（材料加工工程专业论文）基于遗传算法的注塑模注射速度优化.pdf

郑卅1 人学碘 。学位论文 _ _ _ _ 一一 摘要 i 在精密注射成型领域，利用c a e 技术从充填工艺参数的角度来控制 具有复杂模具型腔制品的最终成型质量已经是一种十分重要的手段。由于 充填过程的复杂性及高聚物熔体流动的不稳定性，如何设计出更优化的工 艺参数( 如注射压力、充填时间、注射温度、注射速率) ，始终是困扰充 填过程c a e 研究者的难题。如何把现代优化设计理论与c a e 技术相结合， 运用于聚合物成型加工已经成为目前成型加工和模具优化设计的热点研 究问题。 对于充填过程，熔体前锋面速度m f v ( m e l t f r o n t v e l o c i t y ) 的不一 致将导致制品产生不均匀收缩、非一致取向和翘曲变形，如何控制m f v 是目前精密注射成型研究的主要课题。本文从控制注塑机螺杆速度的角度 出发，以c a e 模拟出的m f a f i l l t i m e 曲线为基础，通过恰当地选取控制 时间点，同时改变相应时刻的注射流率，从而使熔体前沿面的推进速度得 到改善，进而实现了m f v 在充填过程中的均一化。 m f v 优化问题是基于充填过程的数值模拟，利用遗传算法实现的。 对充填过程的数值模拟使我们可以方便地得到型腔中各时刻的压力场分 布，以及每一时刻的前沿面推进位置、形状和对应的酊沿速度，这些数据 为优化的展开提供了直接依据。遗传算法具有不依赖问题模型的特性、全 局最优性、隐含并行性、高效率及解决不同非线性问题的鲁棒性等多种优 点。对于m f v 优化这一非线性、多目标的规划问题，采用遗传算法来求 解，最终证明了其出色的求优功能。 本文针对m f v 优化问题的求解，进行了包括资料检索、工程分析、 理论分析、选定求解方案到具体的程序实现等一系列的工作，主要内容如 下： 1 在对复杂型腔充模流动过程进行深入分析的基础上，将该最优 化问题进行了两步求解的划分。首先在m f a f i l lt i m e 曲线上确定出分段 控制点( 时间) 和控制段数，然后再优化出各控制点处的注射流率。根据 这一思路，分别构造出了符合问题实际的数学模型( 目标函数和约束条 郑j 1 大学硕：i 一学位论文 件) 。 2 在充填模拟的基础上，采用遗传算法对该规划问题进行了求解。 基于m f v 优化问题的特点，采用了实数编码方式对染色体进行了编码， 在复制过程中，提出一种新的子代的复制规则，从而有效避免了早熟现象。 经复制、交叉、变异等运算过程，优化得到了全局最优的控制点位置和控 制点流率。 3 从m f v 优化的实例结果来看，对于形状复杂注塑件的充填模 拟，优化后其目标值一般都能下降5 0 一7 0 左右，而优化所用时间一般 都不会超过5 秒。 4 编写了熔体前沿速度优化的应用程序。该程序采用v c + + 编写， 在运行时采用多线程机制，将流动分析和遗传算法两大模块进行了功能上 的封装，并有机结合在一起为优化主线程服务；在界面上采用m i c r o s o f t m f c 平台提供的标准界面，对生成的文档进行了序列化，使文档操作标 准化；对优化结果进行可视化处理，使用户可以方便地参与优化过程并及 时查看优化的中间和最终结果。铀于开发模式上的差异，陔程序不仅改善 了c a e 软件的模拟功能，而且在操作上也更加方便化、，实用化。同时还 对充填过程数值模拟的实现软件z f l o w 进行了改善。 关键词：熔体前沿速度熔体前沿面积 最优化充填模拟 注射流率 遗传算法 堑型查兰堕：! ：堂丝笙茎 一一 a b s t r a c t i nt h ep r e c i s i o ni n j e c t i o n - m o l d e df i e l d 。m a k i n gu s eo fc 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 ) t e c h n o l o g yt oc o n t r o lt h ef i n a lq u a l i t yo ft h ep a r t st h a t h a v ec o m p l e xm o l dc a v i t yb yt h ef i l l i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sh a sb e c o m ea v e r yi m p o r t a n tm e t h o d w h i l et h ec o m p l e x i t yo f t h ef i l l i n gp r o c e s sa n dt h e i n s t a b i l i t yt h a tt h ep o l y m e r m e l tf l o wa tt h ep h a s e h o wt od e s i g nt h eo p t i m a l p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s s u c ha s i n j e c t i o np r e s s u r e 、f i l l i n