（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟现实的注塑模工作过程仿真.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 随着工业技术的发展，产品对模具的要求越来越高。传统的模具设计与制造方法不 能适应工业产品及时更新换代和提高质量的要求。c a e 技术是一门以c a d c a m 技术 水平的提高为发展动力，以高性能计算机及图形显示设备的推出为发展条件，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。 本文利用计算机辅助工程分析( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ，c a e ) 方法进行注塑模 工作过程仿真。以有限元、有限差分和注塑成型理论为基础，以计算机及其外部设备为 工具，迅速完成计算各种模具型腔尺寸、平衡流道系统、仿真聚合物熔体的注射充模和 冷却过程。能在注塑模具制造之前，预测塑料熔体充模过程的流动状态，分析模具设计 的参数是否合理，以便尽早发现设计中存在的潜在的问题并进行修正。由此来减少试模 和修模的过程，缩短制造周期，降低成本。以往计算机仿真注塑模工作过程分析的后置 处理结果只能以简单的图表或单一的等时图、等温图和等压图表示，不利于模具设计人 员的分析和计算。鉴于此，本文重点对后置处理结果做进一步的处理，将聚合物熔体的 填充过程的等温图与等压图按时序动态显示，使模具设计人员对填充过程的实现有较强 的真实感、沉浸感，实现注塑模工作过程的虚拟现实。这不仅给模具设计人员对后置结 果分析上带来了方便。更重要的是给设计人员提供了更多更准确地设计分析依据，发现 隐藏的潜在问题，节省了设计人员对简单图表的分析时间和分析难度。使模具设计的更 加优化，对于企业的新产品开发有着巨大的经济效益。 关键词：虚拟现实：注塑模；有限元；仿真 达堕三些查兰堡主堂垡塑 i n j e c t i o nm o u l dw o r k i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nb a s e do n v i r t u a l r e a l i t y a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f i n d t s t r i a lt e c h n o l o g y , t h e r e q u i r e m e n t f o rm o u l di sn 】o f ea n dm o r e p r e c i s e t h e 缸a d i f i o n a lm o u l dd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gm e t h o dd o n ta d a p tt ou p d a t ea n d i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t o f q u a n t i t yo f i n d u s t r i a lp r o d u c t c a et e c h n o l o g yi san e w t e c h n o l o g y t h a ti st a k e n i n c r e a s i n go f c a d c a mt e c h n i c a ll e v e la sd e v e l o p m e n t p o w e r , t h a ti st a k e nh i 曲 p e r f o r m a n c ec o m p u t e r a n d g r a p h i c a ld i s p l a ye q u i p m e n t 嚣d e v e l o p m e n tc o n d i t i o n , t h a ti st a k e n b o = d a r y e l e m e n t ，f i r f i t ee l e m e n t , s l r u c m m ld e s i g no p t i m i z a t i o no nc a l c u l a t i v em e c h a n i c sa n d m o d a l a n a l y s i sm e t h o d e t c a sr a t i o n a l e 两e c t i o nm o u l dw o r k i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nb ym e a l l so fc o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n gi s p r e c e d e d i nt h e p a p e r o nb a s eo f f i n i t ee l e m e n t , f m i t ed i f f