（材料加工工程专业论文）基于数值模拟的注塑成型工艺优化及制品质量控制研究.pdf

摘要 摘要 注塑成型过程中，熔体在型腔内的状态及变化历史直接影响到最终制品的性 能和质量。对成型过程进行数值模拟，预测熔体在型腔内的状态及变化规律，以 辅助模具设计和成型工艺设置，成为提高制品质量的重要手段。应用成型过程的 数值模拟只能代替试模来反复验证工艺参数是否合适，难以得到最佳工艺设置， 且由于成型中外界扰动的影响，难以保证制品质量的稳定性，因此，对成型工艺 进行优化和控制，提高加工变量的稳定性以生产出高质量的制品具有重要的意义。 论文在对注塑成型充填后充填过程进行数值模拟的基础上，研究工艺条件对制品 质量的影响规律，建立了注塑成型工艺优化和制品质量控制理论及算法，设计了新 型注塑制品质量闭环控制系统，并基于数值模拟实现了注塑制品在线质量控制仿 真。论文主要工作包括： 1 基于粘性可压缩流体的非等温流动，针对注塑成型过程的流动、传热机理 及特点，采用适当的简化和假设，建立了三维薄壁制品注塑成型充填后充填过程 的统一数学模型，模型考虑了熔体的可压缩性及相变的影响。构造了耦合有限元 有限差分控制体积法求解的数值模型，实现了注塑充填后充填过程一体化数值 模拟，预测充模模式、熔接线和气穴位置，以及温度、压力、密度、剪切速率等 在空间和时间上的变化，并进一步预测制品质量指标如收缩、沉降斑指数、重量 等。数值模拟与验证实验取得了一致的结果。 2 在充填后充填模拟的基础上，分别采用材料a b s 、h d p e 和p p ，应用t a g u c h i d o e 技术进行正交实验，研究了工艺参数对制品沉降斑指数、体收缩率变化和制 品重量三个指标的影响关系，确定了各个工艺变量对三个质量指标的影晌度。 3 根据工艺参数对质量指标的影响度选取控制变量，以实验设计获得的近似 优化解为基线条件，抽取工艺特性及制品质量特性数据，应用人工神经网络技术 建立t t - 艺参数与制品质量之间的关系模型，克服了回归分析方法事先给定数学 形式导致有可能丢失信息的缺点，且制品质量神经网络模型对工艺条件变化的适 应性为制品质量控制提供了基础。 4 基于神经网络模型，将实数编码遗传算法与最速下降法结合，用动态惩罚 函数处理遗传算法的约束优化问题，建立了实现单目标和多目标注塑成型工艺优 化的理论和算法。最速下降算子的嵌入加速了遗传算法的收敛，而动态惩罚函数 的引入增大了遗传算法的搜索空间，保证了成型工艺全局最优解的获得，从而为 制品质量控制提供了最优的工艺设置及质量参考。数值算例中对注塑工艺的优化， 使制品内的体收缩率分布和沉降斑得到了明显改善。 5 基于注塑成型机理，以及机器设置参数、状态参数和制品质量指标的关系， 提出t t 艺控制环和质量控制环串联的注塑制品质量闭环控制策略，建立了注塑 制品质量闭环控制的神经网络内模控制理论。基于注塑成型模拟，在m a t l a b 平台 上实现了制品质量闭环控制仿真。仿真结果表明，工艺控制环和质量控制环串联 的闭环质量控制系统比传统的层叠控制具有更好的设置点跟踪能力和抗扰性。 关键词：注塑成型数值模拟工艺优化制品质量控制神经网络遗传算法 郑州大学博士学位论文 a b s t r a c t t h es t a t ea n dv a r i a t i o nh i s t o r yo fp o l y m e ri nc a v i t yh a v ed i r e c ti n f l u e n c eo nf i n a l p a r tp e r f o r m a n c ea n dq u a l i t yi ni n j e c t i o nm o l d i n g i ti sa ni m p o r t a n t m e t h o di np o l y m e r p r o c e s s i n gf i e l dt os i m u l a t et h ep o l y m e rp r o c e s s i n g p r e d i c tt h es t a t ea n dv a r i a t i o no f t h em e l ta n da i dt od e s i g nt h em o l da n ds e t u pt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s h o w e v e r , s i m u l a t i o no fm o l d i n gc a l lo n l yr e p l a c et h et r i a l a n d e r r o ra n dt 1 1 ec o r r e c ta l s od e p e n d o nt h ed e s i g n se x p e r i e n c e i ti sd i f f i c u l tt o g e tt h eb e s tp r o c e s sc o n d i t i o n a n dt 1 1 e i n f l u e n c eo fd i s t u r b a n c em a k ei tm o r ed i f f i c u l tt og e