加大，这样给 注塑方法提出了高要求。薄壳注塑成型具有如下的优点【2 】： i 减轻制品重量，减小外形尺寸。便携式电子设备的发展趋势是更轻、更 薄、更紧密，产品外形日趋小型化。在个人数字助理、移动电话、笔记本电脑等 便携式产品的开发中，重量更轻、外形更小已经成为产品设计的重要目标之一。 2 节约材料，降低成本。薄壁化减小了壁厚，减小了外形尺寸，因而可以 节省大量的树脂材料，降低了产品的材料成本。对于计算机显示器外壳、打印机 外壳、传真机底座和冰箱蔬果盘等等大的塑料制品而言，材料往往占到成本的 5 0 以上，实施薄壁化设计对节约材料、降低成本更有意义。 3 缩短生产周期，加快循环时间，提高生产率。薄壳制品的生产周期比常 规制品要小得多，用于注射的时间很短，而薄壳制品本身具有薄壁冷却快特点， 这样整个成型周期都被缩短了。从而，单位时间内可生产更多的制品，大大提高 了生产率，同时也降低了生产成本。对于小而薄的制品而言，注塑机的费用可占 成本的9 0 ，因此缩短生产周期，提高生产率是非常有意义的。 4 更好的集成设计与装配。薄壳成型可以将一些小结构和大件一起一次性 2 江苏大学硕士学位论文 整体成型，增加了产品设计的空间和产品的集成度，减少了零件的个数，更便于 装配和节省时间，提高生产率。 5 提高产品质量。薄壁化可以减小凹模等表面缺陷，并使制品各处壁厚差 剔减小，缩小因厚度差别太大而引起的各向异性收缩。 1 3 注塑模c a e 的发展概况及发展趋势 1 3 1 注塑模c h e 的国内外发展概况 由于注塑模c a e 技术具有重要的实际意义，国外和国内的科研机构、高等 院校等都投入大量的人力、物力和财力进行研究。塑料注塑成型c h e 软件的发 展大概经历了四个阶段【3 1 。 1 7 0 年代以前，由于计算机条件的限制，对充模过程和冷却过程分析都是 采用一维模拟。早在1 9 6 0 年，t o o r 、b a l l m a n 和c o p p e r l 4 g t 先用数值方法计算 了熔体的充模过程，随后，许多研究者对一维流动进行了大量的研究巧j ，主要是 计算塑料熔体在等直径圆管、中心浇口的圆盘以及端部浇口的矩形型腔中的流 动过程。 2 7 0 年代中期到8 0 年代中期，随着计算机技术的发展，充模流动模拟和 冷却模拟采用二维模拟技术，在二维流动分析中，除数值流动模拟方法本身的 难点外，另外一个难点是对移动边界的处理，即如何确定新时刻的熔体流动前 沿位置。b o y e r 、g u t f i n g e r 和t a d m o r l 6 1 运用流动网格分析法f a n ( f l o wa n a l y s i s n e t w o r k ) 对二维等温流动进行了计算，并对保压、固化及分子取向问题进行了 有益的探索。h i e b e r 和s h e n l 刁将h e l e - - s h a w 流动推广到非牛顿流体的非等温流 动情况，得到了描述二维充模流动的数学模型，并采用有限元与有限差分混合 法求解。s h e n 还尝试了用边界元法求解上述问题。两位学者采用忱s ( m e s h e x p a n s i o ns c h e m e ) 确定流动前沿位置，并对其中的计算稳定性进行了研究。此 阶段也主要集中在二维问题，最早采用的方法是直接将一维传导方程扩展导二 维情形。此时，有限差分是主要的分析方法。 3 8 0 年代后期，开展了三维流动和冷却模拟研究，三维模拟主要采用两种 方法：其一，h i e b e r 与a g a s s a n t l 町采用流动路径法( f l o wp a t hs c h e m e ) 实现 江苏大学硕士学位论文 了对三维制件的流动分析。