e r e n c ea n di n j e c t i o nf o r m i n gt h e o r y ， b y m e a l _ l so f c o m p u t e ra n di t se x t e r i o rd e v i c ea n d q u i c k l yc o m p l e t i o n o f c a l c u l a t i o no f a l lk i n d s o fm o u l dc a v i t ys i z e s ，b a l a n c el - i l r l l e r s y s t e m , s i m u l a t i n ga n dc o o l i n gp r o c e s s , b e f o r e 诃e c t m o u l di sm a d e ，r u n n i n gs t a t u so fm e l t d o w nf i l l i n gm o u l d c a v i t yi sp r e d i c t e d w h e t h e rm o l d d e s i g np a r a m e t e r s a l er e a s o n a b l ei sa n a l y z e da n d p o t e n t i a lp r o b l e m s i sf o u n do u ta n da m e n d e d a se a r l y 笛p o s s i b l e b yt h a tt i m e so ft r i a lm o u l di sr e d u c e da n dm o u l di sf i x e d n e w p r o d u c t d e v e l o p m e n tc y c l ei ss h o r t e n e da n dp r o d u c i n gc o s ti sr e d u c e d o nt h ep r o b l e mt h a tt h ep o s t p r o c e s s i n gr e s u l t s o fc o m p u t e rs i m u l a t i o n a n a l y s i s o i l i n j e c tm o u l dw o r k i n gp r o c e s sa r e s i m p l ei nt h ep a s t , s u c h 鹊e q u i v a l e n t t i m ef i g u r e ，i s o t h e m a a lf i g u r e ，i s o b a r i cf i g u r e ，w h i c ha r e d i s a d v a n t a g eo fm o u l dd e s i g n , p o s tp r o c e s s i n gr e s u l t sw e 把p r o c e s sf u r t h e ri nt h ep a p e r t h e r e s u l t so f i s o t h e r m a lf i g u r ea n di s o b a r i cf i g u r ea 地b a s e do nt i m ea n dt h er e s u l t so f d y n a m i c a l l y f i l l i n gm o u l dc a v i t ya r ed i s p l a y e d r e a l i s t i cs e n s ea n d i m m e r s i o n 搿m s ew e r ef e l to nm e l t d o w n f i l l i n gm o u l dc a v i t y v i r t u a lr e a l i t y w a sr e a l i z e do n i n j 毹o n m o u l dw o r k i n g p r o c e s s s i m u l a t i o n t h ek i n do fr e s u l t si sc o n v e n i e n tt od e v e l o p e rt od e s i g na n da n a l y s i sa n dt of i n do u tm o r e p o t e n t i a lp r o b l e m s a n a l y a c a ll i m ea n da m a y a c a ld i 母嘶w a s r e d u c e do nf i g u r e s m o u l d d e s i g n c a s ci sm o r er e a s o n a b l ea n dt h em e t h o dt a k ea na d v a n t a g eo f n e w p r o d u c td e v e l o p e d a n d b r i n g e c o n o m i cu t i