tc o n s i s t e n tg o o dq u a l i t yp a r t t h e i n v e s t i g a t i o no f o n l i n eq u a l i t yc o n t r o lf o ri n j e c t i o nm o l d i n gt om a k et h em o l d i n gk e e p o nt h ed e s i r a b l e1 e v e la n dp r o d u c eh i g hq u a l i t yp a r tc o n s i s t e n t l yi s v e r yv a l u a b l e p r a c t i c a l l y t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u so nt h es i m u l a t i o n o f f i l l i n g p o s t - f i l l i n gs t a g e a n a l y s i s a n dm o d e l i n go ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nq u a l i t yi n d e x e sa n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ， o p t i m i z a t i o n o fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa n dc o n t r o lo fp r o c e s sa n dp a r t q u a l 时i n i n j e c t i o nm o l d i n g t l l et h e o r i e sa n da l g o r i t h m s a r e i n v e s t i g a t e da n dd e v e l o p e df o r o p t i m i z a t i o no f p r o c e s s a n dc o n t r o lo f p a r t q u a l i t y i ni n j e c t i o nm o l d i n g ，a n dan o v e l p a r t q u a l i t y c o n t r o ls y s t e mi sp r o p o s e da n d i m p l e m e n t e d t h ea c h i e v e m e n t si n c l u d e d ： 1 b a s e do nt h e c o m p r e s s i b l e f l o wo fv i s c o u sf l u l du n d e rn o n i s o t h e r m a i c o n d i t i o n s ，au n i f i e dt h e o r e t i c a lm o d e lo ff i l l i n g p o s t f i l l i n gs t a g ef o r3 dt h i n p a r t si sd e v e l o p e db a s e do ns o m ea g s u n i e sa n ds i m p l i f i c a t i o n s c o m p r e s s i b i l i t y a n dp h a s ec h a n g ea r ec o n s i d e r e di nt h eu n i f i e dm o d e l t h en u m e r i c a lm o d e li s d e v e l o p e db yh y b r i df 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 c o n t r 0 1 v o l u m em e t h o d w i t ha n u n i f o r l r lt i m es t e pa n dv a r i a b l ed i f f e r e n c em e s ha c r o s st h eh a l f - g a p t h i c k n e s s ，a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fu n i f i e df i l l i n g p o s t f i l l i n gm o d e li s i m p l e m e n t e d t h es i m u l a t i o nc a np r e d i c t e df i l l i n gp a t t e r n 1 0 c a t i o no f w e l d1 i n e a n da i rt r a p ，a n dt h ev a r i a t i o n so ft h