gt i m e 、i n j e c t i o n t e m p e r a t u r e 、i n j e c t i o nv e l o c i t y , i sap r o b l e m t h a tp u z z l e st h er e s e a r c h e r si nt h e i n j e c t i o nm o l d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n f i e l d h o wt oc o m b i n et h em o d e m o p t i m i z i n gt h e o r i e s w i t ht h et e c h n o l o g yo fc a ea n dh o wt ou s ei ti nt h e p r o c e s s i n go f p o l y m e r sh a v e b e c o m et h eh o t s p o to ft h er e s e a r c h i n gf i e l d t h eu n s t e a d i n e s so ft h e m f v ( m e l t f r o n t v e l o c i t y ) l e a d s t ot h e n o n u n i f o r ms h r i n k a g e ，i n c o n s i s t e n tt r o p i s ma n dw a r p a g ei na p p e a r a n c eo ft h e p a r t s h o wt oc o n t r o lm f v i st h em a i np r o b l e mi nt h i sr e s e a r c h i n gf i e l d i n t h i sd i s s e r t a t i o nav e r yg o o dm i n di s p r e s e n t e dt h a t c a nc o r r e c t l ys e l e c tt h e t i m ep o i n t sd u r i n gt h ef i l l i n gp h a s ea c c o r d i n gt om f a f i l l i n gt i m ec u r v ef r o m f l o ws i m u l a t i o n ，a n dc h a n g et h ec o r r e s p o n d i n gi n j e c t i o nf l o wr a t e w ec a n m a k em f a a d v a n c i n gm o r es t e a d yb yc o n t r o l l i n gt h er a r n s p e e d w eg e tm o r e u n i f o r mm f v ( m e l t f r o n t v e l o c i t y ) a tl a s t f l o w i n gs i m u l a t i o na n dg e n e t i ca l g o r i t h m s ( g a ) a r et w oi m p o r t a n t f o u n d a t i o nt os o l v et h em f v o p t i m i z e dq u e s t i o n ，t h ef o r m e rl e tu sg e ts o m e d a t ae a s i l y , s u c ha st h ep r e s s u r ef i e l dd i s t r i b u t i o na ta n yt i m ei nt h em o l d ，m f a a d v a n c i n gp o s i t i o na n d t h ec o r r e s p o n d i n gm f v , t h e s ed a t ap r o v i d et h ed i r e c t c o n d i t i o nt o o u t s p r e a dt h eo p t i m i z e dc o m p u t e g ah a sm a n ym e r i t s t h a t i n c l u d e s i n d e p e n d e n c e t ot h e q u e s t i o n ，t h eg l o b a lo p t i m i z e d ，c o n n o t a t i v e p a r a l l e l i t y h i g he f f i c i e n c y a n d s t r o n gi l l e g i b i l i t y t os o l v et h ed i f f e r e n t n o n - l i n e a rq u e s t i o n ，t ot h em u l t i - o b j e