（材料加工工程专业论文）基于数值模拟及反向变形的注塑模具型腔设计方法.pdf

摘要 摘要 模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，现代工业中6 0 , 、- 9 0 的产品要 靠模具生产。尺寸精度是塑料件重要的制造和使用质量指标。过去因多种原因， 塑料件尺寸精度不高，大多属于普通精度，高精度的很少。随着生产的发展，提 高塑料件尺寸精度成了一项重要任务。 随着模具行业的发展，数值模拟( c a e ) 技术已经在塑料模具行业得到越来越 广泛的应用。然而对于c a e 的运用都是根据模拟结果，对各工艺参数进行优化。 然而由于注塑过程中的参数是相互联系的，因此优化工艺参数并不能消除翘曲变 形。 反向变形是解决制品翘曲变形问题的有效方法，通过对产品翘曲变形的分 析，对模具进行反向的变形处理从而达到提高产品精度的目的。但目前其应用只 是针对形状结构简单的制件，对模具进行适当的但不精确的反变形处理，没有研 究复杂精密成型模具的反变形处理设计方法，也未考虑复杂精密模具型腔反变形 处理后模型是否适合于成形工艺。 逆向工程又称反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，起源于精密测量和质量检 验，是设计下游向上游反馈信息的一种回路。不同于传统的产品研发过程它以产 品或实物或影像( 图像、照片等) 作为研究对象，实现产品c a d 模型的重构。 本文围绕广东省关键领域重点突破项目“汽车大型精密复杂注塑模具数字化 制造”( 项目编号：2 0 0 4 a 1 0 4 0 2 0 0 1 ) ，将计算机模拟技术( c a e ) 、反向变形、逆 向造型引入到对注塑件翘曲变形的改善当中来以提高产品尺寸精度。本文内容主 要包括以下几个方面： ( 1 ) 对原始模型进行反变形处理，得到反变形处理后的最大翘曲量及注塑 件在反变形时较佳的反系数，同时得出产品进行反变形时的规律。 ( 2 ) 采用v b s 编程及u g 二次开发工具u g o p e ng r i p 实现点云及三角 面片模型在c a d 软件u g 中的重建，并利用逆向工程实现了反变形处理后的 c a d 模型的重建。 ( 3 ) 采用逆向工程软件i m a g e w a r e 对所建模型进行评估，以确保逆向结果 满足的精度要求。 广东工业大学，丁学硕士学位论文 ( 4 ) 以反变向形处理后的产品为依据进行模具设计。 通过研究，得出了产品反变形的有效方法和进行反变形时的较佳系数，同时 发现了采用不同迭代系数不同迭代次数对产品进行反变形时翘曲变形量改变的 规律。逆向造型方面，通过u g 二次开发实现了三角面片自动建模，通过u g 的逆 向功能实现了人工建模并采用i m a g e w a r e 对逆向造型的精度进行了检验。结果表 明：反变形模型能有效的减小产品的翘曲变形。翘曲问题的解决对于塑件质量的 提高及注塑件在生活中广泛的应用有着重要的意义。 关键词：翘曲变形，数值模拟，反变形，逆向工程，模具设计 a b s t r a c t a b s t r a c t m o l d s d i e sa r es i g n i f i c a n tt e c h n i c a le q u i p m e n t so fp r o d u c i n gv a r i o u si n d u s t r i a l p r o d u c t s i nm o d e mi n d u s t r y , a b o u t6 0 , - 。9 0 p r o d u c t sa r em a n u f a c t u r e db ym o l d s i nt h ep a s t ，b e c a u s eo fm a n yr e a s o n s ，t h ea c c u r a c yo ft h em o l di sn o t1 1 i g 也m o s to f t h e mb e l o n gt oc o m m o nl e v e l ，o n l ys m a l lp a r to ft h e mb e l o n gt oh i 曲l e v e l w 曲t h e d e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r e ，i m p r o v i n gt h ed i m e n s i o n a la c c u r a c yo fp l a s t i cp a r ti s b e c o m i n gab i gj o b w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o l d ，c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ( c a e ) t e c h n i q u ei s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a ri np l a s t i cm o l di n d u s t r y i ni n j e