其二，v ，w w a n g 及h i e b e r 用有限元与有限差分混合 法，沿用h i e b e r 和s h e n 提出的数学模型，求解压力场、温度场和速度场。针 对三角形线性单元，定义了控制体积，并沿用f a n 法的基本思想，提出控制体 积法c v s ( c o n t r o lv o l u m es c h e m e ) 来确定熔体流动前沿位置。这一阶段，采 用边界元法对冷却过程进行了三维模拟分析。 4 9 0 年代以后，已将研究重点转向材料的粘弹性、负复杂三维模拟以及取 向、残余应力和固化现象的研究。另外，计算方法在双螺杆挤出、热成型、薄 膜吹塑、反应注射成型和气体辅助成型的工艺条件设定方面的应用也成为研究 热点。同时，为了提高c a e 系统的实用化程度，提高系统几何模型的生产速度， 进行了广泛地c a d c a e c a m 集成化研究，人工智能在c a e 中的应用也取得了一 系列的发展1 9 】。 我国注塑模c a e 技术的研究起步比较晚，至到8 0 年代后期才逐渐有研究成 果发表。早期的研究仅限于注塑模具c a d 系统和二维c a e 的研究，到9 0 年代受 国外引进的先进的注塑模具c a e 技术的影响，才开始复杂三维成型的c a e 研究。 华中理工大学是国内较早( 1 9 8 5 年) 自行研发注塑模具c a d c a e 系统的院校， 1 9 8 8 年开发了实现注塑模具c a d c a e 一体化的l i s c - i 0 系统，目前最新版本为 h s c - 3 0 。该系统建立了一个基于知识的注塑模缺陷诊断专家系统k b d d e s ，对常 见的注塑件缺陷及注射过程中的故障进行诊断，此软件智能化系统的实现使国产 软件整体水平有了很大的提高。上海交通大学从1 9 8 3 年起对注塑模具的计算机 应用进行了多层次的研究，并在国内首次把人工智能技术引入注塑模的c a d 系 统。1 9 8 7 年以来，郑州大学模具研究所一直致力于橡塑模具成型过程模拟及模 具优化设计软件z m o l d 的研究，该系统是目前国内处于领先水平的实用化、 商品化的橡塑模c a e 软件，可较准确地预测温度场、应力场、熔接线及气泡位置 1 0 l 。中国科技大学、浙江大学、东南大学也对注塑模c a e 技术进行了长期的研究， 获得了相应的研究成果并在生产中取得了良好的效果。经过各科研院所的十多年 不懈努力，我国的注塑模c a e 技术取锝了长足的进步，相关软件的国有化比重在 不断增加。但是目前国内自行开发的注塑模c a e 软件都是基于一定的平台基础 上，而自行开发的图形系统软件较少，没有统一的标准，开发系统的实用性和局 限性较大。因而，国产注塑模c a e 系统软件还不成熟，和国外的系统具有一定差 4 江苏大学硕士学位论文 距，有待进一步技术研究和完善【l l j 。 1 3 2 注塑模c e 的发展趋势 9 0 年代以来，注塑模c a e 技术从理论研究到实际应用取得了飞速的进步。 模型建立、数值方法上日趋完善，数学模型对成型过程的描述更准确、真樊1 2 1 1 3 j 【1 4 1 。注塑模c a e 技术的运用范围已经渗透到塑料模具的设计和制造的各个环节。 但是注塑模c a e 商品化软件的功能和精度还有一定的缺陷。例如，目前c a e 技术 不能代替人的创造性工作，只能作为一种辅助性工具帮助设计人员去判断设计方 案是否合理，需要通过反复交互( 分析一修改一分析) ，才能将设计人员的正确 方案体现到模具设计中去，而设计方案的确定在很大程度上仍依靠设计人员的经 验和水平。