c t i v ea n dn o n l i n e a rm f v o p t i m i z e d q u e s t i o ni nt h ep a p e r ，t h es o l u t i o np r o v e st h es t a n d o u to p t i m i z e df u n c t i o no f i v 塑型查兰堡! ：堂丝堡苎 u a a i m e da tt h es o l u t i o no fm f vo p t i m i z e dq u e s t i o n ，t h ea u t h o rm a k e s a s y s t e m a t i c a ls t u d yt h a ti n c l u d e ss e a r c h i n gi n f o r m a t i o n ，e n g i n e e r i n ga n a l y s i s ， a c a d e m i ca n a l y s i s ，s e l e c t i n gs o l u t i o nw a ya n dr e a l i z i n gt h er e s u l tb yp r o g r a m t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w i n g ： 1 b a s e do nt h o r o u g ha n a l y s i si n p h y s i c a l c o u r s eo ff i l l i n g p h a s e i n c o m p l e xc a v i t y , t h eo p t i m i z e dq u e s t i o nw a s d i v i d e di n t ot w op a r t st os o l v e a t f i r s t ，w eo p t i m i z et h ec o n t r o lt i m ep o i n ta n dz o n en u m b e r o nt h em f a f i l l i n g t i m ec u r v e t h e nw eo p t i m i z et h ei n j e c t i o nf l o wr a t e w i t ht h i sm i n d ，w e c o n s t r u c te a c hm a t h e m a t i cm o d e l ( o b j e c t i v ef u n c t i o na n dr e s t i c t i o n ) a c c o r d i n g t ot h ef a c t u a lq u e s t i o n 2 o nt h eb a s i so ft h ew o r ko ft h ef i l l i n gs i m u l a t i o n ，w es e l e c tg a t o s o l v et h eq u e s t i o n t h ef l o a tc o d em o d ei su s e dt oc o d ef o rc h r o m o s o m e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro ft h em f vo p t i m i z e dq u e s t i o n an e w k i n do f c o p y i n gr u l e sa b o u tf i l i a lg e n e r a t i o ni sb r o u g h tf o r w a r dd u r i n gt h ep r o c e s so f c o p y i n g a n dt h ep r e m a t u r i t yi sa v o i d e de f f e c t i v e l y a f t e rt h eo p e r a t i o np r o c e s s o f c o p y i n g i n t e r c r o s sa n da b e r r a n c e ，t h eo p t i m i s ts i t u a t i o na n d t h ef l o wr a t eo f t h er e f e r e n c ep o i n ta r er e c e i v e d 3 f r o mt h er e s u l tt h a tw a so p t i m i z e db ys a m p l ep a r t s ，t h eo b j e c tv a l u e c a n a l w a y sd e c r e a s eb y5 0 一7 0 a f t e ro p t i m i z i n g ，w h i l et h et i m eu s e db y t h e o p t i m i z a t i o np r o c e s si sn o to v e