c t i o nm o l di n d u s t r y ， c a ec a l lp r e d i c ti n j e c t i o np r o c e s s b u tt h eu s eo fc a ei sc o n c e n t r a t e do no p t i m i z i n g p r o c e s sp a r a m e t e r s t h e r e f o r et h ep a r a m e t e r sa r ei n t e r r e l a t e da n di n t e r a c t e dw i t he a c h o t h e r , s ot h i sw a y c a l le l i m i n a t ew a r p r e v e r s ed e f o r m a t i o nt e c h n i q u ei sau s e f u lw a yt os o l v et h ep r o b l e mo fw a r p a n a l y z eo ft h ep r o d u c t sw a r p ，p r o c e s st h em o l db yr e v e r s ed e f o r m a t i o nt e c h n i q u e t h e nr e a l i z et h et a r g e to fi m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo ft h ep r o d u c t b u tt h eu s eo f r e v e r s ed e f o r m a t i o nt e c h n i q u ei sj u s to np r o d u c tw i t hs i m p l es t r u c t u r e ，n o tt h ep r e c i s e m o l d d i ew i t hc o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ，a n dn o tc o n s i d e ra b o u tt h er e q u i r e m e n to f f o r m a t i o np r o c e s s r e v e r s ee n g i n e e r i n g ( i 也) o r i g i n a t ef r o mp r e c i s i o nm e a s u r e m e n ta n dq u a l i t y i n s p e c t i o n t h ed e s i g ni sf r o mb a c k w a r dp o s i t i o nt oa d v a n c e dp o s i t i o n d i f f e r e n tf r o m t r a d i t i o nd e s i g nc o u r s e ，i ts t u d i e st h ep r o d u c t ，s u b s t a n c eo rp i c t u r ea n dt h e nr e a l i z e c a dc o n s t r u c t i o n t h et h e s i si sc o n c e r n e dm a i n l yo nt h ep r o j e c to f t h ed i g i t i z e dm a n u f a c t u r eo f c a r sl a r g ep r e c i s ec o m p l e xi n j e c t i o nm o l d ，w h i c hi sak e yi n d u s t r i e sp r o j e e to f t h e g u a n g d o n gp r o v i n c e n u m e r i c a la n a l y s i st e c h n i q u ea n dr e v e r s ed e f o r m a t i o n t e c h n i q u ea n dr e v e r s ee n g i n e e r i n ga l ei n t r o d u c e dt os o l v et h ew a r pp r o b l e mo f p l a s t i c p a r t t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d e si sa sf o l l o w s ： ( 1 ) g e tr e v e r s e - d e f o r m e dm o d e lf o r mo r i g i nm o d e l ，o b t a i nt h eb i g g e s tw a r po f t h eo p t i m i z e dp o i n tc l o u d ，f i xt h eo p t i m i z i n