l i t y k e y w o r d s ：v i r t u a l r e a l i t y ：i n j e c t i o nm o u l d ：矗n n e e l e m e n t ：s i m u a f i o n 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 躲仓艇嗍2 0 0 3 , ；, 3 - 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 弛金砬签名：业h 雌 7 护0 3 3 f 沈阳工业大学硕士学位论文 引言 我国塑料模具的设计与制造目前主要依赖设计人员的经验和工业人员的技巧，塑料 制品的构思完成后需制作实体模型以评估其外观、测定其性能。此外，若仅凭直觉和 经验设计模具，往往需要多次试模和修正，才能使模具生产出合格的塑料制品。这不仅 难以保证模具的质量，而且使模具的设计与制造周期长、成本高，特别对大型、精密、 复杂的中高档模具，问题更为突出。本文采用计算机辅助分析( c a e ) 方法进行注塑模 工作过程仿真。以往计算枫仿真注塑模工作过程分析的后置处理结果以简单的图表表 示，不利于模具设计人员的分析和计算，本文对后置处理结果做进一步的处理，以期达 到模具设计人员对填充过程的实现有较强的真实感、沉浸感，实现注塑模工作过程的虚 拟现实。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 注塑成形c a e 技术是根据高分子流变学、弹性力学和计算机技术，采用有限元计 算方法来模拟整个注塑过程及这一过程对注塑成形产品质量的影响，他可以模拟塑料制 品在注塑成形过程中的流动、保压和冷却过程以及预钡4 制品中的应力分布、分子取向、 收缩和翘曲变形等，帮助设计人员及早发现问题，及时修改模具设计，提高一次试模成 功率，帮助企业缩短产品上市周期，增强市场竞争能力。 1 1c a e 技术的发展与现状 c a e 技术始于1 9 4 3 年，随着有限元理论的逐步成熟及计算机硬件的迅速发展， c a e 技术经历了6 0 年代探索、7 0 8 0 年代发展、9 0 年代成熟三个阶斟”。 6 0 年代，有限元理论尚处于发展阶段，c a e 技术主要解决结构强度、刚度及模态 实验和分析闯题，当时针对计算机计算速度慢的特点进行计算方法的改进。在商业需求 的推动下，成立了世界三大主要c a e 公司：m s c 、s d r c 公司、a n s y s 公司。 7 0 一8 0 年代，随着计算机硬件设备的提高，c a e 软件的计算的精度、速度大幅度 提升是c a e 技术蓬勃发展的阶段。有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很 大的成功，并出现了许多著名的软件： n a s t r a n 、m o l d f l o w 、i d e a s 、 a b a q u s 、a s k a 、m a r c 等。 进入9 0 年代，c a e 、c a d 、c a m 等技术相辅相成共同发展良好的接口及前后置 处理功能为c a e 技术的推广应用打下了坚实的基础。c a e 、c a d 软件开发者为避免重 复劳动高效率，努力实现了c a d 、c a e 之间几何模型的共享，使c a e 技术涉及的领 域越来越宽。如今的c a e 软件己处于商品化时代，是信息产业的一个重要组成部分。 对工程和制造业的技术创新有重大影响，对国民经济的发展有积极的作用。 目前已有不少国内外公司出售商品化的流动模拟软件，如美国公司的a c - t e c h 公 司的c - f l o w ，澳大利亚的m o l d f l o w 、意大利的f a 、德国的m o u l d c a d 等。 2 沈阳工业大学硕士学位论文 图1 1 计算机辅助设计制造模具的过程 修 改 修 改 我国模具c a d c a e c a m 的开发始于7 0 年代末，发展也很迅速。有精冲模、普通 冲裁模、辊锻模、锤模和注塑模等c a d c a e c a m 等系统。国内比较著名的软件有郑 州工业大学橡塑模具国家工程研究中心研制的注塑模计算机辅助工程软件z - m o l d ，包 3 沈阳工业大学硕士学位论文 含前置处理、后置处理、初始设计、流动分析、简易流动分析、保压分析、冷却分析7 个模块。该系统在v s u a l c + + 软件开发环境下用c 语言编程。可在p c 5 8 6 以上机器下 运行。还有华中理工大学也研制成功h - f o l w ，并运用到生产中。但所生成的结果都是 静态的图表，结果比较单一。 c a d c a e c a m 的集成化从根本上改变了传统的模具生产方式。图1 1 【2 坦示了计 算机辅助设计制造模具的过程。采用几何造型技术，注塑产品一般不必进行原型试验， 制品形状能逼真地显示在计算机屏幕上，并能借助于有限元分析软件对制品的力学性能 进行预测。借助于c a d 软件，自动绘图代替了人工绘图，自动检索代替了手册查阅， 快速分析代替了手工计算。模具设计师能从繁冗的绘图和计算中解放出来，集中精力从 事诸如方案构思和结构优化等创造性的工作。 