随着科学技术的进步和研究的深入，注塑模c a e 技术将得到进一步的 完善和提高，其发展趋势主要表现在如下几个方面： 1 注塑模c a e 软件的完善和模拟精度的研究 注塑模c a e 软件目前包括注塑流动模拟、保压模拟，冷却模拟、塑件应力及 翘曲模拟等。一方面，这些软件的数学模型及算法还有待进一步完善并扩大其适 应范围；另一方面，这些独立的分析软件还需要有机地结合起来，才能获得更为 符合实际情况的分析结果，这是因为在注塑过程中，流动与冷却、保压与冷却都 是交织在一起互相影响的。如熔体充模过程中，模壁温度的变化对塑料熔体的粘 度影响显著，如何使模温变化设置与周期性重复的注塑成型过程、流动充模过程、 以及制品成型顶出的全过程吻合，是模拟模型与模拟精度研究有待深入的问题。 另外，用三维有限元分析模型取代目前的二维有限元与有限差分的耦合算法，来 分析流动过程的压力场和温度场，也是日后注塑成型c a e 算法研究的发展趋势。 澳大利亚的m o l d f l o w 公司正致力于这方面的研究。注塑成型过程是个连续重复的 过程，将各独立的模块进行耦合计算分析，可以提高分析软件的模拟精度，扩大 适用范围。 2 智能化注塑模c a e 技术研究 在现有的c a e 技术上，优化就是反复的交互，最终设计方案的确定仍依靠设 计者的经验和技巧。将人工智能技术，如专家系统、神经网络等加入设计计算中， 使模拟程序能智能化地选择注塑工艺参数，提供修正制品尺寸、冷却管道布置方 案，减少人工对程序的干涉，改变目前c a e 分析仍被动依靠人的经验提供设计方 5 江苏大学硕士学位论文 案的局面，实现注塑工艺参数、浇注系统、冷却系统的自动优化设计，以达到注 塑c a e 技术应用的广泛性。 3 注塑模具c a d c a e c a m 的集成化研究 c a e 软件可以模拟塑料在不同工艺条件下注塑情况，从而确定其合理的注塑 条件，并对制品成型后的质量参数作出预测。工程技术人员利用c a e 软件可以对 注塑制件的各种性能进行全面分析，修改优化模具的设计参数和制造工艺。但是 目前出售的商品化c a e 软件与c a d 、c a m 软件之间的数据传递主要依靠文件的转 换，这容易造成数据的丢失和错误，使得c a e 图形处理工作加重，从而降低了工 作效率。因此在设计制造过程中采取单一的模型，建立c a d c a e c a m 系统的统 一数据库，加强三者之间的联系并最终实现“设计一仿真一制造”一体化是今后 的发展方向。 4 注塑成型新工艺及其模拟研究 随着注塑成型设备和成型工艺的不断发展，出现了气体辅助注塑成型的新工 艺。该工艺将注塑成型与结构发泡成型结合在一起，降低了模具型腔内熔体的压 力，所需注射压力下，制品成型后翘曲变形小，表面质量好，成型周期短。这项 工艺在日本、欧美已被广泛用于汽车和家电行业的塑料生产。气体辅助注射成型 比普通注射成型多了气体注射阶段，气体推动塑料熔体充满模具型腔，塑料熔体 在高压气体作用下的流变行为及其复杂且直接影响塑件能否成型以及成型制件 的质量和性能【1 5 1 【1 6 1 。因此，该新工艺对c a e 技术要求较高。目前，美国的c m 0 1 d 公司、澳大利亚的m l o d f l o w 等公司正在进行该类软件的研制开发工作切。 1 3 3 注塑模c a e 商品化软件 从8 0 年代开始，注塑模c a e 技术从实验室阶段进入了实用化阶段，目前国 际上具有代表性的商品化软件有【1 8 】： 1 美国a c - - t e c h 公司最新推出的注射模c a e 软件c - - m o l d 。该软件具有三 个层次的解决方案。第一层次的软件p r o c e s ss o l u t i o n 用于初始阶段的设计。 