et e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，d e n s i t y , s h e a rr a t e e t cw i t ht i m ea n ds p a c e t h e p a r tq u a l i t yi n d e x e ss u c ha sv o l u m e t r i cs h r i n k a g e ， s i n km a r ki n d e xa n dw e i g h ta r ef l l r t h e rp r e d i e t e db a s e do nt h es i m u l a t i o n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r es a t i s f i e dw i t h e x p e r i m e n t a lr e s d t s 2 o r t h o g o n a la r r a ye x p e r i m e n t sb a s e do nt a g u c h id o ea r ec o n d u c t e du s i n g m a t e r i a la b s ，h d p ea n dp pt o i n v e s t i g a t er e l a t i o n s h i p so fq u a l i t yi n d e x e s ( s u c h 踞s i n km a r ki n d e x v o l u m e t r i cs h r i n k a g ev a r i a t i o na n dw e i g h t ) w i t h p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sb a s e do i ls i m u l a t i o nr e s u l t so ff i l l i n g p o s t - f i l l i n gs t a g e ， a n d s i g n i f i c a n c eo f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e da n dt h eo p t i m a lf a c t o r l e v e lc o m b i n a t i o n sa r co b t a i n e d 3 t h ec o n t r o lv a i l a b l e sa r es e l e c t e db a s e do n s i g n i f i c a n c e o f p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s ，a n dt h ep r o c e s sa n dp a r tq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c sa r ee x t r a c t e du s i n g s i m u l a t i o nr e s u l t sb a s e do nb a s e l i n ec o n d i t i o no fn e a r o p t i m i z e dc o n d i t i o n 。，西c r e l a t i o n s h i pm o d e l so fq u a l i t yi n d e x e sw i t hp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，w h i c hi st h e b a s i so f p a r t q u a l i t yc o n t r 0 1 a r eb u i l tb ya n nt e c h n i q u e 4 1 1 1 et h e o r i e sa n d a l g o r i t h m s a r e d e v e l o p e d t o o p t i m i z e t h e p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s o f s i n g l e - o b j e c t i v e a n d m u l t i o b j e c t i v ep r o b l e m f o r i n j e c t i o n - i i - a b s t r a c t m o l d i n gb yh y b r i dg e n e t i c a l g o r i t h m s g a d s d e s c e n dm e t h o db a s e do na n n m o d e l ，a n dt h ec o n s t r a i n so fg e n e t i c a l g o r i t h m sa r ed e a lw i t hn o