r 5s e c o n d su s u a l l y i ti sn o t h i n gt os p e a ko ft h e t i m ec o m p a r i n gt ot h et i m et h a ts i m u l a t et h ef l o w i n gp r o c e s s a n dt h el a t e ri s o f t e nf r o mm a n ym i n u t e s1 0h o u r s 4 f o rt h em f v o p t i m i z e dq u e s t i o n ，w eh a v ef i n i s h e dt h es o f t w a r eb y w h i c hi tw a sr e a l i z e do nc o m p u t e r t h i sp r o g r a mw a sw r i t t e nb ym i c r o s o f t v c + + i tw o r k si nm u l t i t h r e a dm o d e m o r e o v e r , i te n c a p s u l a t e dt h et w o f u n c t i o n ：f l o ws i m u l a t i o na n dg a ，i tm a d et h e mw o r kb e t t e rf o rm a i nt h r e a d t o g e t h e r a tt h e s a m et i m e ，t h ei n t e r f a c ei st h es t a n d a r do n ef r o mm f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) ，a n dt h ed o c u m e n t i ss e r i a l i z e da l s o t h e s em a k e i tm o r ef a s h i o n a b l ea n ds t a n d a r d i z i n g a tl a s t ，t h er e s u l tw a sv i s u a li n t h i s v 郑州人学硕1 j 学位论文 p r o g r a m ，i tm a k e st h e u s e r st oc h e c kt h em i d d l er e s u l t sd y n a m i c a l l yi nt h e r u n n i n gt i m e t h ep r o g r a mn o to n l ym a k e sz f l o ws o f t w a r em o r ep o w e r f u l ， b u ta l s om a k e st h eo p e r a t i o nm o r ec o n v e n i e n ta n ds i m p l eb e c a u s ei th a v e b e t t e rb e a u t i f u lm o d et h a nt h eo l do n eb yt h e w r i t i n gw a y z f l o w f t h e s o f t w a r ef o r f l o w i n gs i m u l a t i o n ) w a si m p r o v e df o rt h eo p t i m i z a t i o n a tt h e s a m et i m e k e yw o r d ：m e l t f r o n t - v e l o c i t y m e l t - f r o n t a r e a o p t i m i z a t i o n i n j e c t i o nf l o wr a t ef i l l i n gs i m u l a t i o n g e n e t i ca l g o r i t h m s v i 塑型叁兰堡主堂笪笙苎 第一章绪论 1 1 背景 注塑成型作为热塑性塑料( 部分热固性塑料) 主要的加工方式已经得到普遍的 应用，在注塑模充填保压一冷却这个周期性循环过程中，材料本身的特性以及复 杂的加工条件使材料成型过程经历了相当复杂的变形历史和相态变化，如固体输送、 熔融、熔体输送、流动、压实、固化、相变、分子取向、纤维取向、翘曲变形等。 成型过程不仅使材料获得一定的形状、尺寸，而且赋予材料最终的组织与性能。成 型加 ：的最终目的是生产制造出具有竞争力的高质量制品，制品的质量在很大程度 上取决于成型工艺过程，工艺参数往往需要进行调整。尽管目前的注塑机为了使加 l 工艺更加合理、经济，允许操作人员可以对大多数加 ：参数进行调节，但实际上， 对于相互影响的工艺参数来说，仅靠经验往往难以得到最优化的工艺条件。 