gr e v e r s ec o e f f i c i e n ta n dd i s c o v e rs o m e r u l e sa b o u tr e v e r s ed e f o r m a t i o n ( 2 ) r e a l i z ep o i n tc l o u dm o d e la n dt r i a n g l es h e e tm o d e l sc o n s t r u c t i o ni nu g t h r o u g hv b sp r o g r a m m i n ga n du g sd e v e l o p m e n tt o o lu g o p e ng r i e i i i 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) e v a l u a t e t h er e v e r s ee n g i n e e r i n gm o d e lt h r o u g hi m a g e w a r et om a k es u r et h e a c c u r a c yo f t h em o d e l ( 4 ) d e s i g n t h em o l db a s e do nt h er e v e r s e d e f o r m e dp r o d u c t a c c o r d i n gt ot h es t u d y , e f f e c t i v er e v e r s ed e f o r m a t i o nm e t h o di sg o t ，e f f e c t i v e r e v e r s ed e f o r m a t i o nc o f f i c i e n ti sf i x e d ，r u l e sa b o u tr e v e r s ed e f o r m a t i o na r ed i s c o v e r e d o nr e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e a l i z et r i a n g l es h e e ta u t om o d e lc o n s t r u c t i o na n dr e a l i z e m a n u a lm o d e lc o n s t r u c t i o nb yu s i n gt h er e v e r s ee n g i n e e r i n gf u n c t i o no fu ga n di n t h ee n d ，i m a g e w a r ei su s e dt oi n s p e c tt h ea c c u r a c yo ft h em o d e l t h er e s u l tp r o v et h a t ： r e v e r s ed e f o r m a t i o nc a nr e d u c et h ew a r pe f f i c i e n t l y t h es o l u t i o no fw a r pm e a n sal o t o ni m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fp l a s t i cp a r ta n dw i d e n i n gt h eu s eo fp l a s t i cp a r ti n0 1 1 1 7l i f e k e y w o r d s ：w a r p ，r e v e r s ed e f o r m a t i o n ，n u m e r i c a la n a l y s i s ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g ， m o l dd e s i g n i v 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的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过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签名： 论文作者签名： 年月 日 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 注射成型是聚合物材料的主要加工方法之一，其生产效率高，能成型外形复 杂、尺寸精确或带嵌件的注射制品；对各种聚合物材料的加工适应性强，因此得 到了广泛应用。随着工业技术的不断发展，对注射成型塑料制品质量的要求越来 越高。然而由于结构的特殊性和成型过程的复杂性，注塑件特别是大型注塑件尺 寸精度相对较低阻碍着塑料制品向更为广阔的领域推广和应用。 影响注塑件精度的因素主要集中在四个方面：原材料，注塑工艺，注塑机及 模具设计【1 捌。 原材料方面，熔融塑料在注射充模过程中，由于聚合物分子沿流动方向排列， 使塑料在流动方向上的收缩率比垂直方向上的收缩率大，两者收缩的差异是注塑 件产生翘曲等变形的主要原因。