第二层次软件p r o d u c t i v i t ys o l u t i o n 包括三维流动模拟c f l o w 、三维冷却模 拟c - - c o o l 和保压分析软件c p a c k 。第三层的软件p e r f o r m a n c es o l u t i o n 基 于第二层的流动、保压、冷却分析结果，进行了纤维定向分析、塑料制品的应力 6 江苏大学硕士学位论文 和翘曲分析。 2 美国s d r c 公司的i d e a s 软件。该软件原为通用的机械c a d c a m 软件， 9 0 年代初，公司开发注射成型流动和冷却分析软件，并与i d e a s 集成，推出了 适合注射模的i d e a s 。 3 德国i k v 研究所的c a d c a e 软件c a d m o u l d 。该软件主要包括模具方案构 思与设计软件l a y o u t & d e s i g n 、二维流动模拟f l o wp a t t e r nl a y f l a t 、三维流 动分析m e f i s t o 、二维冷却分析t h e r m a ll a y o u t 和模具强度、刚度分析 m e c h a n i c a ll a y o u to fm o u l d s 等。 4 澳大利亚m o u l d f l o w 公司的注射模c a e 软件m f 。该软件包括流动模拟程 序( m f f 1 0 w ) 、冷却分析程序( m f c o o i ) 、翘曲分析程序( m f w a r p ) 和应力分 析程序( 盯s t r e s s ) 等。2 0 0 0 年4 月m o l d f l o w 公司收购了美国的a c - - t e c h 公 司，并与2 0 0 1 年发布了集m p l 2 0 和c - - m o l d 2 0 0 0 优点于一体的m p l 3 0 ，而后又 推出了m p l 4 0 。w p i 软件一直主导塑料注射成型c a e 软件市场，在世界上拥有较 多的用户。 此外，还有美国g r a f t e k 公司、p r i m e - c v 公司、p r i m e - c a l m a 公司、意大利 p & c 公司和英国的d e l t ac a m 公司的注射模设计制造软件包。 国内的高等院校和研究所对塑料成型模拟研究起步较晚，但是经过对国外软 件开发经验和技术的吸收和研究，也取得了一定的成果。如郑州大学模具研究所 的模具优化设计软件z - - m o l d ，华中理工大学模具技术国家重点实验室自行 开发的国内第一个注射模c a d c a e c a l i 集成系统h s c 2 0 。 塑料成型数值模拟技术在实际应用中取得了飞速发展，但是商品化的软件无 论在功能上还是精度上，还未达到尽善尽美的程度，如三维模拟，c a e 与c a d c a m 的集成，a u t o - c a e 的引入等都是今后的研究重点。 1 4 注塑模c a e 的研究意义和目的 长期以来，我国的注塑模具设计主要依靠设计者的经验和直觉，通过反复试 模、修模修正设计方案，缺乏科学依据，具有较大的盲目性，不仅使模具的生产 周期加长、成本变高( 如图1 1 ) ，而且质量也难以保证。对于大型精密、薄壳 注塑、新结构产品，问题就更加突出。随着塑料制品应用日益广泛，传统的注塑 7 江苏大学硕士学位论文 模具的生产方式不能满足现代社会发展对塑料制品产量、质量、产品更新换代的 需求1 1 9 1 。 概 产 模开试生 念 叩 具 设 _ 设 - - d 设 - p 摸 - i d 产 计计计 模 丁丌丌丌r ic 。