c a e 软件可以预测成型工艺及模具结构等有关参数的正确性。例如，可以采用流 动模拟软件来考察塑料熔体在模具型腔内的流动过程以及凝固过程和模温的变化，预测 制品出模后的变形和翘曲。，以此改进流道系统的设计和模具的冷却系统，并调整注射 成型工艺参数，提高制品的质量和试模的成功率。 借助c m 软件，模具型腔的几何数据能交互地转化为机床刀具的曲面运动轨迹， 进而生成数控加工指令，提高模具型腔表面的加工精度和效率。 1 2 m o l d i 蜊技术 传统的注塑模具设计主要依靠设计人员的直觉和经验，模具设计加工完后往往需要 经过调试与修正才能正式投入生产，发现问题后，不仅耍重新调整工艺参数，甚至要修 改塑料制品和模具，这种生产方式降低了新产品的开发速度。利用m o l d f l o w 件在 模具加工之前，计算机对整个注塑成形过程进行模拟分折，包括填充、保压、冷却、翘 曲、纤维取向、结构应力、收缩以及气辅成形和热固性材料流动分析，找出可能出现的 缺陷，提高一次试模的成功率，以达到降低生产成本、缩短生产周期的目的。 4 沈阳工业大学硕士学位论文 1 2 1 优化塑料制品设计 塑件的壁厚、浇口数量、位置及流道系统设计等对于塑料制品的成败和质量关系重 大。以往全凭制品设计人员的经验来设计，往往费力、费时，设计出的制品也不尽合 理。利用m o l d f l o w 软件，可以快速的设计出最佳的塑料制品。 1 2 2 优化塑料模设计 由于塑料制品的多样性、复杂性和设计人员经验的局限性，传统的模具设计往往要 经过反复试模、修模才能成功。利用m o l d f l o w 软件，可以对型腔尺寸、浇口位置 及尺寸、流道尺寸和冷却系统等进行优化设计，在计算机上进行试模、修模，可大大提 高模具质量，减少试模次数。 1 2 3 优化注塑工艺参数 由于经验的局限性，工程技术人员很难精确地设置制品最合理的加工参数，选择合 适的塑料材料和确定最优的工艺方案。m o l d f l o w 软件可以帮助工程技术人员确定最 佳的注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力和保压时间、冷却 时间等，以注塑出最佳的塑料制品来。 1 3 影响注射塑料膜具设计的因素 模具的设计是一项综合性极强的工程，影响注射塑料膜具设计成功与否的因素是多 方面的，其中主要因素有以下四个方面： 1 3 1 1 注射机 包括注射量、注射压力、锬模力、剐度及其顶出系统。 1 3 1 2 模具结构 包括流道系统、成型部件、顶出系统和冷却系统等。 1 3 1 3 操作条件 包括时间、温度、压力三要素。 1 3 1 4 材料特性 包括塑料的粘度、结晶性、添加剂、冷却介质等。 5 沈阳工业大学硕士学位论文 真正高精度、高质量的模具是在正确分析以上各因素的相关性，平衡各方面技术参 数的前提下完成设计，并通过精密机械加工而实现的。 1 4 研究的目的和意义 1 4 1 研究目的 本文研究的目的是应用c a e 技术，通过计算机模拟塑料熔体的充模、压实和冷却 等过程，以预测模具设计、材料特性、注塑工艺条件以及热传递之间的互动关系，确认 各个参数对于最终塑件产生的质量影响，发现潜在的或已经存在的问题，作出修正设计 的建议，从而避免多次试模和修模的过程。以往计算机仿真注塑模具填充流动分析的后 置处理结果只能以简单的图表或单一的等时图、等温图和等压图表示，不利于模具设计 人员的分析和计算。本文重点对后置处理结果做进一步的处理，将等温图与等压图的结 果以时序为基础动态显示聚合物熔体的填充过程，以期达到模具设计人员对填充过程的 实现有较强的真实感、沉浸感，实现注塑模工作过程的虚拟现实。 1 4 2 研究的意义 本文通过改善分析后置处理结果实现注塑模工作过程的虚拟现实。这不仅给模具设 计人员对后置结果分析上带来了方便。更重要的是给设计人员提供了更多更准确地设计 分析依据，发现更隐藏的潜在问题，节省了设计人员对简单图表的分析时间和分析难 度。使模具设计的更加优化。模具设计人员从繁重的重复劳动中解脱出来能有较多的时 间从事创造性地工作。对于减少模具返修报废，提高塑料制品质量有着重大的经济意 义。 1 5 模具c a e 技术 c a e 技术是- r 以c a d c a m 技术水平的提高为发展动力，以高性能计算机及图 形显示设备的推出为发展条件，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p j 。 - c a e 技术的基本方法。就是将某一项设计或者加工作为初值，然后通过计算机利 用预先规定的方法对具备这特点的设计进行模拟和 茵述。经过计算机的快速运算，对 6 沈阳工业大学硕士学位论文 输入条件和模拟的模型进行评估，并确定修正措施，进行修正。上述过程反复进行，直 到取得一个成功的设计方案。 注塑成型时，塑料在型腔中的流动和成型，与材料的性能、塑件的形状尺寸、成 型温度、成型速度、成型压力、成型时间、模腔表面情况和模具设计等一系列因素有 关。因此要制造一个形状复杂、质量和精度要求较高的塑件模具，具有丰富经验的工艺 和模具设计人员，也很难保证一次设计出来的模具就能生产出合格产品。生产实际表明 在模具制造过程中，常常需要经过多次调试和修改模具，有时甚至还需要在总结试验数 据的基础上重新进行模具设计。