（材料加工工程专业论文）大型注塑模具cae分析.pdf

哩型奎兰堡主兰堡垒壅y ! ! ! ! ! 璺 大型注塑模具c a e 分析 材料加工工程专业 研究生王大中指导教师申开智教授 本文对桑塔纳轿车前保险杠特大型注塑模具的一些重要零件通过a n s y s 进行了受力分析。本课题采用p r o e 软件对桑塔纳轿车前保险杠模具进行实体 造型，建立零件实体模型，然后导入到a n s y s 软件中进行c a e 分析，并通过 软件的接口设置，将模型导人有限元分析软件，进行前置处理，分析计算，后 置处理等一系列工作。并根据分析结果对模具构件进行造型上的优化，或者调 整其尺寸。分析依据沈洪雷所作的桑塔纳轿车前保险杠注塑模具c a e 优化 一文所得的结论。 本文在处理一些受力的情况时，还采用了解析法，鉴于计算过程的复杂， 解析式的推导和计算运用了m a t h e m a t i c a 和m a n a b 等软件。 论文根据c a e 分析结果，得出下列主要结论： 1 ) 模型的正确建立和优化对有限元分析的顺利进行和分析精度起到至关 重要的作用，对于分析时间的影响非常显著，建立好的模型虽然增加了建模的 工作量，但却能大大的降低分析时间； 2 ) 作有限元分析时，对于网格划分的处理，应该采用较粗疏的网格划分 进行分析，在确定优化后模型的有利之处后才适合采用较精密的网格划分，提 高分析精度； 3 ) 对于复杂的三维实体的分析，有些不必要的曲面可以采用平面代替， 在不影响分析精度的情况下可以去除一些不必要的结构，尽可能减少实体一些 面和曲线，这对分析的顺利和降低时间同样至关重要； 4 ) 零件受力的约束部位以及孔槽等位置最容易形成应力集中，尤其尖角 处为甚，因此在允许的情况下，应该尽可能的减少尖角，采用圆角过渡； 5 ) 零件的改进，在降低变形的情况下，并不一定能减小应力，反之亦然。 这是因为有些应力集中是由于负载和约束共同作用的情况下产生，约束致使变 四川大学硕士学位论文 形降低的同时反而可能导致应力增加，同样，去除某些约束虽然降低了应力， 变形反而增加了； 6 ) 尖角部位的过大应力集中点，如果不是在运动配合处或者成型部位不 需要进行改进，通过使用过程的磨合，产生一定的屈服破坏自会消除应力集中 点，而不会对其使用性能产生不利影响； 7 ) 所有分析部件的每项分析结果都制作了动画文件，以显示直观的结果， 但无论结果图还是动画媒体，其所显示的变形都是经过放大的，否则由于变形 很微小，无法观察出其变形趋势。 本课题使用m o l df l o w 软件对桑塔纳轿车前保险杠模具的充模过程进 行了模拟分析，提取充模过程的仿真动域；应用p r o e 软件对模具开合模进行 运动仿真；并用m o v e 软件对上述动画整合。 这篇论文的前期工作是沈洪雷使用c m o l d 软件对桑塔纳轿车前保险杠造 型进行的充模分析。 关键词：静力分析；桑塔纳汽车前保险杠；大型注塑模具；有限元分析； 模拟；动画 c a ea n a l y s i so nt h el a r g e - s c a l ei n j e c t i o nm o l d m a j o r ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：w a n gd a z h o n gs u p e r v i s o r ：p r o f s h e nk a i z h i a b s t r a c t ：t h e r ea l el e s sp u b l i cp a p e r sa b o u tc a e a n a l y s i so nt h el a r g e s c a l e i n j e c t i o nm o l d i nc h i n a i nt h i sp a p e r , t a k i n gt h ei d s e c t i o n i n o l do ft h ef r o n t b u m p e ro f t h eo l ds t y l es a n g t a n ac a rf o re x a m p l e ，t h es t a t i ca n a l y s i so ft h em a i nl o a d e d p a r t so f t h em o l da l es t u d i e d b y t h ea n s y s ，t h ef e as o f t w a r e t h es o l i dm o l d sf o r a n a l y s i sw e r e b u i l d b y p r o es o f t w a r e ，a n dt h e nc h a r i g et h em o l d f r o m p r tf o r m a tt o t h e d bf o r m a tb ya n s y ss o f t w a r e t