f 掣捃枷e n g i n 搿】丑g ( c 田 图1 1 传统设计流程图1 2c a e 开发流程 注塑模c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 是根据塑料加工流变学和传热 学的基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中的流动、传热的物理数学模型，利用 数值计算理论构造其求解方法，利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、直 观地模拟出在实际注塑成型过程中熔体的动态填充、保压、冷却过程，定量的给 出成型过程的状态参数( 如压力、温度、速度等) p o 。这样以来，设计人员结合 注射模c a e 来进行模具的设计( 如图1 2 ) ，可以使设计人员避免设计中的盲目 性，使工程技术人员在模具加工前完成试模工作，也可以使生产操作人员预测工 艺参数对制品外观和性能的影响。注塑模c a e 技术的应用所带来的直接好处是直 观反映充模过程，减少试模，修模次数和模具报废率，缩短模具开发周期，降低 模具开发成本，并提高了模具的质量。 总之，设计人员和生产人员可利用注塑模c a e 技术有目的地修改设计方案和 工艺条件，克服因经验少、设计失误所带来的不良后果，把更多的精力用在新产 品和新工艺的研究上，以适应日益激烈的市场竞争。因此，近年来模具及塑料加 工领域发展最快的是c a e 技术，通过对成型加工过程进行数值模拟，研究加工条 件的变化规律，预测制品的结构及其性能，选择制品、模具设计及工艺条件的最 优方案，使塑料成型加工从一项实用技术变为- - f l 应用科学【2 ”。 1 5 本文主要研究内容 模具设计人员利用注塑模c a e 技术进行有目的地修改设计方案，克服因经验 少、工作疏漏而造成的设计缺陷，避免设计的盲目性，并在模具加工前完成试模 8 江苏大学硕士学位论文 工作，为优化模具设计并最终获得质量理想的塑料制品提供了科学依据和设计分 析手段。本文主要研究c a e 技术在薄壳件注塑成型浇注系统设计中的应用，通过 流动模拟分析来优化设计方案。 1 简要阐述了薄壳注塑技术，从粘性流体运动的基本定律出发，结合薄壳 注塑成型特点，根据合理的假设和简化，建立薄壳注塑成型过程中塑料熔体充填 流动的数学模型，并选择合适的计算方法对数学模型进行数值求解。 2 由于浇注系统设计是否合理在薄壳注塑成型中起着极其重要的作用，将 重点研究c a e 技术在浇注系统设计中的应用；阐述流道设计的理论计算方法，包 括平衡布置流道系统和非平衡布置流道系统，合理确定各分支流道的截面形状、 尺寸；阐述浇口优化设计的相关准则，包括浇口的类型选择，数量及位置的确定； 提出流道和浇口优化设计流程，以具体实例分别验证c a e 技术在流道和浇口设 计中的作用。 3 对典型薄壳注塑件进行充填流动模拟实验研究，通过一个具体的实例探 讨如何运用m o l d f l o w 软件进行最佳浇注系统设计的一般过程和步骤，从而详细 介绍m o l d f l o w 软件在薄壳注塑件模具浇注系统设计中的作用和方法，体现出注 塑模c a e 技术的优越性。 文章的结构图如下( 图1 3 ) ； 绪论 图1 3 本文结构流程图 9 江苏大学硕士学位论文 第二章薄壳注塑成型充填过程的数值模拟理论 本章从流体力学的基本理论出发，在对充填机理分析的基础上，根据薄壳 注塑成型熔体充填流动的特点，视聚合物熔体在薄壁型腔中的流动行为为非牛 顿、非弹性流体在非等温状态下的h e l e s h a w 流动，引入合理的假设和简化， 建立了描述塑料熔体充填流动的数学模型，确定以有限元有限差分控制体积法 作为模型的数值求解方法，对薄壳成型充填过程的压力场、温度场和移动边界进 行求解，建立注射成型三维流动分析的数学模型。 