这样势必会使模具的试制费用加大，试制周期延长，增 加产品成本，影响产品的更新换代。而应用c a e 技术可以使新设计的塑件和模具一次 试模成功率得到了提高，解决诸如塑件翘曲变形、尺寸不稳定和模具加工周期长等问 题，并降低加工成本。 随着计算机技术与注塑成型理论的发展，一些从事注塑成型的研究人员，正在大 力研究注塑成型过程的计算机模拟，即将塑传在模腔中的成型过程划分为若干步，应用 数学模型或有限元法等理论分析方法，对每一步在塑件中的应力、应变和温度分布等进 行分析计算，直到塑件最终成型为止，以检查工艺方案和模具结构参数和是否合理。每 次分析计算的结果既可以在屏幕上显示，也可以将全部数据打印出来。若设计者对这一 方案尚不满意，便可修改工艺方案和模具的结构参数，重新进行分析计算，直到满意为 止。这样，就有可能利用计算机模拟技术，进行工艺和模具的优化设计，从而节省试验 费用，缩短工艺和模具设计周期。 1 6 横具c a d c a e c a m 的优越陛 1 6 1 提高模具的质量。 在计算机系统内存储了各有关专业综合性技术知识，为模具设计和工艺的制定提供 了科学的依据。计算机与设计人员交互作用，有利于发挥人机各自的特长，使模具设计 和制造工艺更加合理化。系统采用的优化设计方法有助于某些工艺参数和模具结构的优 化。 7 沈阳工业大学硕士学位论文 1 6 2 节省时闫，提高生产率。 由于模具制造精度提高。模具的可靠性增加，试模次数和装修时间明显减少。计算 机的高速运算和绘图杌的自动工作节省了劳动力，优化设计带来了原材料的节省。计算 机辅助设计模具使生产准备时间缩短，加快了产品的更新换代，从而使产品的竞争能力 加强。 1 6 3 有效地利用有限的人才姿源让其可以从事更多的创造性劳动。 将设计者从繁冗的计算和绘图工作中解放出来，使其可以从事更多的创造性劳动。 模其设计中绘图王作在全部工作量中占糖当大的比重，计算机辅助设计模具时，这部分 工作由计算机完成，产生的效益十分显著。 1 6 4 有利于技术资料储备，价值提高。 1 7 模具c a d c a e c a m 技术发展趋势 1 7 1 集成化 计算机集成寿8 造系统一般由技术信息系统、制造自动化系统和管理信息系统 组成，c a d c a e c a m 系统为技术信息系统的主要部分。8 0 年代后期，并行工程 的方法受至l 工业界的广泛重视，将对c a d c a e c a m 技术的发展产生重大影响嘲。 1 7 2 微型化 c a d c a e c a m 系统趋向于采用超级微型计算机，其功能也不断扩大和完 善。 1 7 3网络化 微型计算枫c a d c a e c a m 发展的一条主要途径是网络化t 由予微型计算枫 价格低廉，功能较强。可将多台微机连接成分布式c a d c a e c a m 系统，来解决 更为复杂的阏题。通过矾髓溉互联网达至g 信息共享，形成动态联盟。 8 沈阳工业大学硕士学位论文 1 7 4智能化 目前c a d c a e c a m 技术是以数值计算为基础。他能胜任繁杂的计算、分 析和绘图。近年来涌现出的一批注射成型专家系统和智能化程序标志着注塑模技术 向注射成型智能化迈出可喜的一步。 1 7 5最优化 开发塑料成型过程的计算机模拟及优化设计程序是勰决模具可靠性问题的重 要途径。 1 7 6新型化 用于新型外部设备不断地推陈出新。如光栅扫描显示器，图形输入装置、声 音识别统治、视觉追踪装置等都在迅速更新和发展。 1 8 虚拟现实 近年来，虚拟现实( v i r t u a lr e a i t y ) 技术被越来越多地应用于科学研究，已逐渐被 认为是重要的科学探索工具。利用这项技术，在新产品、新计划或新概念还远没有成为 现实之前，人们就能够以较为现实的方式对其进行观察和探索。从这个意义上讲，虚拟 现实技术是一种非常独特的技术，很难有别的技术可以取而代之。虚拟设计正是这项技 术在机械产品设计方面的一个应用 s i 。 1 8 1 虚拟现实技术的概念 虚拟现实技术正处于探索和发展时期，随着人们对这项技术认识的提高，虚拟现实 的概念也在不断改变。虚拟现实技术是人的想象力和计算机多媒体技术等相结合而产生 的一项综合技术。他利用多媒体计算机仿真技术构成一种特殊环境，用户可以通过各种 传感系统与这种环境进行自然交互，从而体验比现实世界更为丰富的感受。 1 8 2 虚拟现实系统的特征 虚拟现实系统不同于一般的计算机绘图系统，也不同于一般的模拟仿真系统，他不 仅能让用户真实地看到一个环境。而且能让用户感到这个环境的存在，并能和这个环境 进行交互。具有以下特征： - 9 沈阳工业大学硕士学位论文 1 8 2 1 自主性 在虚拟环境中，对象的行为是自主的，是由程序自动完成的，要让操作者感到虚拟 环境中的各种生物是有“有生命的”和“自由的”，而各种非生物是“可操作的”，其 行为符合各种物理规律。 1 8 2 2 交互性 在虚拟环境中，操作者能够对虚拟环境中的生物及非生物进行操作，并且操作的结 果能反过来被操作者准确地、真实地感到。 1 8 2 3 沉浸感 在虚拟环境中，操作者应该能很好地感觉各种不同的感受，沉浸感的强弱与虚拟表 达的详细度、准确度、真实度有密不可分的关系。 