两者差别越大，则翘曲变形的倾向性越大。因此， 对于塑料注射成型，不可避免都会存在不同程度的翘曲变形。 注塑工艺方面主要是注射速率，注射压力，模具温度、保压压力、保压时间 等因素对精度的影响。由于各工艺参数是相互联系的，因此在注塑工艺方面只能 根据具体情况综合考虑各种因素的作用选取合适的工艺参数以提高产品精度，同 时其精度的提高因为各种工艺参数的复杂影响而受到限制的【3 1 们。 精密注射成型机必须具备如下条件，具有高的响应灵敏度、高的再现性和稳 定的油压控制系统；具有能进行微调的控制性能优良可靠、操作使用方便的电 子控制系统；能进行高速高压注射成型；具有优良的塑化装置，能使塑料在均匀 温度下充分塑化并能正确计量；对应不同的模具流道形状，再现塑料流动最合适 的控制；冷却过程中能使保压压力随时间变化；具有刚性好、耐久性好、有足够 锁模力的锁模装置，能抵抗高压、高速注入的熔融塑料的压力，使模具变形减小 【1 1 】。但在目前情况下，在现有的技术和装备条件下通过提高精密注射成型机的性 能来减小产品翘曲是较困难的。 模具方面主要是指浇注系统，冷却系统和型腔设计。注塑模浇口的位置、形 式、数量和分布将影响塑料熔体在模腔内的填充状态，从而影响塑料件产生的变 形。一般来讲多浇口可以使型腔内部压力比较均匀，但多浇口容易在制品表面产 广东t 业大学工学硕士学位论文 生更多的熔接线。在注射过程中，冷却速度不均匀也会造成塑料件收缩不均匀， 这种收缩差异导致产生弯曲力矩而使塑料件产生变形。在注射过程中模具定模温 度因有浇口一般会比动模的高，当塑料件脱模后贴近动模腔面的熔料会很快冷却 下来，而贴近定模腔面的熔料层则会继续收缩，这种收缩的不均匀会使塑料件产 生变形。因此注塑模冷却时应注意控制使型腔各部位的温度趋于平衡，温差不能 太大。因此浇注系统，冷却系统在设计时也只能是针对某一产品，按照具体的情 况进行优化。 型腔设计方面目前所做的修改主要是定性的基于经验的。其原因主要是由于 所要修改的量无法合理的控制。因此合理的优化型腔是目前提高注塑件精度的一 个重要手段。 综上所述，采用大幅度的提高材料及注射机的性能来减小翘曲变形的方法是 不可行的，采用优化成型工艺参数及模具浇注系统、冷却系统来减小翘曲变形是 可行的但其减小量是受到限制的。因此在现有的材料和成型设备条件下，在经过 优化的加工工艺条件下，寻找一种改进注射模具型腔形状尺寸来获得高精度的塑 料产品的方法将是十分有益的。 本课题研究的是一种新的模具型腔的设计方法，在己定的加工条件下，通过 对产品数值模拟结果中有效信息的提取和加工，从而实现对型腔定量的修改，达 到优化型腔提高产品尺寸精度的目的。这种方法可以有效的减少c a e 的反复模 拟和c a d 的反复修改，缩短了设计周期，降低了成本，提高了效率。 1 2 国内外相关领域的研究现状及存在问题 对于减少翘曲变形方面的研究主要分为四个部分即：基于实验的方法、数值 分析的方法、基于知识的解释系统和反向变形。 1 2 1 基于实验的方法 刘彦国，徐创文对低压高速注射曲线进行了研究，指出对于采用锌、铝合 金材料制造的简易注射模采用低压高速注射可以减小翘曲降低成本。李雪梅、丁 峰、罗晓晔对注射压力，注射速率和温度进行了研究，指出了它们单独与翘曲的 关系，但没有指出在各种工艺参数相互作用下对翘曲的影响。邹志明、吴舜英指 出了成型设备，模具结构，模具加工精度对产品精度的影响。张翅飞、胡广洪、 2 第一章绪论 印雄飞研究了收缩不均，冷却过程，材料取向等对翘曲变形的影响 1 2 - 1 4 】。 基于实验的方法主要是研究了基本的工艺参数对翘曲变形的影响。然而由于 注塑工艺参数的复杂性，这些研究并不能指出在所有工艺参数的综合作用下，翘 曲变形的变化情况。同时这些研究也只能定性的指出个别或少数几个工艺参数对 翘曲变形的影响。 1 2 2 数值分析( c a e ) 的方法 利用c a e 软件对产品进行分析从而得出可能出现的翘曲变形，这种方法提 高了一次试模的成功率，以达到降低生产成本、缩短生产周期的目的f l 1 6 1 。 董金虎、董斌斌、张响、李倩、申长雨对某手机外壳进行了c a e 的分析并 在分析结果的基本上进行研究提出了工艺的优化方法【切。左大平、张益华、苗玉 龙对p a 6 6 g f 3 0 翘曲变形进行了数值分析，指出了使用p a 6 6 g f 3 0 为原料时减 小制品收缩的一些方法【1 8 】。宋光明、张君、董定福利用m o l d f l o w 对保压参数进 行了分析并提出了优化方法【1 9 】。 m i n g - c h i hh u a n g ，l i a osj ，c h a n gdy c h e nh j , w a n gth 也都采用了田口 ( t a g u c h i ) 实验方法来得到工艺参数的优化组合。b a b u r 、h a s a n 等都以减小翘 曲为目的，分别采用神经网络与混合遗传算法结合、响应面方法和遗传算法结合， 对各工艺参数进行了优化设计【3 圳。 然而目前c a e 的发展仍然存在着不足，利用c a e 可以找出未来产品可能出 现的翘曲的大小，然而在如何去除这些缺陷还是需要有经验的人进行反复的模拟 才可以得出比较理想的结果。 