n - s t a t i o n a r y p e n a l t y f u n c t i o ng r a d s d e s c e n d o p e r a t o ri m p r o v e s t h e c o n v e r g e n c e p e r f o r m a n c e ，a n dt h eu s eo fn o n s t a t i o n a r yp e n a l t yf u n c t i o na l l o w st h eg a t o e x p l o r em o r eo f t h es p a c eb e f o r ec o n f i n i n gt of e a s i b l er e g i o nt oe n s u r et h a tt h e g l o b a lo p t i m a ls o l u t i o ni so b t a i n e di np r o c e s so p t i m i z a t i o n 1 1 1 eg l o b a lo p t i m a l s o l u t i o n sp r o v i d ep r o c e s ss e t u p sa n dr e f e r e n c eq u a l i t yi n d e x e sf o rp a r tq u a l i t y c o n t r 0 1 n l e o p t i m i z a t i o n o fp r o c e s s p a r a m e t e r s i nn u m e r i c a l e x a m p l e s i m p r o v e st h ed i s t r i b u t i o no fv o l u m e t r i cs h r i n k a g ea n ds i n km a r ko ft h ep a r t o b v i o u s l y 5 c l o s e d 1 0 0 pp a r tq u a l i t yc o n t r o ls t r a t e g y w i t hs e r i e sc o n n e c t i o no fp r o c e s s c o n t r o ll o o pa n dp a r tq u a l i t yc o n t r o ll o o pi sp r o p o s e db a s e do nt h em e c h a n i s m o f i n j e c t i o nm o l d i n g ，t h er e l a t i o n s h i p so f p r o c e s ss e t u p s ，s t a t ev a r i a b l e sa n dp a r t q u a l i t yi n d e x e s ，a n dt h et h e o r yo fa n ni n t e m a l - m o d ec o n t r 0 1 i sb u i kf o r c l o s e d - l o o pp a r tq u a l i t yc o n t r o ls y s t e mo fi n j e c t i o nm o l d i n g n l cs i m u l a t i o no f c l o s e d l o o pp a r tq u a l i t yc o n t r 0 1i si m p l e m e n t e d o nm a ：ha b p l a t f o r mb a s e do n n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n g c o n t r 0 1s i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h es y s t e mw i t hs e r i e sc o n n e c t i o no fp r o c e s sc o n t r o ll o o pa n dp a r t q u a l i t yc o n t r o ll o o ph a sg o o dp e r f o r m a n c e o f s e t - p o i n tt r a c k i n ga n dd i s t u r b a n c e r e j e c t i o nt h a nt r a d i t i o n a lc a s c a d ec o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p r o c e s so p t i m i z a t i o n ， p a r tq u a l i t yc o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r k ，g e n e t i ca l g o r i t h m s i i i 塑二主笙笙 第一章绪论 1 1 注塑成型工艺特性及对制品质量的影响 注塑过程主要包括塑化、充填、保压和冷却四个阶段，如图1 1 所示。 