2 1 塑料熔体充模时的流动描述 塑料熔体在充模过程中分为三个阶段。充填阶段，充填型腔容积；加压阶段， 加强型腔中的压力；补偿阶段，添加额外的材料以减小体积收缩。 在填充过程中，被塑化的高温塑料熔体从注射装置的喷嘴流出并且流经主流 道、流道系统和浇口而注入模具型腔中。每一个模具的结构单元都将影响到整个 充模过程的流动行为。主流道是塑料熔体进入型腔的总入口区，对流道不应产生 大的阻力，同时主流道中的熔体在注射完成后应很快地凝固起来。流道系统的作 用是把热熔体输送到模腔中，并避免过早凝固和缺料。浇口控制着熔体向型腔的 流动，它的尺寸、形状和位置都直接影响着熔体在型腔内的填充状况。 在适当的流率下，充模状态是一种有序的向前流动。根据流动前沿的运动特 性，这种流动可分为浇口区、全展区、前沿区三个阶段( 如图2 1 ) 。见图( b ) ， a 区域为浇口区，该区在充模开始时占支配地位，流动是径向的，前沿形状呈圆 弧状。当熔体向前推进时，它的作用变小。b 区域是“全展区”，塑料熔体以几 乎完全展开的形式在薄腔中流动，对于等温充模，流动前沿是平的，对于非等温 充模，前沿呈曲线型。c 区域是前沿区，熔体前沿呈“喷泉状”，熔体的前缘由 于与冷空气接触，则形成了一个粘度较高的前缘膜。由于该膜的存在，使熔体交 替发生以下两个过程：一是受到前沿面的阻止，熔体不能直线向前流动而转向模 壁方向；二是后面的熔体冲破前沿膜形成新的前沿膜。泉涌流动对于反应注射、 纤维增强注射以及分子取向研究至关重要，但如果流动分析的目的是估计熔体前 1 0 江苏大学硕士学位论文 沿位置，估计一些充模特征( 如充模时间、型腔压力等) ，可以忽略这种局部效 应【竭。 魏 、 ( q ) ab c ( b ) 图2 1 终端浇口矩形模腔充模期间流型示意图 当热的塑料熔体与模壁接触时会在型腔表面形成冷凝层，熔体被夹在冷凝层 之间。冷凝层的存在会改变熔体在型腔内流动的截面积并增大流动阻力，在一些 特殊情况下，这部分熔体还可能完全冷却而引起短射。当制品采用多浇口或有孔、 嵌件时，熔体在模具内发生两个方向以上流动，在两股料流汇集处就形成了熔接 线。熔接线的性质是由熔体流动前沿的流变状态、分子聚集态结构以及纤维取向 所决定的。凡影响分子链缠结、结晶取向和分子热作用的因素都会影响到熔接线 强度。 2 2 充模过程塑料熔体的流变学粘度模型 在充模流动过程中，塑料熔体经历了不同的压力、温度和剪切速率的变化过 程，要完全的描述加工条件的变化对流动性质的影响，就必须知道在各种条件下 ( 温度、压力、剪切速率) 的塑料的特性。虽然我们能够测量一定条件下的这些 数据，但是无法测量所有条件下的数据。解决途径是建立能描述一般条件下材料 特性的粘度模型，然后从有限的实验中确定模型参数，并将它们应用到其他条件 中。 绝大多数塑料熔体属于非牛顿流体，其剪切粘度随着剪切速率的增大而减 江苏大学硕士学位论文 小，表现出“剪切变稀”的流变特性( 如图2 2 ) 高聚物熔体的流动曲线可以划 分为3 个区：第一牛顿区、假塑性区和第二牛顿区。第一牛顿区，粘度恒定而且 最大，称为最大牛顿粘度，记为。确切地说，它是低剪切速率下的粘度向剪切 图2 2 高聚物熔体流动曲线( f 一户图) 速率为零外推得到的极限值，所以又称作零剪切速率。在假塑性区，粘度随剪切 速率呈幂律变化。在第二牛顿区，熔体粘度再次恒定并且具有最小值，称为最小 牛顿粘度或无穷剪切粘度，记为巩。虽然目前尚无确切反映非牛顿塑料熔体本 质的流变学公式，但可以用一些简化模型来表征。目前常用的粘度模型有； i 幂律模型 叩( 户，丁) = m ( r ) 广_ 1 ( 2 1 ) m ( r ) = a e x p ( r o r ) = m o g ( t ) ( 2 2 ) 其中节为流动指数，a ，乃为材料常数。