1 2 3 基于知识的解释系统 c a e 的解释系统涉及到三个方面的内容：c a e 模拟反馈技术；注塑成 形工艺及注塑模设计的研究；作为解释系统支撑技术的专家系统。其主要工作 过程为通过反馈c a e 的模拟结果，然后由推理技术实现知识的获取和知识的表 达【2 】。 虞春在其博士论文中主要研究了冲压件设计领域中特征造型与有限元分析 集成的关键技术，特别是深入探讨并开发了基于符号分析设计的信息反馈机制， 直接从有限元分析结果中提取相关信息指导冲压件的设计修改，但其最终实现的 是一个较简单的筒形件的模拟反馈实例。张星星和董斌斌等研究了专家系统和知 广东工业大学工学硕士学位论文 识辅助注塑成型设计分析。然而由于知识和经验描述的多样性和不确定性，目前 为止所构造的专家系统仍然没有完美的方法表示和知识获取。 从上面对c a e 解释系统的描述可以看出，c a e 解释系统目前的发展还不够 成熟，还存在诸如知识和经验描述的多样性和不确定性等缺点。同时它在解决注 塑翘曲变形等问题时也只是提出相关建议，不能给出确切的修改量。 1 2 4 反向变形法 除了工艺参数的控制外，模具型腔的设计对于能否保证产品的质量也起到了 极为关键的作用【1 1 1 。反向变形法根据产品的变形量，对模具进行反向变形从而达 到提高产品精度的目的。 b 昆、赵杰、王继锋、张定华等通过使用p r o c a s t 软件对涡轮叶片进行铸造 过程仿真，利用有限元模型计算涡轮叶片的精铸位移场，建立基于位移场的反向 变形方法，并使用该方法对模具进行优化设计，经涡轮叶片模具设计仿真试验验 证，所采用的方法取得了良好的效果【3 2 1 。 缸盖铸件在冷却过程中由于收缩不均匀产生变形，导致气道位置偏差。耿东 平，陈峰等根据变形数据统计分析，在模具上添加了反向变形量，解决了气道位置 度超差问题【3 3 】。 反向变形法在铸造领域取得了一定的应用，但在塑料模具的优化上还没有研 究。本文拟采用此方法解决产品的翘曲变形问题。 1 3 本文的研究内容 本课题来源于广东省重大科技招标项目“汽车大型精密复杂注塑模具数字化 制造 。其目的在于解决在注塑中所产生的翘曲等问题以提高产品尺寸精度及质 旦 亘。 本课题主要目的是在各注塑参数的情况下把反向变形及逆向工程技术应用 于注塑件的设计上以达到减小产品翘曲变形提高产品精度的目的。 具体研究内容安排如下： ( 1 ) 介绍本文的研究理论、研究流程和每一步存在的主要题问及采用的解 决方法。 ( 2 ) 采用m o l d f l o w 对一长方形盒盖产品进行分析，并在分析后得出产品的 4 第一章绪论 网格模型文件和翘曲变形分布文件，通过对两文件的分析得到相关的信息。同时 通过一个简单例子验证反向变形处理在m o l d f l o w 上的可行性。 ( 3 ) 介绍了迭代反向变形处理的原理及实现方法，并通过对不同迭代系数、 迭代次数的研究得到了反向变形处理的规律。 ( 4 ) 通过u g 的二次开发工具u g o p e ng r i p 实现文本信息n u g 可识别信 息的转换，并通过不同的逆向方法得到了不同精度的产品c a d 模型。 ( 5 ) 介绍检验逆向造型模型的理论及方法，并对所做c a d 模型进行了检验。 ( 6 ) 最后在结论中综合阐述了本文的研究成果，并对今后的研究工作进行 了展望。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章基于数值模拟及反向变形的注塑模具型腔的 设计原理 反向变形是解决产品翘曲变形的有效方法，如何将反向变形应用到模具型腔 的设计中来实现减小产品翘曲量提高产品精度是本文研究的主要目标。产品模型 是模具型腔设计的重要依据，通过数值模拟技术能够实现对产品翘曲量及其翘曲 分布的预测，以反向变形及迭代法应用于产品翘曲的反向变形处理。以优化后的 产品模型进行模具型腔的设计从而得到反向变形模型腔是本文的研究思想。 其流程如图2 1 所示。 从流程图可以看出数值模拟分析、反向变形处理、反向变形后的网格精度验 证、逆向造型、逆向造型精度验证是主要的步骤。 2 1 数值分析 2 1 1 数值分析的数学模型 注塑的数学模型主要采用能量守恒、动量守恒、质量守恒方程描述。按照成 型工艺特点分为流动、保压、冷却、残余应力及翘曲分析等软件模块【3 4 1 。 1 流动填充过程 在充填过程中，被塑化的高温塑料熔体流出注射装置的喷嘴，经主流道、浇 道系统和浇口注入模具型腔中。注塑模具的最大特点是型腔几何形状复杂，因此 模具中熔体的流动是很复杂的。流动模拟可预测总的流动图象，以提供不同部分 充模的信息，包括缺料、熔接线位置和取向分布的信息。 目前，常用的粘度公式有幂律模型、二次幂律模型、e l l i s 模型、b i r d c a r r e a u 模型、c r o s s 粘度模型五种形式。最为流行和被广泛用于流动分析的是c r o s s 粘度 模型，c r o s s 粘度模型不仅能描述高剪切速率时的幂律型流变行为，而且可以描 述接近零剪切速率时的流变行为。 塑料熔体的充模过程可以认为是粘性不可压缩的非等温流动与传热过程，采 用粘性不可压缩流体的基本方程描述。 