图1 1 注塑机基本组成及成型过程图示 f i g 1 1b a s i cm a c h i n ec o m p o n e n t sa n dp r o c e s s c h a r t 阶段1 ：充填阶段 工艺特性 这个阶段，模具闭合，熔体在压力的驱动下注入模腔。在注射阶段，注射时 间、熔体温度、流动速率是影响最终制品质量的重要因素。注射时间直接影响到 注射压力，注射时间短，熔体需要以较高的体积流率流入型腔，则注射压力就大。 而当注射时间过长时，由于熔体在冷模壁的作用下温度降低，粘度增大，使流动 阻力变大，则注射压力又变大。注射压力随充填时间的变化如图1 2 所示，对应于 使注射压力最低的注射时间为最佳注射时间。 熔体温度对最终制品的质量特性也有重要的影响，熔体温度影响着熔体的粘 度，决定了熔体的流动阻力。温度低，粘度就高，则熔体流动性就差，充模困难。 反之，温度升高会降低熔体的粘度，使充模容易。 充填速率决定着制品充入模腔的速度及速度沿厚度方向的曲线分布( 如图 1 3 ) 。速度曲线对剪切速率、分子取向有重要的影响，从而影响制品质量和性能。 对制品质量的影响 注射阶段对制品的外观质量和内部性能都有重要的影响。如短射、飞边、流 痕、熔接线、气穴等缺陷都是在充填阶段成型不当引起的。其中，短射、飞边、 流痕和气穴直接影响到制品外观质量。熔接线处，由于取向通常平行于熔接线， 因此制品强度降低。另外，由于流动速率影响制品的内部分子取向，从而影响制 郑州大学博士学位论文 品的内部性能。 f l o w r a t e i - 0 au 坞s i ? 曩 i m 州t h e 图1 2 注射压力与充模时间关系图 f i g 1 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n j e c t i o n p r e s s u r ea n df i l l i n gt i m e u l l l 。i o n o l l a e i i o w 葺3 一 一，艺 k i 竹p r o f i l e i s t i n i b t e c o n e c t i o m f l m 图1 3 横截面上的速度分布曲线 f i g ，1 3 v e l o c i t y p r o f i l eo n g r o s ss e c t i o n 阶段2 ：保压阶段 工艺特性 当模具被完全充满后，螺杆在原位置保持一定的时间，使得熔体继续充入型 腔，这个阶段为保压时间，在这个阶段，额外的熔体注入型腔以弥补冷却引起的 收缩。随着冷却的进行，尺寸较小的浇口凝固，此时，模具内的熔体仍然保持很 高的压力，当熔体继续冷却和固化，压力逐渐降低。在冷却和固化阶段，型腔内 的压力必须足够高以避免冷却引起的缩痕( 又叫沉降斑) ，但过高的压力又会使熔 体从型腔向外倒流。保压时间和保压压力是保压阶段两个重要的工艺参数。 对制品质量的影响 保压阶段对制品尺寸、表面和材料性能都有影响。例如，如果保压时间过短， 保压不足，会出现过量收缩，使得制品尺寸误差增大，还可能引起缩痕和内部空 洞等缺陷。然而，如果过保压，收缩降低，但制品内应力会增大，影响到制品的 强度。保压阶段的熔体温度变化速率和保压时间还影响到冷凝层内的结晶性能， 从而影响制品内部形态。保压压力确定了在固定的保压时间内补料的多少。如果 保压压力过低，在浇口凝固前难以补充足够的熔体到型腔，而如果保压压力过大， 又会出现过保压。可见，保压时间和保压压力的选择对最终制品的尺寸、重量和 内应力有重要的影响。 阶段3 ：冷却阶段 工艺特性 在冷却阶段，制品固化。通常，冷却阶段的模具温度、熔体温度、材料的热 传导率决定了制品的冷却速率，从而会影响内部结晶，同时，型腔内的温度分布 不均会引起热残余应力。在冷却阶段，由于浇e l 凝固，型腔补料结束，型腔内部 - 2 - 第一章绪论 与外界没有了物质传递，但型腔内部熔体还没有完全固化，由于模具结构的差异 和温度的差异，熔体在型腔内部的固化和收缩不同，仍然会存在少量熔体的流动， 此时，型腔内部冷却效果在起决定性作用。熔体由壁面向型腔中心逐渐冷却固化， 直到满足脱模要求。 对制品质量的影响 冷却阶段确定了最终制品内部的结晶度、制品内部的残余应力及取向。翘曲 是制品的一个重要缺陷，结晶、残余应力及取向正是引起制品翘曲的主要原因。 另外，如果充填和保压阶段的补料不足，在冷却阶段制品就会出现缩痕或内部空 洞。在成型过程中，由于冷模壁的作用，制品外部先冷却固化，冷却作用使熔体 体积收缩，外部固化层和芯部熔体之间存在着拉力，此时，如果制品表面强度足 够，则熔体被拉向表面，形成空洞。如果模壁温度较高，制品表面的强度难以抵 抗拉力的作用，则制品表面下沉，形成缩痕( 又叫沉降斑) 。当型腔厚度变化较大 时，在厚壁部位容易产生沉降斑，筋板处由于厚度比周围的大，也容易产生沉降 斑。可通过改变模具设计来改善沉降斑的分布，如减小厚壁部分的厚度、使浇口 位于厚壁部分或增大浇口尺寸延迟浇口凝固时间、增加保压压力和保压时间、降 低熔体温度和模具温度也可改善沉降斑的分布。