注射模c a e 技术的出现，为我们解决这一问题提供了一个有力的辅助工具， c a e 技术就是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，通过建立塑料熔体在模具 型腔中的流动、传热的物理数学模型， 算机屏幕上形象、直观地模拟出实际 成型中熔体的动态充填、冷却过程， 定量地给出成型过程的状态参数( 如 压力、温度、速度等) 。利用注射模 c a e 技术，可在模具制造和制品生产 之前，在计算机上对模具设计方案和 成型工艺方案进行分析和模拟，预测 设计中潜在的缺陷，为设计人员修改 设计提供科学的依据。尽管如此，成 型模拟技术作为成型加工和模具设计 的有力辅助工具，它还仅仅是校验设 计方案的合理性达到工艺“最优化” 的过程往往需要反复校验、试凑以及 设计者的经验和技巧。因此，如何把 现代优化设计理论运用于聚合物成型 采用数值计算理论构造其求解方法，并在计 时f 可= t 1 时f 可= t 2 图l 一1 m f a 、m f v 及其取向图 黟 i q 郑州大学硕士学位论文 加t ：，已经成为目前成型加二【和模具优化设计的热点研究问题。 在注塑成型的过程中，充填阶段占有非常重要的地位。在充填阶段，聚合物熔 体在高压的作用r 注入冷的模具型腔并充满模具，熔体一方面由丁模具传热而快速 冷却，另一方面困高速剪切产生热量，同时伴随有熔体| 剖化、体积收缩、分子取向 及可能的结晶过程熔体的流动形态将直接影响着产品的最终质量。充填过程中熔 体流动前沿由于受到剪切和拉伸的共同作用，使芯层的流动单元流向模壁而产生所 谓的“泉涌”现象( f o u n t a i nf l o w ) i l l ，从而在型腔表面形成冷凝层并引起分子和 纤维取向。尽管目前人们对“泉涌”现象的认识还不是非常透彻，但可以证实的是， 动态填充时模具型腔中的熔体前沿速度m f v ( m e l t f r o n t - v e l o c i t y ) 越高，表面的应 力和取向，以及由非一致的取向导致的非均匀收缩和翘曲变形就越严重。理想的充 填模式应该是在一致的m f v 条件f 充满整个模具型腔，冈此，如何控制m f v ，已 经成为精密注射成型研究领域的一个关键内容。 图i 2 注射机螺杆注射行程五：意图 充填流动过程中，与熔体前沿速度m f v 直接相关的是注射流率和模具型腔中 熔体前沿面积m f a ( m e l t - f r o n ta r e a ) ，对于注塑机而言，注射流率与螺杆的速度 ( r a m - s p e e d ) 成正比，而模具充填过程的m f a 与螺杆的行程( s t r o k e ) 直接相关 ( 图1 2 ) ，因此，控制m f v 就是控制在不同位置的螺杆转速，或者说设计一个优 化的螺杆速度行程曲线，对于成型加工人员来说至关重要。注塑模流动模拟技 术的出现为我们获取这种信息提供了可能，流动分析的目的是预测熔体流经流道、 浇口填充型腔的过程。利用流动分析，我们可以得到型腔内任一点熔体到达的时间 和不同时刻的m f v 和m f a ，对于简单制件，我们可以直接根据流动分析结果来直 接设定螺杆速度行程曲线，但对于复杂制件，我们往往无法作到这一点。因此， 如何直接根据数值模拟结果得到优化螺杆速度行程曲线成为工业界和学术界期 待解决的问题。 2 郑州大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 近2 0 年来，在注塑成型数值模拟领域，人们对注塑成型各阶段的数值模拟已作 了大量的工作”。”，但将工艺优化和最优化算法结合起来，并作为注望成型数值模 拟中的一个重要的方面还仅仅是近几年的事。 目前，在注塑成型工艺优化方面，已经开展的一些研究工作主要包括：优化注 射时间、入口压力、浇r 7 位置、注射速度等陋”】；并且采用了各种算法作为解决优 化问题的途径，从各种研究资料来看，人们在研究中所采用的算法也是十分新颖的， 比如组合优化、神经网络、模拟退火算法、遗传算法、模糊逻辑等现代最优化方法。 在注塑成型过程中，由于充填阶段的时间短、工艺参数多、过程复杂，对于要 求成型精度商的复杂制品的成型，要准确地模拟其充填状态的确是一件非常有意义 同时又富有具大挑战性的工作。目前，由于国内外对注塑模具c a e 方面的研究已趋 了_ _ 成熟，所以在模具c a e 技术领域对各种充填参数的进一步的优化工作已经成为 一个急待解决的问题，就现阶段所掌握的研究资料来看，在注射速度的优化方面， 国内外都已作了大量的研究工作，但还没有十分成功的例子。 在注塑产品的生产过程中，注塑机的控制面板上可供工程技术人员设定的工艺 参数有：料筒温度、注射压力、注射速度、保压压力、保压时间、冷却时间。为了 优化制品性能，数控注射设备都允许操作者对充填过程中的注射速度在允许的范围 内进行调节，其目的就是要使熔体的前沿面推进时保持速度稳定，从而能减少非均 匀的收缩和翘曲等制品缺陷：所以优化注射速度的出发点也往往出于此意，由丁二在 充填的任一时刻，熔体前沿速度和注射速度之间有如下关系存在： 熔体前沿速度( m f 吣丽器 这样通过调整注射速度来改善m f v 就是首选的解决办法，事实上，目前对m f v 优化也都是从这一角度来进行的。在找们开展此项研究 作时，考虑到这种优化问 题是一个复杂的非线性、非常规、多目标的优化问题。在求解时，再采用常规优化 算法来求解已是非常困难的了，因此，寻找一种合适的、高效的优化方法对于求解 该问题来说，无疑是至关重要的。 