连续性方程为： 6 第二章基于数值模拟及反向变形的注塑模具型腔的设计原理 产品原型 l 注塑过程的数值模 拟分析 i 塑件网格模型的反变形 处理 上一 i 一 基于反变形塑件模型的注塑 过程数值模拟分析 i 反变形塑件模型翘曲变形后 的形状与初始模型的比较 伞一 利用逆向造型技术实现 产品c a d 模型的重建 令 根据反变形产品模 型设计模具 图2 - 1 基于数值模拟的反向变形模具型腔设计的流程 f i g u r e2 - 1t h ef l o wp r o c e s so fr e v e r s ed e f o r m e dc a v i t yd e s i g nb a s e do nn u m e r i c a l 鲁+ v ( ) = o ( 2 1 ) 式中：p 、可分别为密度、速度矢量。 运动方程为： p 警= p 一+ w - 卯 ( 2 2 ) 广东工业大学工学硕十学位论文 式中：p 、f 、尸分别为体力、偏应力张量和压力。 能量方程为： p c p 鲁= k v 2 t - r v ( 2 3 ) 式中：c 。、k 、叠、t 分别为比热容、导热系数、内部生成热和温度。 本构方程为： 【r 】- 2 r o ；】 ( 2 4 ) 式中：童、f 分别为应变速率张量和偏应力张量。 2 保压过程 充填结束后，塑料熔体已充满型腔，但是在冷却作用下，塑料熔体的密度增 大，造成体积收缩。因此在型腔充满后仍需在较高的保压压力作用向型腔内继续 注料，以弥补由于温度、压力变化所造成的体积收缩，这个过程就是保压。保 压过程从型腔充满开始，到因浇口凝固或保压压力撤除以致无法再继续注料为 止。保压分析可有效预防缩孔、过分收缩、脱模困难等问题。 保压过程的控制方程如下所示： o p + o ( p u ) + o ( p v ) + 型= o ( 2 5 ) 氆瓠 动 西z _ o p 一昙( 刁罢) ：o ( 2 6 ) o xo zo z _ o p 一昙( 叩譬) ：0 ( 2 7 ) o v o z0 z 肛p ( 丁) ( 罢+ 甜娶+ 1 ，娶) ：导( 后( 丁) 罢) + q 2 ( 2 8 ) o t0 x o y o z0 z 式中：u 、v 、w 分别是x ，y ，z 方向的流动速度；p 为密度；印、k 为比热容 和导热系数；p 、t 为压力和温度；r l 为剪切粘度；矿为剪切速率； 3 冷却过程 注塑模冷却过程是指从浇口凝固到制品从模具中顶出这一阶段。在给定冷却 系统的设计参数后，冷却模拟可计算出模具型腔表面的温度、热流密度、各冷却 管道的冷却效率及冷却时间等，帮助设计者判断温控系统的设计方案是否合理， 并通过交互修改优化设计。 冷却过程的导热控制方程如下所示： 8 第二章基于数值模拟及反向变形的注塑模具型腔的设计原理 璺+璺+_【乞_at)=pcoxo x o yo y o zo zp 鲁 ( 2 9 ) o l 初始条件为：r ( x ，y ，z ，t o ) = r o ( x ，y ，z ) ， ( 2 1 0 ) v ( x ，y ，z ) v 边界条件为：r ( x ，y ，z ，f ) = r o ( x ，y ，z ) ，v ( x ，y ，z ) s q ( x ，y ，z ，f ) = 面( x ，y ，z ，f ) ，v ( x ，y ，z ) s 。 一k0 t 、x , y , z , t ) ：口 丁( x , y , z , t ) 一瓦( z ，) ，z ，r ) 】 ( 2 1 1 ) v ( x ，y ，z ) s 6 式中：t 和g 分别为温度和热流；口为传热系数；以、后，、t 分别是x 、y 、 z 方向的导热率；v 为模具传热体的空间域；s 、& 、瓯为给定边界条件的边 界面。 4 残余应力及翘曲变形分析 残余应力与翘曲变形分析可预测塑料件的成型尺寸，考察注塑机、材料、模 具结构及工艺参数对制品尺寸精度的影响。 残余应力的有限元计算公式为： 【困p 面。t = 置+ r ： ( 2 1 1 ) ee口 式中：锄位移增量； 【k 】? + - 一由热弹性或粘弹性递推公式得到的单元刚度矩阵； 墨一单元的遗传积分项； r ：一热应变引起的等效载荷； 翘曲变形的有限元公式为： 甩锄- - e r r + r 。 ( 2 1 3 ) pep 式中：辟一等效温度载荷； r 一初始应力的等效载荷； 2 1 2 数值分析的参数设置 在数值模拟中，选取合适的工艺参数是获得可靠分析结果的前提。工艺过程 9 广东工业大学工学硕士学位论文 参数包括了整个注塑周期内有关模具、注塑机等所有相关设备及其冷却、保压、 开合模等工艺参数。过程参数的设定实际上是将现实的制造工艺和生产设备抽象 化的过程。过程参数的设定将直接影响到产品注塑成型的分析结果。虽然对于指 定的材料，一般可以查到其注塑成型参数的大致范围，但是对于不同的模具结构 还是需要不同的工艺参数的。在模拟时，由于设置的工艺参数不恰当，往往在注 塑件中会出现很多气穴、熔接痕、翘曲变形量大甚至填充不满的状况。这时就要 根据塑料注射成型工艺理论及实践经验多次地修正工艺参数以达到一个较好的 工艺参数组合。由结果可以看出工艺参数的优化并不能消除翘曲变形。 数值模拟完成后得到翘曲量，然而软件所显示的只是总体的翘曲变形量，而 不是单个节点的变形量，因此如何得到产品各个节点的变形量是要解决的一个重 要问题。 