本文对流体充模的后置处理结果做进一步处理，将不同时刻的流体前沿温度图按填 充时序组合起来，形成一组连续的动态图像，已达到虚拟现实的结果。对流体填充过程 有一个较为透彻的分析预测。大大的节省了模具设计人员的设计时间。 2 注塑成型流动仿真理论 2 1 一维流动分析 所谓注塑成型的一维流动，是指塑料熔体流动过程的速度场可用单方向的流速来 表征。一维流动的基本形式有三种：圆管流动、矩形板流动和径向流动。圆管流动主要 用来模拟熔体在流道内的流动。矩形板流动和径向流动则用以模拟熔体在模具型腔内流 动1 6 1 。 为了确定一维流动过程的算法和编制程序，需要建立熔体的一维流动数学模型。 如图2 1 图2 2 所示，我们用带有中心浇口的薄圆盘型腔来表示径向流动的基本单元， 用带有端部浇口的薄长板型腔来表示矩形板流动的基本单元。 根据流体动力学、塑料流变学以及传热学的基本方程，基于一些必要而且合理的 简化如下： 忽略沿流动方向的热传导，仅考虑沿厚度方向的热传导： 压力沿厚度方向不变； 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 l “佛z , oj 3 图2 1 长盘 图2 2 圆板 忽略厚度方向的热对流； 流动方向的熔体流速取其沿厚度方向的平均值； 熔体的前沿位置沿厚度方向不变： 忽略正应力，仅考虑剪切应力； 在动力学方程中，忽略惯性项； 忽略模腔内壁的边界层效应： 假定熔体不可压缩。 对于薄圆盘型腔和薄长扳型腔的热塑性塑料熔体的充模过程，可以得到以下的一 组控制方程： 昙( 叩詈) 一罢= o c z ， 矿，( 詈+ 甜期= k 害+ 叩( 罢 2 g ， 沈阳工业大学硕士学位论文 r ( x ) u , z = q ( 3 ) 上组式1 2 3 中，z 为厚度方向的坐标，口为剪切粘度，为j 方向的流速，p 为型腔压力，p 为密度，岛为熔体比热容，为熔体温度，r 为时间变量。为热传导系 数，口为恒定的熔体注射流量，型腔厚2 b ( 从一刍到6 ) 。 式l 是将本构方程f = 理娑代入到流体动力学方程 f 抛加、劬a f p l 西瓦2 一素+ 瓦+ 偌， 中经简化后得到的。式中忽略了惯性项p ( 詈+ “罢 以及熔体的自重力偌，此 时视熔体在行腔内的流动为蠕动。 式2 由豢l 传导的普遍徼分方程 缪，曙+ “罢) = k ( 窘+ 等+ 害卜 简化而来，式2 忽略了流动方向得导热 鬣( 窘+ 寄 认为热传导仅、沿着垂直于模壁的方向进行。其粘性热项 阳( 甜a 式3 为流量积分方程，其中r ( x ) 为型腔形状函数。对于圆盘型腔r ( x ) = 2 积，对 于长板型腔r 毽) = ，矽为型腔宽度。 流场边界条件为： 当z = 6 时，越= 0 ； 当z = o 时，害= 0 。 ( 4 ) 温度场的边界条件为： 当x = 而时，t = t ；、 ( 5 ) 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 当：= 6 时，t = c ； 当：o 时，o - t ：o ； 式4 中t 因熔体沿型腔厚度方向上呈对称流动。故在厚度的中心处( z = 0 ) ，有 丝：o 。 o z 式5 中，五为浇口附近温度测量点，此处温度可视为熔体的入口温度t ，在模壁 处( z = 6 ) ，可近似认为熔体温度z 为模壁温度t ，因温度沿型腔厚度方向对称分布， 故在厚度中心处o ：o ) 有婴：0 在熔体的流动前沿x ：x ，( f ) ，假定熔体热量不传至 空气中，故有娶：o 。 熔体的粘度模型采用兜罗斯经验公式： 栅= 赫 ( 6 ) 玑( 7 ) = b e x p ( t , , t ) ( 7 ) 式中，r 为熔体的剪切粘嫂，玑为零剪切速度粘度，尹为剪切速率，r 为温度， ”、瓦、b 、r + 为与塑料性质有关的四个参数，他们可以根据测定粘度的试验，采用曲 线拟合的方法得到。对于热鎏潍坦科，一 i ，厅和r 。描述了热鳖! 性塑料熔体的粘度随 切应力增加而减小的特性，而b 和描述熔体零剪切速率时的粘度。 在熔体流动数学模型中，忽略了熔体的弹性，这是b i 为目前尚不能构造出理想的 包括弹性影响的流动数学模型。 流动数学模型建立后便可确定数值解法。对式1 积分有 f 吾叩詈卜f 磬 因挈不随：变化，故得 o x 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 丝：望三 a z苏力 对上式积分，有 f 翌恕：f 望幺 a z 融，7 利用边界条件“= 0 ( ：= h 时) ，可得 甜：一望r 三出 出 再次对上式积分有 肚f 一幽a x 。三q 斗 利用分部积分，可得 肛= 一瓠鲁沈 将上式代入到式3 ，便可和f 到 a ：旦 ( 8 ) 式中，压力梯度 a ：一生 ( 9 ) 流动率 s = f 等出 ， 其他符号同式3 。此外，还可推出如下公式： 剪切速率 t ：吐 叩 流速 “= f 雄 ( 1 2 ) 1 4 - 沈盯【业大学硕士学位论文 式2 中最后一项为粘性热巾，也即 中= 谚： ( 1 3 ) 由于在一维流动中型腔汉限于圆盘类和长板类形状，故可方便地采用有限差分法求 解。计算步骤可以按这样安排：如果已知某一时刻的温度场7 ( 假定开始计算时温度场 t = r ，) ，可利用上一时刻的粘度可和式1 0 求得流动率s 利用式8 求得压力梯度 人，从而获得该时刻的压力场。