h em o l d sw e r ed e f i n e db yt h ep r e p r o c e s s i n g p a r to ft h ea n s y s ，a n dw e r ea n a l y z e db yt h ea n a l y s i sp a r to ft h ea n s y s t h e r e s u l t sw e r ed e a lb yt h ep o s t p r o c e s s i n gp a r t t h ea n a l y s i si sb a s e do nt h er e s u l t so f t h ep a p e rc a e o p t i m i z a t i o no nt h ei n j e c t i o nm o l df o rt h ef r o n t - b u m p e ro f s a n t a n ac a r , w h i c hw a sw r i t t e nb ys h e nh o n g i e i ，t ot h eq u e s t i o no ft h ea n s y s 四川大学硕士学位论文 a n a l y s i sr e s u l t s ，m u c hi m p r o v e m e n t a n d o p t i m i z a t i o nw o r k i sm a d e n i em a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) p r o p e r l ye r e c ta n do p t i m i z e t h em o l di sb e t t e rf o rt h es u c c e s s f u l n e s sa n dt h e a n a l y s i sp r e c i s i o n o ft h ef e a i td o e sa l s oh a v ear e m a r k a b l ei n f l u e n c eo ft h e a n a l y s i st i m e g o o dm o l d c a n g r e a t l yr e d u c e t h ea n a l y s i st i m e ； 2 ) i nt h eb e g i n n i n go ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，c o a r s em e s hs h o u l db em a d e f i r s t l y t h e f i n eg r i ds i z ec a n n o tb et a k e nu n t i lw ef i n dag o o do p t i m i z e dm o l d i tc a l l a l s og r e a t l yr e d u c et h ea n a l y s i st i m ei nt h i sw a y ； 3 ) f o rt h ea n a l y s e so ft h ec o m p l i c a t e ds o l i dm o l do ft h r e ed i m e n s i o n s ，i fi t c a n n o ti n f l u e n c et h ep r e c i s i o no ft h ea n a l y s e s ，s o m eu n i m p o r t a n tc h i v es u r f a c e so f t h em o l ds h o u l db ew i p e do f f i nt h i sw a yc a na l s og r e a t l yr e d u c et h ea n a l y s i st i m e ； 4 ) t h ep l a c e so f c o n s t r a i na n dh o l ea n ds l o to ft h ep a r ta l ep r o n et oh a v ep e a k s t r e s s ，e s p e c i a l l y t h e p o s i t i o n w h e r eh a v es m a l l a n g l e s o n t h ec o n d i t i o no f p e r m i s s i o ns m a l la n g e l ss h o u l d b er e d u c e da n d a d o p t r o u n d a n g l e s ； 5 ) i tc a n n o ta l w a y sr e d u c et h es t r e s so