2 2 反向变形处理及其精度检验 2 2 1 反向变形处理及精度验证的理论 数值模拟分析完成后，可得到产品网格模型和翘曲变形分布，通过对产品网 格信息及网格节点变形量信息的提取，以产品网格模型为基础，以节点变形量为 依据对产品网格模型进行反向变形处理。反向变形处理时，选取合理的反向变形 系数是关键，合理的反向变形系数可以减少反向变形处理的次数，更快的获得满 足精度要求的产品反向变形网格模型。 在相同的注塑工艺参数条件下对经过反向变形处理的产品网格模型进行注 射成型的数值模拟分析。将反向变形塑件模型翘曲变形后的形状与初始模型的比 较，从而判定经过反向变形处理的塑件网格模型是否满足产品精度要求。对于两 者的比较主要是通过相对应的节点坐标值的比较来完成。原始模型的节点坐标在 其数值模时已经得到，而反向变形塑件变形后的网格模型则需要提取其网格模型 文件和翘曲变形文件，将反向变形模型的节点坐标与其翘曲变形量相加即可得到 反向变形塑件模型翘曲变形后的模型。反向变形塑件模型翘曲变形后的形状与初 始模型的比较，若其结果满足精度要求则可将反向变形模型信息应用于产品 c a d 模型的重建，若不满足精度的要求则需进一步的迭代反变形处理，直至得 到满足精度要求的产品反向变形网格模。 对反变形模型的精度判断方面主要依靠两条指标即三坐标方向偏移最大值 1 0 第二章基于数值模拟及反向变形的注塑模具型腔的设计原理 ( m a x 0 a x ，i 缈l ，l 止i ) ) 和空间偏移最大值( m a x f l a x 2 + 缈2 + 应2 ) 进行评价，在 反向变形迭代时所采用的迭代方式主要是在三坐标方向的反向变形处理，而三坐 标方向的偏移最大值的减小并不能保证两点间距离的减小，所以在对反向变形的 网格进行判断时应同时判断两点间的距离偏移值是否减小也即空间偏移最大值 是否减小。 由于模型文件中节点数量之多，所以必需采用编程的方法实现对各个节点坐 标的修改。对节点坐标进行修改，很多编程开发工具可以实现。由于m p i 的内部 程序由采用t v b s c r i p t 格式，同时m p i 提供了外部v b s c r i p t 程序可添加到面板上 的功能，因此对模型文件的修改中还采用v b s c r i p t 编程。 2 2 2v b s 及其特点 v b s c r i p t 的全称是：m i c r o s o f tv i s u a lb a s i cs c r i p te d i t i o n ( 微软公司可视化 b a s i c 脚本版) 。v b s ( v b s c r i p t 的进一步简写) 是基于v i s u a lb a s i c 的脚本语言。脚 本语言，就是不编译成二进制文件，直接由宿主( h o s t ) 解释源代码并执行，简单点 说就是程序不需要编译成e x e 文件就能执行了。v b s 代码在本地是通过w m d o w s s c r i p th o s t ( w s h ) 解释执行的。v b s 脚本的执行离不开w s h ，w s h 是微软提供的 一种基于3 2 位w i n d o w s 平台的、与语言无关的脚本解释机制，它使得脚本能够直 接在w i n d o w s 桌面或命令提示符下运行。利用w s h ，用户能够操纵w s h 对象、 a c t i v e x 对象、注册表和文件系统。在w m d o w s2 0 0 0 下，还可用w s h 来访问 w i i l d o w sn t 活动目录服务。 与其它高级语言相比，v b s 具有其身的一些特点。 v b s 没有专门的开发工具，只需在记事本( n o t e p a d ) 写出所编的程序，然后 将文本后缀改为v b s 虽p 可，双击便可运行。简单易用是v b s 的一大特点。 v b s 采用解释执行机制，即运行时编译程序编译一句执行一句，因而使用 v b s c r i p t 语编写出的脚本代码在运行前并不做语法检查，不像c 或c + + 等语言采 用编译执行机制，在程序运行前先由编译程序对全部程序源代码进行编译，进行 语法错误检查，直到编译通过后，才生成目标代码并运行。所以v b s 中大量语法 错误直到脚本运行时才能被发现。同时在变量的规定上v b s c r i p t 为了达到语法简 化的目的，规定变量数据类型只有v a r i 锄t 一种，变量名不区分大小写，且变量使 用前可以不用声明，这导致了许多隐蔽性非常强的错误产生。 广东工业大学工学硕士学位论文 作为一种脚本语言，v b s 不像一些高级程序设计语言j t l v i s u a lb a s i c 或v i s u a l c + + 有许多软件工具可以用来进行调试，用来调试v b s 脚本代码的工具非常少。 程序编写者应该充分利用v b s 脚本语言的自身功能来进行程序调试工作。常用两 种方法来进行脚本代码调试工倒3 5 j 。 ( 1 ) 使用m s g b o x 函数进行脚本代码调试 使用m s g b o x 函数来追踪变量值 如果想要知道变量在程序运行期间某特定位置的值。可以在这个位置设置 一个m s g b o x i 函数将变量的值显示出来，并与自己的理论分析值相比较，从而判 断程序的运行状况是否异常。如果发生异常，可以在缩小的范围内进行查错和进 行相应修改。 