这样，便可利用式6 、式1 1 、式1 3 求得该时刻粘度 r l 、剪切速率矿和粘性热中，利用式1 2 求得速度场“。至此，就能利用式2 求取下一 时刻的温度场丁，依次循环下去直至整个圆盘单元或长扳单元被熔体充满。 2 2 二维流动分析 当建立起圆盘单元利长扳吖c 儿那样的一维流动数学模，鬯和算法后，便可按熔体在行 腔内的流动路径，将一维流动单元组合起来，分析任意形j 吠的二维型腔内熔体的流动。 这种方法需要膜具设计人员根槲经验，事先划分出熔体在行腔内的流动路径。然后再根 据流动路径，将型腔分解成若二f 个串联的一维流动单元。 在这种方法中，模具型腔和流道被划分为许多基本的流动单元。图2 3 示出了其中 四种：图2 3 1 圆形管：图2 32 i 有中心浇口的圆板件：图2 3 3 边缘浇口的平板：图 2 3 4 中心浇口圆环板。 在实际应用中，还可以再增添一些其它基本单元，如梯形块圆环管、圆锥管等。 应注意的是。无论这些基本单j 的形状如何变化，他们都应属于一维流动。 图2 4 示出菜平面的型腔的9 个流动单元，它们可为冈2 3 所示单元类型中的任意 一种。通过分析不难看出，以单元l 为入口的塑料熔体一共有5 条流动路径，它们由1 - 2 - 9 、1 3 4 、1 3 5 6 、i - 3 5 7 及l 一3 5 8 单元组合而成。 又如图2 5 所示的某平扳型腔及流道，经分析，可划分出两条流动路径。第一条路 径由1 2 3 4 5 单元组成。第二条路径由1 2 矗7 8 9 单元组成。从图中可知，1 和2 属于 圆形管单元，3 和6 属于圆饭单元，4 和7 属于圆环板单元，5 、8 、9 属于平板单元。 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 又如图2 5 所示的某平板型腔及流道，经分析，可划分出两条流动路径。第一条路 径由1 - 2 - 3 4 5 单元组成。第二条路径由1 - 2 6 7 8 9 单元组成。从图中可知，l 和2 属于 圆形管单元，3 和6 属于圆板单元，4 和7 属于圆环板单元，5 、8 、9 属于平板单元。 图2 3 1 图2 3 3 图2 3 四种常用的流动单元 图2 3 4 当人为地确定好流动路径和流动单元后，便可借助于二维流动分析程序的模拟熔体 在型腔内的流动，获得某一时刻的熔体流动前沿位置及其温度场、速度场、压力场、熔 合纹位置等。二维流动分析程序基于维流动分析程序，其算法的主要步骤如下： 1 、由于熔体在充摸时是一个非稳态过程，因此在流动分析时应分别考虑每一个时 间步长。名义时间步长址= t n ( r 为设定的型腔充满时间，是人为取定的时间间隔 数) 。因为我们是用一维流动单元的串联组合来分析二维流动的，所以在某一时间步长 中，涉及到两个流动单元的计算，也即在某一个时间步长内只考虑在一个单元内的熔体 流动过程。当出现某单元在一个时间步长的中间被充满时，应根据该单元的充满时间调 整该次的时间步长。 1 6 沈降i 工业大学硕士学位论文 步长内，沿每条流动路径更新其体积流量q f ( 顶= l ，2 ，甚。为总流动路径数。但 若在流动过程中，某一流动路径的最后一个单元已全部被熔体充满，在后续的时间步长 内再没有熔体流入该路径，从此时起，应置该流动路径的体积流量为0 。 4 根掘更新后的体积流量，计算熔体在每一个未充满单元内的前沿位置a 5 根据一维流动分析中所介绍的计算步骤，计算单元内的压力场和速度场等。 6 返回到步骤2 ，重复计算过程，直至全部流动路径内的单元均被熔体充满为止。 图：4 流动路径的确定及单元划分 1 7 沈阳 业大学硕士学位论文 幽2 5 某平叛型腔的单元划分 2 3 三维流动分析 为了使分析过程简化，在实际应用中，常常借助于二维流动方法分析模具型腔内熔 体的三维流动，此时需要将三维形状的塑料制品展平，以便划分流动路径和流动单元。 制品三维形状的展平即可手工完成也可借助子交互式程序实现。若采用交互式程 序。模具设计人员只要设定需腮平的平面及旋转轴，程序便可根据三维袭面的数据结 1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 构，逐步以交互式方式将制品展平。若程序中记录t 每f - 表面在展平前后的几何对应关 系，则可将展平图的分析结果映射回三维形状中去，以便显示出具有三维效果的熔体流 动前沿位置、温度场、压力场等。 当得到型腔的二维展平图后，模具设计人员就能凭借自身经验设置浇口位置、划分 流动路径和流动单元，然后利用二维分析程序对型腔和浇口系统进行流动分析。 这种二维代替三维的流动分析方法具有计算量小、方便简便等优点。但此法的完全 依靠模具设计人员的经验，需要人为的设定流动路径、划分流动单元，还需要将制品的 三维形状展平，使用起来不方便。而有限元法在模拟注塑流动时，不需要事先规定流动 路径和流动单元，也不必将型腔的三维形状展平，对模具设计员的经验依赖甚少，且分 析精度较高，在近十年来得到了迅速发展和应用。 熔体流动的前沿由控制体积来决定，是指由一定厚度的有限元网格得到的多边形体 积。