本文主要研究成型工艺对制品质 量的影响。 1 2 注塑成型过程数值模拟、工艺优化和控制的重要性 传统的模具设计和工艺参数设置主要依赖于设计者的经验和技巧，模具设计 的合理性只有靠反复的试模和修模，工艺参数的设置也只能靠反复的试模和修改 设置，缺乏科学依据，生产周期长，成本高，质量也难以保证。而对成型过程进 行模拟，在模具制造之前就可发现设计中的问题，使模具设计和工艺参数设置建 立在科学的分析基础之上，可缩短生产周期，提高制品质量。随着对制品质量要 求的提高，对成型过程进行预测已经成为设计过程不可缺少的环节，因此，建立 注塑成型过程熔体在模腔中流动和传热的数学模型，并采用数值方法实现成型过 程的数值模拟具有重要的意义。 由前面的叙述，注塑成型工艺复杂，制品质量受到成型机械、模具几何形状、 材料性能及工艺参数等多种因素的影响。传统的提高塑料制品质量的方法主要是 改进模具设计和采用材料性能较好的树脂：一方面，随着计算机技术在塑料成型 领域中的应用，可以很方便地用c a e 技术对模具的设计进行分析、改进，以避免 代价昂贵的机械失误并缩短生产周期，但是模具设计的改进仍然受到很多的条件 制约，如：制件的复杂程度、机械加工的难度等；另一方面，尽管材料的性能在 不断的提高，其性能的波动令成型加工很难达到完全稳定致的状态。而且，既 使采用最佳的模具设计和最优的材料性能，有时仍然很难获得令人满意的制品。 郑州大学博士学位论文 由于成型过程的工艺参数直接决定了熔体在模腔中的流动状态，对制品质量有着 最直接最深远的影响，因此找到制件成型的最优工艺条件，对成型过程进行工艺 控制，是提高塑料制品质量的有效途径。这是因为，成型过程中，精密的成型机 械、合理的模具设计和优良的材料性能只有在合理的成型工艺设置下才能体现出 来：另一方面，成型机械、模具设计和材料性能的缺陷有时可通过合适的成型工 艺设置来弥补。由此可见，注塑成型工艺对制品质量有着至关重要的作用。注塑 工艺参数的设置首先影响充填和保压过程中熔体在型腔中的流动和传热过程，继 而到冷却阶段，流动和保压阶段形成的宏观状态及结晶、取向和应力等微观性能 固化在制品内，最终决定了制品的性能和质量。工艺参数对制品最终性能和质量 的影响关系可由图1 4 描述。 工艺参数 状态变量 内部性能外部性能 注射时间、注射流率 熔体温度分布 宏观状态尺寸、重量 保压时间、保压压力日熔体压力分布 _ 分子取向 日 表面质量 - h 熔体温度、模具温度 熔体流动速率 结晶机械性能 锁模力等 熔体冷却速率等残余应力等光学性能等 图1 4 工艺参数对制品质量的影响 近年来，对制品质量和性能要求的提高，使得传统的注射成型手段已经无法 满足产品质量的要求。因此，各种提高和控制注塑制品质量的理论及方法成为当 前聚合物加工领域研究的热点。成型模拟技术的出现，使得人们在设计阶段预测 成型过程中各个状态量的变化规律，预测制品的宏观结构及微观性能，帮助工艺 设计人员科学地确定最佳的工艺设置方案，成为成型高质量产品的辅助工具。但 是，目前数值模拟技术的应用仅仅是代替实际的试模和工艺调节过程，合理的方 案确定仍然需要反复地分析和修改设计方案，难以提供明确的改进方向和尺度， 模拟软件的应用很大程度上仍然依赖于使用者的实际经验。 通过c a e 技术预先得到的工艺条件虽然能作为实际成型工艺设置的依据，但 是，在系统扰动较大的情况下，预先得到的成型条件可能与实际的最佳成型条件 之间存在很大的误差。因此，在通过c a e 分析得到了优化工艺条件之后，应利用 控制器在线监测控制成型过程的实时状态，根据采集到的实时信息结合工艺优化 方法，实时调节成型工艺条件使成型过程在最佳工艺条件下进行，以保证成型制 品的质量。实时控制技术已经应用于很多工业控制领域，丽近年来微电子技术与 计算机控制技术的进步为注塑成型过程的工艺控制提供了技术保证。利用c a e 技 第一章绪论 术可进行注塑成型工艺控制性能的预先测试，根据分析结果判断控制方法、控制 变量的选取是否能够获得预期的控制效果，从而为实际控制的硬件可行性提供判 断依据。基于此，对注塑成型过程进行计算机模拟，将成型模拟技术、优化设计 理论和自动控制理论结合来优化成型工艺、控制制品质量是本文的主要研究宗旨。 1 3 注塑成型充填后充填过程数值模拟技术的研究概况 自1 9 6 0 年，许多研究者开始对塑料熔体的流动行为进行分析。最初的研究主 要集中在一维流动分析。p e a r s o n ，k a m a l 和k e n i g ”。“，j l b e r g e r 和c g g o g o s “1 和s t e v e n s 0 0 1 等研究了中心浇口园盘或半园盘的径向一维流动，t o o r “1 ， h a r r y 和p o r r o r t ”1 等对矩形平板的充填过程进行了分析。随着维流动分析的日 趋成熟，人们开始探索复杂问题的研究方法。h i e b e r ”3 等提出了流动路径法，根据 熔体在型腔中的流动路径将复杂的型腔分解为一系列的一维流动路径，以各个流 动路径的总压力降为准则，对各个路径进行耦合分析。这种方法需要事先划分流 动路径，在复杂型腔的分析中应用受到限制。1 9 7 4 年，z t a d m o r ，e b r o y e r ，和 c g u t g i n g e r 。