使用m s g b o x 函数来设置断点 如果想在脚本代码运行到某一位置时暂停程序的运行，察看当前运行的情 况，可以在希望暂停的位置设置m s g b o x 函数。程序运行到此处时将会暂停并弹 出对话框。程序编写者可以察看脚本代码运行到此处时的显示情况。单击“确定 按钮后。程序继续运行。可在程序中多个位置设置断点。检查程序各部分执行情 况是否正常，及时发现错误并进行修改。 ( 2 ) 使用添加注释的方法逼近错误点 有的情况下，虽然知道脚本代码发生了错误，但始终无法找到发生错误的具 体位置，这时，可以将自己认为可能发生错误的脚本代码中的一部分设置为注释 语句，此时，这部分语句将不再执行，然后重新运行程序察看错误是否还会发生。 如果错误仍然发生，表明错误不是由这部分脚本代码引起的。在脚本代码中其它 怀疑出错的部分重复此操作；如果错误没有发生。表明确实是这部分脚本代码出 错，去掉注释标记后修改这段脚本代码。 2 3 逆向造型及其精度检验 2 3 1 逆向造型及其精度检验的理论 将满足尺寸精度的产品反向变形网格模型导入u g 进行逆向造型。逆向工程 又称反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，起源于精密测量和质量检验，是设计下 游向上游反馈信息的一种回路。本文所做的逆向过程与一般的逆向过程不同，一 般的点云是由三坐标测量仪器测量产品得来，并且技术人员还可以按照产品特征 1 2 第二章基于数值模拟及反向变形的注塑模具型腔的设计原理 的复杂程度来确定点的密度以保证结果的精确性，同时产生的点云是有规律的。 而本文中逆向所使用的点云是由数值模拟软件的划分网格时所产生的节点，其规 律性不强，因此在这种情况下如何构建出高精度的反向变形产品c a d 模型也是 本文研究的一个重点。 对逆向造型的c a d 模型进行精度验证，若满足精度要求则可用于模具设计， 若不满足精度要求则需要重新进行逆向造型。对逆向造型的c a d 模型的验证方 法为：在相同的工艺参数条件下对c a d 模型进行数值模拟分析，得到翘曲变形 后的网格模型，提取网格模型的节点，将这些点与原始产品模型在i m a g e w a r e 中 进行比较，比较的主要参数是点云到原始产品模型表面的距离，若距离数值在产 品精度要求范围内，则逆向造型的c a d 模型是满足精度要求的，可以用于模具 的设计，否则还需要重新进行逆向造型。 2 3 2 信息格式的转换 满足尺寸精度的产品反向变形网格模型其格式并不能被u g 识别，为实现在u g 中的c a d 模型的重建必需进行格式的转换。转换方法为采用u g 二次开发。 u g 软件提供的编程工具集，称之为u g o p e n 以满足开发的需要，这组工 具集称之为是一系列开发工具的总称，它们随u g 一起发布，以开放性架构面向 不同的软件平台提供灵活的开发支持。u g o p e n 套件主要由四个开发工具组成 3 6 3 7 ，如图5 1 所示。利用u g o p e n 提供的应用程序和开发工具，用户可以在 其提供的平台上开发出适合自己需要的c a d 产品【3 6 4 3 1 。 u g o p e n u g o e p ng r i p t - tu g 专用图形编程交互语言 u g o p e na p i i - i应用编程接口 u g o p e nm e n u s c r i p th 用户菜单定制 u g o p e nu i s t y l e rh 用户对话框制做工具 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 - 2 u g 的开发工具 f i g u r e2 - 2t h ed e v e l o pt o o l so fu g 1 u g o p e ng r i p u g o p e ng r i p ( g r a p h i c si n t e r a t i v ep r o g r a m m i n g ) 是一种专用的图形交互编 程语言。这种语言与u g 系统集成，实现u g 下的绝大多数的操作，如实体建模、 工程制图、制造加工、系统参数控制、文件管理、图形修改等；也是其它通用语 言程序相互调用的接e f t 3 7 1 。语言与一般的通用语言一样，有其自身的语法结构， 程序结构，内部函数，以及与其它通用语言程序相互调用的接口。程序同样要经 过编译、链接后，生成可执行程序，才能运行。一个语句是由一个或几个命令组 成，g r i p 命令是g r i p 语言的基本组成部分。g r i p 命令有三种表示格式： ( 1 ) 陈述格式：主要用于生成和编辑实体。 ( 2 ) g p a 符号格式：g p a 是全局参数存取( g l o b a lp a r a m e t e r a c c e s s ) 的缩写， 用于访问u g 系统中各种对象的状态和参数。 ( 3 ) e d a 符号格式：e d a 是实体数据存取( e n t i t yd a t aa c c e s s ) 的缩写， 用于访问u g 数据库，能够访问各种对象的功能性数据。例如在属性、绘图和尺 寸标注以及几何体等领域u g 进行交互操作时，其参数可用格式