遗传算法是一种模拟自然选择和遗传机制的寻优程序，是一种基于进化论优胜 劣汰、自然选择、适者生存和物种遗传思想的搜索算法，它通过模拟生物在自然界 中遗传变异与生存竞争等遗传行为，让问题的解在竞争中得以改进( 或进化) ，以求 郑州火学硕士学位论文 得问题的满意解和最优解。e h t - 遗传算法具有不依赖问题模型的特性、全局疑优性、 隐含并行性、高效率及解决不同非线性问题的鲁棒性的特点，遗传算法的应用领域 从函数优化、模式识别等扩展到工业控制和工程优化设计等方面【2 。”。遗传算法是目 前流行的优化算法，它在解决非线性、多目标规划问题上，具有超常的效果，并且 实现起来简单，是理想的优化算法。 基于此，在国家攀登计划“复杂模具型腔中塑料熔体三维流动传热过程的数值 模拟”的资助f ，作者在三年的论文期间重点开展了“基于遗传算法的注塑模注射 速度优化”课题的研究。 1 3 本文的主要工作 本文将遗传算法和数值模拟技术相结合用于注塑成型注射速度的优化，确定螺 杆速度一行程曲线或m f a 一充填百分比曲线中的最佳控制点，以及控制点处的 螺杆速度或注射体积流率的最优值。主要进行了如下一些j ：作： 1 基1 ：对充填过程充填模式的分析，构造出待求解问题的目标函数及约束条 件。目标函数的选取以下列准则为根据： 最优的螺杆速度一行程曲线中的控制点数目： 最优的控制点位置： 控制点处最优的螺杆速度或注射体积流率的虽优值。 基丁这样的考虑，分别对控制点位置和控制点速率建立了目标函数和约束 条件。 2 采辟j 遗传算法求解优化问题。 基于m f v 优化问题的特点，采用了实数编码方式对染色体进行了编 码。 在复制过程中，通过对偏置轮盘法与随机复制的有机结合，提出一种 新的子代的复制规则，从而有效避免了早熟现象。 经复制、交义、变异等运算过程，优化得到了全局晟优的控制点位置 和控制点流率。 3 编写了基于遗传算法的速度场优化的实现程序。 基于注塑模c a e 的目的，我们工作的另一个重要环节就是要在计算机 上实现已有的研究成果。当在理论上理顺了速度场优化的实现步骤和要点 后，我们又以m i c r o s o rv i s u a lc 什6 0 为编译环境，在m f c 平台上着手开 4 塑型查堂堡主兰堡笙奎 发了基于遗传算法的速度场优化的实现程序：m f v f i o w 应h j 模块。同时还 对充填过程数值模拟的实现软件z - f l o w 进行了改善。 4 从m f v 优化的实例结果米看，对于形状复杂注塑什的充填模拟，优化厉其 目标值一般都能f 降5 0 一7 0 左右，也验证了算法的有效性。并能够应用 于实际的 ：业实践中。 郑州大学硕士学位论文 第二章注塑成型注射速度优化 最优化问题是人们在工程技术、科学研究和经济管理等领域中经常会遇到的问 题。解决实际生活中优化问题的手段大致有以下几种： 一、经验的积累，凭主观作判断； 二、做试验选方案，比优劣定决策： 三、建立数学模型，求解最优化策略。 对丁- 第三种情况，虽然由于建模时要作适当的简化，可能使结果不一定非常完 善但它是基丁客观数据，求解问题简便，灵活、经济，而且问题的规模可以很大， 并且随着数学方法和计算机技术的进步，用建模和数值模拟解决优化问题这手段， 将会越来越显示出它的效能和威力。 优化技术在国民经济和实际生产中主要用以解决向如下一些问题： - 1 程设计中：如何在满足强度条件下，使零部件的总体尺寸最小，所用的 材料的重量虽轻。 资源分配问题；如何在有限的生产资料条件下，生产量最大。 _ 运输问题；如何在满足各方面需求下，使运输的总体费用最小。 _ 编制生产计划，优化加工工艺；在产品满足用户要求的条件卜，尽量降低 人力、设备、原材料的成本，得到最高的利润。 可以预料，随着科学技术，尤其是计算机技术的不断发展，以及数学理论和方 法向各门学科和各个领域的广泛、深入的渗透，最优化理论和技术必将在国民经济 的各环节发挥更巨大的作用。 目前注射成型是成形各种塑料制品的主要的加工方式。由于注射过程的复杂性， 从而使制品的最终质量有很大的不可预见性，所以如何合理选取和控制设计变量和 各种主要加工参数( 如注射速度、温度、压力、锁模力、浇口位置等) ，是模具c a e 中的个菲常关键的问题。本文以注射过程中的熔体前沿速度( m e l t f r o n t v e l o c i t y ) 的剧烈变化，进而影响制品的最终质量为突破口，提出了对m f v 的优化问题；同 时借助于充填过程的数值模拟，并与现代优化算法相结合，构造出合理的数学模型， 实现了问题的求解，最终实现了优化注塑成型注射速度的目的。 6 郑州大学硕士学位论文 2 1 注塑模注射速度优化问题的提出 2 1 1m f a 和m f v 的概念 在注射成型过程中，m f v ( m e l t f r o n t v e l o c i t y ) 和m f a ( m e l t f r o n t a r e a ) 是两个非常重要 的参数，如图2 - 1 所示，m f a 是指流 动的熔体的前沿面的面积；而m f v 是指熔体前沿面的推进速度。m f a 和 m f v 的乘积就是注射的体积流率。