3 将熔体在薄壁型腔中的二维流动视为h e l e s h a w 流动，建立了二维 等温流动的数学模型，并用f a n 法( f l o wh n a l y s i sn e t w o r k ) 实现了数值求解。 t a d m o r 建立的数学模型和数值方法成为复杂薄壁型腔充填过程数值模拟的基础。 1 9 8 0 年h i e b e r s h e n | ”1 首次基于非等温、粘性广义h e l e s h a w 流动的数学 模型，采用耦合有限元有限差分混合方法实现注塑模薄壁型腔充填过程的数值模 拟。该方法将复杂的三维薄壁型腔简化为2 + 1 维问题，即在流动平面内，各待求 量用二维有限元求解，温度在厚度方向上采用有限差分求解。该方法发挥了有限 元和有限差分各自的优点，成为充填模拟的主要数值算法，对注塑模充填模拟技 术产生了深远的影响，但是，其采用的预测一修正的熔体前沿跟踪方法并没有被广 泛采用。 1 9 8 6 年，w a n g “”等基于f a n 法的思想，将控制体积法引入注塑成型模拟中， 实现了移动界面的自动跟踪。该方法成为中面模型模拟的主导算法。目前，基于 中面模型的充填模拟“1 ”1 采用非牛顿流体非等温下广义的h e l e s h a w 流动模型描 述充模过程；用混合有限元有限差分法求解连续方程、动量守恒方程和能量守恒 方程以获得压力场、温度场和速度场：用控制体积法跟踪熔体的流动前沿；用人 工智能技术自动识别熔接线和气穴的位置。该模型可对任意复杂薄壁注塑制品充 填过程进行模拟，获得详尽的分析结果。该技术目前相对已经较为成熟，研究热 点也由算法研究转向应用研究。基于中面模型充填模拟技术虽然比较成熟，但无 法描述一些三维的几何特征及三维流动现象如流动前沿的泉涌现象等，而且无法 实现与c a d 技术的无缝拼接。 双面流技术“”“直接利用c a d 建立实体的表面信息s t l ( s t e r e 0 1i g h o g r a f j h ) ， 郑州大学1 尊士学位论文 在实体表面进行二维网格划分，根据模型的几何特点对单元结点配对，使用 b i e b e r “”方法计算压力场、温度场，再使用特殊的方法使配对的结点具有近似相 同的物理意义( 如压力相等) 。这种方法既利用了中面模型的快速、灵活的特点， 又不需要重构几何模型，大大减轻了用户建模的负担，降低了对用户的技术要求， 但从c a e 的角度来看，它仍然无法解决中面模型无法解决的流动现象。 采用实体模型和三维网格的真三维流动模拟技术”“”1 无疑是最理想的状况， 该方法既能够更全面地描述充填过程的流动现象，而且可以更方便地实现与c a d 技术的无缝拼接，但面临的最大问题是计算效率问题，该问题成为限制三维流动 分析的主要问题。 保压过程中由于冷却的作用，型腔内部重新建立压力梯度，使得熔体继续向 型腔中充填。保压阶段，虽然计算区域固定，但由于材料的性质在这个阶段变化 较大，材料性能不能再作为常数处理。s p e n c e r 和g i l m o r e 1 将状态方程和经验公 式结合估算保压阶段的最大保压压力。k e m a l 和k e n i n g 。3 用连续、运动和能量方 程建立了半圆形模腔保压过程的数学模型，并计算出了温度和压力分布。j g r e e n e r “”从t a i t 状态方程和热传导方程推出保压阶段模腔平均压力的表达式。 c h u n g 。1 利用s d e n c e r - o i i m o r e 状态方程建立了牛顿流体等温保压过程的数学模 型。c h i a n g 等“”基于广义h e l e s h a w 流动假设，建立了非牛顿流体在薄壁型腔内 的非等温充填保压过程的统一数学模型，并基于有限元有限差分控制体积的法 实现了任意形状薄壁模腔充填保压过程的数值模拟。c h i a n g 等采用六点g a u s s i a n 积分估计比热在差分层上的平均值，并将该平均值作为差分点上的等效比热。这 种平均方法可以考虑相变及结晶潜热的释放。但是，这种方法难以预测准确的固 液界面位置。m k l i a o 和c s l 产1 基于广义h e l e s h a w 模型和f e m f d m 耦合 数值方法，采用边界追踪有限差分确定固熔界面，但其在更新固熔界面周围的分 层点时必须满足c o u r a n t 限制，否则，解可能不稳定。y k s h e n ”2 1 采用有限单元 法求解注塑充填过程，采用热焓模型代替温度方程求解围熔界面。c h e n 和l i u 。3 圳 分别模拟了具有相变的充填和保压过程，并基于移动区域方法确定固液界面。在 实际生产中，由于模具型腔通常非常复杂，很难保证型腔流动完全平衡。对于流 动不平衡的型腔，先充满的部分在整个型腔还没有充满时，就已经处于压缩流动 状态，压缩效果明显，熔体可压缩性对模拟结果的影响已经不可忽视，因此，应 考虑充填过程熔体的可压缩性，将充填后充填过程作为一个统一的过程“”。 自二十实际八十年代以来，我国也开展了注塑成型充填、保压方面的研究， 二十世纪末就取得了不少成果。