n t h ec o n d i t i o no f r e d u c i n g t h em a x i m u m d i s p l a c e ds h a p ea n dv i c e v e r s a t h er e a s o ni st h es t r e s sa n dt h e d i s p l a c e d a r e i n f l u e n c e db o t hb yl o a d sa n dc o n s t r a i n s ； 6 ) s o m es m a l la n g l e sn e e d n tb ew i p e do f fa n di m p r o v e di ft h e ya r en o tl o c a t e d n e a rt h ew o r k i n gf i tp l a c e t h ep e a ks t r e s sp o i n tc a l lb eb a n i s h e db yt h ew e a l a n d t e a ri nt h e p r o c e s s o fu s e i ta l s oh a sn ob a di n f l u e n c eo nt h em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eb y t h i sw a y ； 7 ) i n o r d e rt os h o wt h ea n a l y s i sr e s u l ti n t u i t i v e l y , w ea l s om a d e l a r g en u m b e r s o fa n i m a t i o nm e d i af i l e sa c c o r d i n gt ot h ep e ra n a l y s i sw o r k b o t ht h er e s u l tf i g u r e a n da n i m a t i o nm e d i af i l e s ，t h e i rr e s u l ta r em a g n i f i e df o r t h es a k eo f s h o w i n gc l e a r l y ， o t h e r w i s et h ed i s p l a c e ds h a p e dt r e n dr e s u l tc a n n o tb ed i s t i n c t l yf o u n d 。 s h e n h o n g l e id i d t h ee a r l i e rs t a g eo ft h i sp a p e r m a n yi m p o r t a n ts o f t w a r e s s u c ha sm o l df l o w ，p r o e ，a n s y s ，m a t h e m a t i c a ， m o v e ，a n d s oo na r eu s e dt ot h ef u l li nt h ep a p e r k e y w o r d s ：s t a t i ca n a l y s i s ；f r o n t b u m p e r ；i 赆茚bh j e c t i mm o l d ；f e a ；s i m u l a t i m ； a n i m a t i o n 3 1 概述 1 1 绪论 如果模具零件或构件在服役过程中产生过量变形、断裂、表面损坏等现象， 将丧失原有的功能，无法完成规定的功能，将达不到预期要求，或变得不安全 可靠，以致不能正常服役，就产生失效。【1 1 零件( 包括模具) 的失效形式中包括过量变形，过量变形又分为过量弹性 变形和塑性变形。 担料模具型腔承受的注塑压力一般为4 0 1 4 0 m p a 。当塑件形状复杂，尺寸 较大时，模具型腔的结构也相应地复杂，模具的尺寸也就相应地大。对于大型 或特大型模具，注塑压力和合模力也就非常大，模具型腔、型芯和动模板等易 出现应力集中，影响模具的承载能力，使模具产生弹性或塑性变形，严重影响 制品质量，甚至产生失效。【1 1 塑料模具的主要工作零件是成型零件，如凸模、凹模、型芯、镶块、成型 杆和成型环等，它们构成塑料模具的型腔，并直接与塑料接触，承受压力、温 度变化、摩擦、腐蚀、冲击等，是需要考察的主要零件。 图1 1 是桑塔纳轿车前保险实体造型图，图1 - 2 2 1 是桑塔纳轿车前保险杠特 大型模具的二维平面总装配图，图1 - 3 是该模具定模部分和动模部分的二维平 面图。图l _ 4 是通过p r o e 制作并渲染后的实体模型以及模具开模后的状态， 从图中可以看出，受力最大，最容易产生变形和应力集中的部件是动模主型芯、 内左右侧型芯滑块、动模型芯体、定模套、动模垫板、支撑柱以及定模型腔 表面的凹槽或凸台等构件。 