图 中所示i , j n - 况表明，尽管注射流率一 定，由于m f a 的不同，也会造成t l 时刻羽】t 2 时刻的m f v 的差异，这样 在t l 处塑件内部的分子取向程度比t 2 处的大，这蛀终将导致产品表面出现 不均匀的收缩和翘曲变形。 2 1 2 充填模式 时n = t l i , - j - n = t 2 图2 - 1m f a 、m f v 及其取向图 充填模式是熔体前锋面在流道系统中的瞬时进程，它在决定塑件质量上起着重 要作用。理想的充填模式能使熔体在充填过程中保持恒定的前锋面速率( m f v ) ， 儿乎同时到达型腔的各个角落，否则会在塑件上形成局部的过充填。另外，在塑料 熔体碰到冷的模具而马上在塑件表面冷却时，不同的m f v 在充填过程中会导致分 子或纤维结构取向的改变。 为了论述的方便，我们用一个带 中孔的平板来做示例，如图2 2 所示， 图中为该制品的熔体前沿等值线圈。 由于几何尺寸的变化，等值线呈稀疏 不均分布，在等值线分布较密的区域， 表明熔体的流动较慢；相反，在等值 线较疏的区域，则表明熔体的速度较 快。这种变化对于精密注射成型，特 图2 - 2 优化前熔体前峰面速度变化等值线图 7 郑州大学硕士学位论文 别是对尺寸精度要求很高的制品是不能容忍的。 通过对充填过程模拟结果的分析，能预先发现各种问题，同时对充填工艺参数 的拟定也起着重要的指导作用。 2 1 3m f v 在充填过程中的作f 注射成型是一种周期性的加工方式包括3 个主要阶段： ( i ) 充填阶段； ( 2 ) 保压阶段； ( 3 ) 冷却阶段； 在充填阶段，聚合物熔体在高压的作用下注入冷的模具型腔并充满模具，熔体 一方面由于模具传热而快速冷却，另一方面因高速剪切产生热量，同时伴随有熔体 同化、体积收缩、分子取向及可能的结晶过程，熔体的流动形态将直接影响着产品 的最终质餐。充填过程中熔体流动前沿由于受到剪切和拉伸的共同作用，使芯层的 流动单元流向模壁而产生所谓的“泉涌”现象，从而在型腔表面形成冷凝层并引起 分子和纤维取向。尽管目前人们对“泉涌”现象的认识还不是非常透彻，但可以证 实的是，动态填充时模具型腔中的熔体前沿速度m f v 越高，表面的应力和取向， 以及由非一致的取向导致i j 9 1 p 均匀收缩和翘曲变形就越严重。理想的充填模式应该 是在一致的m f v 条件下充满整个模具型腔，因此，如何控制m f v ，已经成为精密 注射成型研究领域的一个关键内容。 充填流动过程中，与熔体前沿速度m f v 直接相关的是注射流率和模具型腔中 熔体前沿面积m f a ， 熔体前沿速度( 脚卟砰器 对于注塑机而言，注射流率与螺杆的推进速度( r a m s p e e d ) 成正比，而模具 充填过程的m f a 与螺杆的行程( s t r o k e ) 直接相关( 参见图1 2 ) 。并且从充填过程 的数值模拟所采用的工艺参数文件来看，也是这样来实现的，下面是某一制品数值 模拟的工艺参数文件中对注射速度进行控制的具体数据： f ps w i t c ho v e rb y v o l u m e = 9 9 0 0 0 0 0 0 ( ) r a m s p e e dp r o f i l e ( t e l ) 1 2 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( ，) r a m s p e e dp r o f i l e ( t e l ) 2=1 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( ，) r a m s p e e dp r o f i l e ( t e l ) 3=2 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( ，) r a m s p e e dp r o f i l e ( r e l ) 4 2 3 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( ，) r a m s p e e dp r o f i l e ( t e l ) 5 = 4 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( ，) 郑州大学硕士学位论文 r a m s p e e dp r o f i l e ( r e l ) 6=5 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( ，) r a m s p e e dp r o f i l e ( r e l ) 7=6 0 0 0 0 0 0 05 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( ，) r a m s p e e dp r o f i l e ( r e l ) 8 = 7 0 0 0 0 0 0 05 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( ，) r a m s p e e dp r o f i l e ( r e l ) 9 = 8 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( ，) r a m s p e e dp r o f i l e ( t e l ) 10 =9 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( ，) r a m s p e e dp r o f i l e ( r e l ) 11 =10 0 0 0 0 0 0 05 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( ，) 图2 - 3t 艺参数文件中的螺杆行程控制的数据格式 以上数据给出了在充填时的某些时刻( 对应于螺杆的行程或推进位置) 处，注 塑机螺杆应达到的推进速度。