采用对数可以得到如下公式： l n ，7 = l n m o + l n g ( r ) + ( ”一1 ) l i l 户 ( 2 3 ) 在对数坐标系中，l i l ，7 和l i l 户呈直线关系，斜率为以一l ，它可以描述在高剪 切速率下熔体的流变行为。它的缺点是无法描述低剪切速率时的熔体粘度，特别 是零剪切速率时的流变行为。考虑到充模阶段熔体通常具有比较高的剪切速率， 此模型在充模流动分析中仍被广泛应用。 2 二次幂律模型 在幂律模型的基础上，我们引入了二次幂律模型，它改进了传统的幂律模型 江苏大学硕士学位论文 无法描述低剪切速率时的粘度特性，其对数形式如下： h ，7 = c o + c i k ( 户) + c 2 l n ( 尹2 ) + c 3 l n ( 户) + c 4 r + g r 2 ( 2 4 ) 其中c l 反映了“剪切变稀”的特征，c 4 反映了粘度随温度指数衰减效应( g o 础= 1o 如呆d c r r o 则差分表示 产f 艺 ( 譬o tv 铣川= 翕军础募以擀n 雠忆加 其中d = 2 ，3 ，札) ( 2 4 4 ) 硝，砖是单元面积坐标中的参数，在模壁处，所有单元热对流项为零。 3 粘性热项 形2 泵船，= 妨莩鹳匕a 尹( q ( ：，2 ，也+ ) c 2 a s ， 对每个节点写出式，代入相应的温度控制方程，得到以各计算点的温度为未知量 的方程组，从而获得温度场嗍。 江苏大学硕士学位论文 2 5 熔体前锋面位置的确定 模具充填过程是一个瞬态过程，熔体前沿随时问向前推进，上节给出的充填 控制方程都是针对于熔体区域的，因此需要确定任一时刻熔体的自由界面。则流 动分析的另一个难点就是运动边界的确定，即熔体前锋面的确定。熔体在模腔内 的流动是非稳态过程，熔体前沿位置随时间变化。需要确定某一时刻熔体的前沿 位置，才能求解该时刻的压力场和温度场。一种方便确定的熔体前沿位置方法是 控制体积法。控制体积是由具有一定厚度的有限元网格得到的多边形体积，这个 多边形是用直线连接三角形单元边的中点和三角形质心而形成的区域，如图2 7 区，充填一个控制体积的时间依赖于流动阻力如单元的厚度和流动速率【2 5 l 。 图2 7 控制体积 每一个有限元网格的节点确定乐一个控制体积，控制体积总的数量等于模型 的体积。经过这样处理后，每一个三角形内部节点均被一个多变形控制体积所包 围。基于f a n 思想，引入标量，( 厂= v 卅v , v 、分别表示控制体积的体积和该 控制体积已被熔体填充的体积) 对每一个控制体积进行标志，如图2 8 所示： ，= 1o j ， 1，= 0 图2 8 熔体前锋面位置 1 定义入口控制体积的厂值为l ，即分析开始时，便认为进料1 ：3 处的控制 体积是充满的； 江苏大学硕士学位论文 2 凡已被熔体充满的体积，厂值为1 ； 3 尚未被熔体充满的控制体积为前沿控制体积。显然，前沿控制体积的厂值 介于o l 之间，值的大小直接反映了控制体积的充满程度。根据每一时刻熔 体的前沿位置和流量，分别计算每一个前沿控制体积需要充满的时间，取最短的 时间为当前时间步长，则在下一时刻，必须有一个前沿控制体积被熔体充满，与 其相邻的各个控制体积将变为新的前沿控制体积。如此下去，直至整个模腔被完 全充满。 4 定义熔体尚未流入的控制体积的厂值为0 。 控制体积法的优点是能自动处理熔体于模腔壁的接触问题及熔接线问题。缺 点是熔体的前沿位置的形状受网格划分的影响，网格必须细分才能获得高精度分 析结果，这就对网格划分提出了较高的要求。 2 6 流动充模的数值计算流程 注射成型流动有限元