图2 6 示出了一个简单的长板形型腔，其三角形单元网格以及控制体积都可以由程 序自动生成，此时可用标量，对型腔中的每一个控制体积标志。 拟7 ( 懒! 秘 湖俄删余：矛 ，一 o f lf = o 图2 6 控制体积的标志及前 沿位置的确定 控制体积的标志及熔体在型腔中的前沿位置决定的方法如下： 1 ) 定义熔体进入型腔处的控制体积的，值为1 ，即分析一开始，便认为入口处的 控制体积是充满着，且熔体温度为等温状态。 2 ) 凡已被熔体充满的控制体积，_ ，值为1 。 3 ) 定义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，值 处于o 1 之间，值的大小直接反映了控制体积的充满程度。如果已知了那 1 9 沈阳工业大学硕士学位论文 些控制体积为前沿控制体积，就能根据流量计算每一个前沿控制体积需要充满 的时间，取最短的充满时间为当前时间步长，则在下一时刻，必有一个前沿控 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 进行下去，直至整个型腔被完全充满。 4 ) 定义熔体尚未流入的控制体积厂值为0 。 对于目前商品化软件所采用的数学模型虽不相同，但是都是基于上述所介绍的基础 理论采用有限元与有限差分混合法进行分析仿真计算。其实质是将三维流动问题分解为 流通平面的二维分析和壁厚方向的一维分析。流动平面内各待求量，如压力与温度，用 有限元法求解，而型腔壁厚方向上的各待求量与时间变量等，用有限差分法求解。在求 解过程中，有限元法和有限差分法交替进行相互依赖。本文分析采用i - d e a s 软件的 m o l d f l o w 模块进行仿真分析。 2 4m o l d f l o w 的m i d p l a n e 分析技术 m o l d f l o w 的m i d p l a n e 分析枝术m i d p l a n e 分析技术的原理是将3 d 几何模型简化成 中间面几何模型，利用所建立的中间面进行模流分析，即以平面流动来仿真三维实体流 动。此分析技术发展至今已相当成熟稳定，其优点为分析速度快效率高，对于薄壁塑料 制件的流动分析都可得出准确的结果( 目前大多数塑料制品为薄壁制件) 。对于线框和 表面模型，m o l d f l o w 可以直接读取任何c a d 表面模型进行分析。在用户采用线框 和表面模型以及薄壁实体模型时，m o l d f l o w 可以自动生成m i d p l a n e 网格并准确计 算单元厚度，可大大节约c a e 建模时间、处理象圆角曲面、细小的孔、狭窄的槽、散 热网格、喇叭孔等特征时，需特别谨慎中性面构建的可行性，可作适当简化为m i d p l a n e 模型充填分析结果1 7 】。 2 5m o l d f l o w 的f u s i o n 分析技求 m o l d f l o w 的f u s i o n 分析技术是基于m o l d f l o w 独家专利的d u a ld o m a i n 分析技 术。采用此技术用户可以直接进行薄壁实体模型分析，这将原来需要几小时甚至几天的 建模工作缩短几分钟，无需进行中型面网格的生成和修改。其分析方式采用表面网格 ( s u r f a c em e s h ) 为分析模型，同时于两侧进行流动分析，其模型厚度可直接进行修 改。 2 0 沈阳】：业大学硕士学位论文 3 注塑过程仿真 注塑过程的计算机模拟，按其顺序应为：计算机仿真的前嚣处理、计算机仿真计 算及计算机仿真的后置处理。 3 1 计算机仿真的前置处理 3 1 1 建立塑件c a d 模型 本文基于i d e a s 软件的s i m u l a t i n 模块以一塑料面板为例来进行分析方真。 图3 1 如图3 1 所示的塑料制件是id e a s 软件的s i m u l a t i o n 模块中生成三维实体模 型并进行实体渲染。经过渲染之后，设计者对塑件的几何形状结构外形有了一个非常直 观的感觉，有利于对塑件的形体的工业设计。 2 1 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 2 生成三维实体之后，为了进行塑件仿真分析需要将实体模型进行有限元网格划分， 塑件的整体厚度比较大，为了在m o l d f l o w 模块中分析计算，必须对模型进行简 化。首先将实体化分出不同的面块，为了考虑实体内部的厚度，在实体内部注塑的得方 向上多加了三个平面。同时因为出气孔处的局部结构复杂，不能单纯以中性面表示。将 出气孔处的面板以一维多条的有限元节点线代替进行简化。然后对简化后的多个面片进 行有限元节点划分。划分的结果如图3 所示。对于不合格的网格节点需要进行修改完 善。 有了有限元模型之后，需将模型导入m o l d f l o w 程序中。在m o l d f l o w 模块 中建立一个工程。然后执行导入模型命令并将导入的模型自动转化为中性面模型。在 m o l d f l o w 模块中的分析流程如下图3 3 。 2 2 沈阳工业大学硕士学位论文 其分析流程为： 图3 3 流动分析程序流程 2 3 沈阳工业大学硕士学位论文 首先，先建立一个工程，然后在此工程中导入c a d 模型创建或重定义塑件模型的网 面。根据塑件的形状创建并编