由于这里的速度控制是均匀的，所以它实际上没有考 虑对注射速度进行控制。从以上分析来看，控制m f v 就是控制在不同位置的螺杆 速度，或者说设计一个优化的螺杆速度行程曲线，对于成型加 ：人员来说至关 重要。 注塑模流动模拟技术的出现为我们获取充模过程的流动状态信息提供了可能， 流动分析的目的是预测熔体流经流道、浇口填充型腔的过程。利用流动分析，我们 可以得到型腔内任一点熔体到达的时间和不同时刻的m f v 和m f a ，对于简单制件 我们可以直接根据流动分析结果来直接设定螺杆速度一行程曲线，但对于复杂制 件，我们往往无法作到这一点。因此，如何把现代优化设计理论与数值模拟技术结 合，并运用于聚合物成型加工，己成为目前成型j n t 的热点研究问题。 本文将基于充填过程的数值分析，采用种改进的遗传算法，通过调节螺杆速 度行程曲线，从而改变充填过程的注射流率( 图2 3 ) ，以获得均匀一致的m f v ( 图2 4 ) 。 圈2 - 4 优化前后充填注射流率曲线圈2 - 5 优化后熔体前沿等值线图 从图2 - 5 的优化结果中，我们可以发现等值线比图2 - 2 中的更趋于均一了。这 种结果就是通过对图2 - 4 中的注射流率的控制来完成的，在图中，菔线对应的是恒 定注射速度的情况( 没有控制) ，实线段是优化得到的结果( 已控制) 。通过这一结 一9 - 郑州大学硕士学位论文 果，再修改相应的丁艺参数文件，进而对充填过程进行合理的指导，这就是m f v 优化问题。由于它的求解是借助充填流动分析来完成的，n a n 蹦n - - 下充 填过程数值模拟的一些理论和方法。 2 2 充填过程的数值模拟 2 2 1塑料熔体充填时的流动特点 在充填过程中，被塑化的高温塑料熔体由注塑机的喷嘴流出，经由主流道、流 道系统、浇口而注入摸具型腔中。其中的每一个结构元件都将影响到整个充填过程 的流动行为，主流道作为熔体进入模具型腔的总入口区，对流动不应产生大的阻力， 同时主流道中的熔体在注射完成后应很快地凝围起来。流道系统的性能是把热熔体 输送到模腔中，应当在物料和压力降“损失”最少的情况f 进行，并尽可能避免过 早凝吲和“缺料”。浇口控制着塑料熔体向型腔的流动，它的尺寸、形状和位置将直 接影响着熔体在型腔内的充填状况。 图2 - 6 所示为在一个简单的矩形模具型腔中充填时的熔体形态示意图，通常来 说，厚度方向的尺寸远小于平面的流动方向( 一般实际生产中的模具要复杂的多 也可能包含几个浇口) 。其俯视图如图2 - 6 a ，熔体由浇口注入，依次向右充满型腔， 等值线代表不同时刻熔体的流动前沿位置。横截面上熔体流动如图2 - 6 b 。在整个 充填过程中熔体流动主要包括三个区域，第一个区域是入口区，流动是径向的，前 沿面呈圆弧状；第二个区域是完全发展区，熔体以几乎完全发展流的形式在薄壁中 流动，对于等温充填前沿是平的，而对于非等温充填，前沿呈曲线性，这种流动在 整个充填过程中占主导地位；第三部分为前沿区，这里的流动形态我们称它为“泉 涌流动”( f o u n t a i nf l o w ) ，熔体从中线分开向模壁流动，这主要是因为熔体前沿与 冷空气的接触，形成了一个粘度较高的前沿膜。由于前沿膜的存在，使熔体交替发 生以下两个过程：一是受到前沿膜的阻止，熔体不能按直线向前流动而转向模壁方 向；二是前沿膜后热核区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获得流 动前沿位置，估计一些充填特征如充填时间，型腔压力等时，可以忽略这种局部效 应。 当热的塑料熔体与模壁接触时，会在型腔表面形成冷凝层，熔体象“三明治” 一样被夹在冷凝层之间如图2 6 c 所示，冷凝层的存在会改变型腔内流动的截面积 和增大流动阻力，在一些特殊情况下，它还可能因为完全冷却而引起“短射”( s h o r t 1 0 郑州大学硕士学位论文 s h o t ) 。而当制品采用多浇口或有孔、嵌件、或设计的制品厚度不均时，熔体在模具 内发生两个方向以上的流动，在两股料流的汇集处就形成了熔接线，图2 - 6 d 为纤 维增强注射时熔接线的形成状况，它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，凡影响分子链缠结、结晶取向和分子热作用的因素 都会影响到熔接线的强度。 ( a ) 声圆 卜 a d 区发辰篷 前格匣 ( b ) 泉涌区 ( c ) 三三乏主! i 三芯 暑乏；廷兰三 二： 一：。一，、j 二! 、_ x 蕾0 4 螂 、，、 _ ， ，、乞