沈洪雷毕业论文通过c m o l d 软件分析得出以下模拟分析结论【2 】： 1 在普通注塑成型中，模具温度为4 5 时，以八浇点的形式充填为最佳； 2 在气体辅助成型中，用四个浇口和气体入口即可满足成型工艺要求。 图11 桑塔纳前保险杠实体造型 i 闽 品i吊1 艺i 宅li盅i岔i乏i | | l；t1i 鍪燃 i 鋈 黑么 彳奔 弋 旷嗣i ；l i l 、 匿 鼗滁 隧 匝 蕊对 【眨 圜 ， 蕊荔 心 髌腻 目71 ， _ d 群 - 墨 目 - - 陌 l o二 蹶 缓一 幽 ：，岳 口 、 h1 lj j 鼎艄l 删! i 麟搴 ， 鑫 名 h 11、kr 。乏 丘上凡f 竺i 价 o n 一一 n j妯f u妯 图1 2桑塔纳前保险杠模具总装结构简图( 二维平面图) ( 1 ) 主流道衬套( 2 ) 定位套( 3 ) 热流道盖板( 4 ) 热流道板( 5 ) 电热棒( 6 ) 分流道体( 7 ) 定模型腔 ( 8 ) 定模套( 9 ) 外左侧型腔滑块( 1 0 ) 主动模型芯( 1 i ) 斜成型侧滑块( 1 2 ) 顶出模板( 1 3 ) 内左侧 2 型芯滑块( 1 4 ) 限位杆( 1 5 ) 油缸( 1 6 ) 动模型芯体( 1 7 ) 滑块定位装置( 1 8 ) 动模固定板( 1 9 ) 动模 垫板( 2 0 ) 顶出杆i ( 2 1 ) 支撑柱i ( 2 2 ) 顶出固定板( 2 3 ) 顶出垫板( 2 4 ) 动模底版( 2 5 ) 支撑块( 2 6 ) 螺钉( 2 7 ) 定位销( 2 8 ) 塑件( 2 9 ) 导套( 3 0 ) 支撑柱( 3 1 ) 轴承( 3 2 ) 顶出杆 ( a ) 定模部分( b ) 动模部分 图1 - 3桑塔纳前保险杠模具定模与动模部分= 维平面图 3 图1 - 4桑塔纳前保险杠模具的实体造型总装配围 三雏实体澶染圈) 1 2 结果对比 1 2 1 蕾通注塑成型2 1 下表为选用不同浇口数目模拟成型的结果： 表1 一l 不同浇口数目模拟结果( 浇口位置及尺寸已经过优化) 浇口数目个 4 5678 最大注塑压力m p a 6 1 7 856 7 355 7 25 5 5 75 王0 9 最大锁模力i 06 n 8 9 8 1 98 5 1 17 9 0 6 58 0 5 87 1 3 5 6 1 2 2 结论 通过普通注塑的c m o l d 模拟结果对比可以得出，采用八个浇口的普通注 塑模式的注塑压力最高。为了分析的可靠性，因此我们选择八浇口普通注塑模 式进行受力分析。在该注塑模式下，最大型腔压力为5 1 0 9 m p a 。由于制件在注 塑方向投影面积很大，因而产生的总压力很大，由总装图i - 2 ，3 和实体造型图 4 1 - 4 可看出型腔构件造型复杂，有些构件受力不均匀，会产生一定的应力和变 形。需对于动模主型芯、内左侧型芯滑块、内右侧型芯滑块、动模型芯体、动 模垫板、支撑柱以及定模型腔和型腔滑块等元件进行受力分析。 模具的弹性变形不可避免，但是不能超过允许范围，否则将降低制品的尺 寸精度。如果弹性变形超过材料的屈服极限，则会引起塑性变形。塑性变形是 绝对不允许的，尤其小型或精密模具。若模具的弹性变形量超过了允许值或者 产生了较明显的塑性变形时，都会导致模具产生变形失效，不能正常工作p j 。 四川大学硕士学位论文 2 本课题的主要意义和任务 2 1 本课题的主要意义 大型模具的注射量一般大于l k g 、制件最大投影面积不低于0 1 m ”、模具重 量在2 t 以上、锁模力高于5 0 0 t 。其造型往往比较复杂，制造成本高、生产 周期长、投资风险大。不宜用传统经验和现有公式来设计优化。国外大型注射 模具主要由专业厂家设计制造，广泛应用c a d c a e 技术；国内大型注塑模具设 计普遍使用传统的设计方法。一些较先进的企业也逐渐开始应用c a d 进行平面 设计，如常用的a u t o c a d ；根据制件造型利用某些c a d 软件进行模具设计口l ， 如p r o e 、u g 、s o l i d w o r k s 等，再运用c a e 技术进行浇注系统设计，然后根据设 计的浇注系统作充模分析，如m o l d f l o w 、p r o e 、u g 等。根据充模分析的结果对 模具构件进行受力分析1 3 】，如a n s y s 、n a s t r a n 、p a t r a n 、m a r c 、f a t i g u e 、 s u p e r f o r g e 等。最后运用c a n 技术进行加工和制造口】，如p r o e 、u g 、m a s t e r c _ , 1 等。 鉴于计算机辅助技术在塑料成型行业中的应用，一件塑料制品由设计构思 到最终成型，其流程如下： 豳件造型创意h 制件造型设计卜睦注系统设计 _ 阮模分析h 亡 一至鱼理 i台【 广幂酮r 删 睦具构件力学分析1 - 世配模架卜_ 腰具型腔设计i j 台鼍产啦画匿庐剜 匿煎圈盟运卜呕墨p 酬成功i 崾：堕一一匝j 聋习 图2 1 模具计算机辅助设计流程 由于大批的跨国公司将其制造业移人中国内地，给国内的制造业带来很大 的竞争压力。