但直到目前，我国的研究都是将充填和保压过 程作为两个独立的阶段，充填过程熔体的流动作为具有变化计算区域的非牛顿不 可压流体在非等温状态下的广义h e l e s h a w 流动，且熔体的密度、比热和热传导 率均作为常数处理，而保压阶段则需要考虑材料的可压缩性，熔体的流动为区域 第一章绪论 固定的非牛顿可压流体在非等温状态下的广义h e l e s h a w 流动。保压模拟的初始 条件由流动模拟提供。 因此，建立统一的数学模型并采用数值方法实现充填后充填过程一体化的数 值模拟具有重要意义。 1 4 注塑成型工艺优化及制品质量控制研究概况 1 4 1 注塑成型过程的影响变量分析及各阶段的控制变量选择 注塑成型是一个多变量的复杂非线性过程，在注塑成型过程中，影响制品质 量的因素可以分为四类：机器参数、材料参数、工艺参数和扰动。其中机器参数 同注塑机直接相关，用以表征机器的机械特征，包括：料筒温度、喷嘴温度、背 压、螺杆旋转速度、模具温度及注塑机和模具的几何特征等。材料参数为注塑材 料的一些典型特征，一般由材料供应商提供，包括材料的流变性能、热物理性能 ( 包括密度、分子组成、分子量、比热和热传导率等等) 。工艺变量反映了成型过 程中材料的状态，受机器参数、材料参数的影响，注塑成型过程中的典型工艺变 量有：型腔中的熔体温度、压力分布，熔体注射速率、模具内的热流分布等等。 要对制品的质量进行控制，需要给出衡量制品质量的量化指标，通常，衡量制品 质量的指标有：表面质量、几何特征及稳定性、机械性能、形态性能及光学性能 等。当然，这些参数虽然被划分为不同的范围内，但是相互之间有着密切关系， 互相产生影响。机器参数、材料参数决定了工艺参数。对工艺参数的要求，直接 影响到机器参数、材料参数的选取，从而确定出相应的注塑机和对应材料。 注塑成型过程中机器参数、材料参数、工艺参数相互影响、相互作用，决定 了最终制品的质量。对注塑成型过程的四个主要阶段塑化、充填、保压和冷却进 行分析可知，不同的阶段中各个参数对制件质量所起的影响也不同( 如图1 5 ) 。 塑化阶段可选用的控制变量为熔体温度、螺杆速率、背压等。充填阶段可选用的 控制变量有：喷嘴压力、型腔压力或者注射速率、粘度、熔体温度等。保压阶段 可选用的控制变量有：保压压力、保压时间、熔体温度等。冷却阶段可选用的控 制变量主要是冷却时间等。可以看出，一部分参数只在某个阶段存在并可作为控 制变量，而另一部分参数的存在贯穿整个成型过程，对制件质量起决定性的影响， 可作为整个成型周期的控制变量。同时，由于受到控制条件的约束，这些参数中 只能有一部分可队直接进行控制并作为可供选用的控制变量。 由前面的分析可知，温度和压力是贯穿于整个成型过程的变量，是两个重要 的状态变量，它们的值直接决定了成型过程中高聚物熔体材料性能及在模腔中的 流动行为。因此，在注塑成型的各个阶段，温度和压力都是决定制品质量优劣的 重要因素，是成型过程监控及制品质量控制中首选的控制变量。一般来说，主要 一7 - 郑州大学博士学位论文 的温度参数包括料筒温度、喷嘴温度、熔体温度、模具温度等。其中熔体温度直 接反映了材料的状态，在整个成型周期都应将其作为控制变量。而模具温度显著 影响充模、冷却和保压过程。主要压力参数包括型腔压力、喷嘴压力、液压压力 等。各个温度参数之间相互影响，各个压力参数之间相互影响，温度和压力参数 之间也相互影响。喷嘴温度和模具温度影响着型腔内的熔体温度，由于熔体温度 不能直接进行控制，所以可以通过指定喷嘴温度和模具温度达到调节熔体温度的 目的。在压力参数中，也有类似的情况，型腔压力直接影响制品质量，可是监测 和控制型腔压力却很难实现甚至无法实现，喷嘴压力和液压压力的控制容易实现， 液压压力仅仅表征液压系统的压力，不能反映成型中塑料熔体的状况，因此应选 用型腔压力或喷嘴压力作为控制变量，两者的选择由模具和成本决定，因为尽管 型腔压力直接反映材料在型腔中的状态，却存在模具是否允许安装压力传感器的 问题，安装压力传感器还会增加产品成本，且会在制品表面留下瑕疵；喷嘴压力 虽不能直接反映型腔内的材料状态，但也很好地反映了浇口冻结之前模具内压力 的整体趋势。温度和压力之间的影响更是密不可分，熔体温度高时，所需压力就 小：熔体温度低时，所需压力就大。在多变量的注塑成型过程中，压力和温度的 关系由于有更多变量的介入而变得复杂。 外部输 变量 图1 5 注塑成型各阶段的变量 f i g 1 5v a r i a b l e si ne a c hs t a g e so f p l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s 对于不同的工艺要求和不同的控制目的，应对工艺参数做细致的分析，从而 第一章绪论 确定出最佳控制参数。注塑成型过程中工艺参数之间相互影响，密切相关，因此 仅仅对单个变量进行控制，很难达到理想效果，而应找出对制件质量以及其他变 量影响较大的几个变量进行多变量控制，以避免成型过程的控制失去平衡a 1 4 2 注塑成型工艺优化的研究进展 热塑性塑料在生产中的应用越来越广泛，对制品质量也有了更高的要求，获 得合适的工艺条件越来越显得迫切。近几年，将优化算法与数值模拟结合自动优 化模具设计的研究得到普遍重视。在工艺设置和调节方面，目前的应用仍仅限于 应用c a e 分析代替试模来反复验证工艺设置是否合适，这种方法只能使工艺调节 到无明显制品缺陷的工艺条件，而很难达到最优工艺设置。而且，