模具作为基础工业，对其它工业的发展起着十分重要作用，被称 为“工业之母”；模具行业正在向高生产档次、高水平的模具方向发展，竞争 的焦点已主要集中于质量和制造周期。因此国内的模具行业纷纷提高技术水平， 引用国外的大型分析软件，采用正确的模具设计制造方法并行工程的方法， 按照图2 - 1 所示，实现模具cad ，cae ，cam 技术集成化，建立模具集成 6 四川大学硕士学位沧文 化的产品信息模型。采用基于特征变量化设计工程数据库管理系统等技术已 成为目前研究的热门f 4 | 【”。 目前，塑料模具的c a e 分析主要集中于制品的充模分析，对模具本身的受 力情况分析较少【6 】。模具设计者如果忽略了复杂的型腔或者型芯某些受力薄弱 部位，充模和保压时模具容易产生很严重的变形，致使成型的制品亦产生严重 变形。我在某厂实习时，曾发现一个成型带有栅格状制品的模具，由于在栅格 状的成型部位采用了极薄的金属型芯，使该部位在注塑熔体前流的强烈冲击下 产生塑性的扭曲变形。 本文将应用a n s y s 这一大型的c a e 分析软件，以桑塔纳汽车前保险杠模 具的受力构件为例进行分析，并对受力和变形的情况进行预测和改进。 2 2 本课题的主要任务 1 对桑塔纳轿车前保险杠大型注塑模具的动模型芯、内侧型芯滑块等部件 进行造型方面的改进和优化，以便于a n s y s 进行分析的顺利进行； 2 对桑塔纳轿车前保险杠大型注塑模具的动模型芯、内侧型芯滑块、动模 型芯体、动模垫板、定模套、型芯支撑柱等部件进行受力分析； 3 对桑塔纳轿车前保险杠大型注塑模具的动模型芯等部件根据受力分析 的结果进行优化和改进，以降低其应力集中度、最大变形以及应力和变 形的分布趋势和范围； 4 制作对桑塔纳轿车前保险杠大型注塑模具的动模型芯等部件的应力结 果以及形状变形位移的动画演示结果图； 5 制作保险杠制品的充模动画以及前保险杠注塑模具开合模运动仿真。 四川大学硬士学位论文 3 有限元分析的理论基础 3 1 有限元法概述 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d - f e m ) 是根据变分原理求解数学物理问 题的一种数值计算方法，它是工程科学的重要工具。 在应用领域，有限元法理论已经从结构理论逐步改进和推广到连续力学的 场问题中，比如热、流体、场等领域中，即使在其起源的结构力学理论的本身 范围内，有限元方法也由静力分析发展到动力分析问题、稳定问题和波动问题， 并且由线弹性发展到非线弹性和塑性领域。 从单元的类型而言，有限元法已经从一维的杆单元、二维的平面单元发展 到三维的空间单元、板壳单元、管单元等；从常应变单元发展到高次单元。同 时计算精鏖得到了较大提高，并可适用于各种复杂的几何形状和边界条件。 在有限元法程序编制方面，由于数值方法和计算机软硬件科学的发展，有 关有限元分析的计算机程序得到了极大的飞速发展【1 】。鉴于有限元法的通用性， 有限元分析已经成为解决大型通用问题的强有力和灵活的通用工具。 有限元法的优点是，可以对任何复杂结构进行分析；当有限元单元足够多 和足够小，其求解的结果可以达到令人十分满意的程度；有限元法在求解时更 容易引进边界条件，施加载荷，定义材料类型；可用于求解非匀质连续介质问 题；由于有限元法的求解采用矩阵的表达形式，使有限元法更利于编程和应用 计算机运算；计算机运算具有前后置处理功能，可实现网格的自动划分，使分 析更加简化和便捷；求解的结果可以用数据、图形图像和表格等多种方式输出。 但是有限元法也有一定的局限性，尽管分析模型结构的网格划分与准备输 入数据的工作在某种程度上可以自动化，但是还不能完全靠计算机来实现，因 为在离散化过程中，还必须根据不同的精度要求来决策。而且在数据的输入过 程中，如果有差错未被发现，必将会导致错误的计算结果，而且较难被发现。 有时数据输出的整理与判断也是很费时间和精力的。 3 1 1 有限元分析软件 由于有限元法的计算量非常大，因此许多国家的大学和科研机构开发了大 量的有限元分析软件。比较有名的有： 美国a n s y s 公司的大型分析软件a n s y s ；美国麻省理工学院机械工程系 四川大学硕士学位论文 研发的自动动力增量非线性有限元分析程序a d i n a ；德国斯图加特大学宇航结 构静动力学研究所开发的自动动力分析系统a s k a ；美国贝克莱加利福尼亚大 学开发的结构分析程序s a p ；美国国家航空航天局n a s a 研制开发的 n a s t r a n ，以及隶属于美国国家航空航天局的m s c 公司的一系列有限元分析 软件：p a t r a n m a r c ，f a t i g u e ，s u p e rf o r g e 等。 目前，最著名的当属美国a n s y s 公司的大型分析软件a n s y s ，该软件是 一个适用于微机平台的大型通用有限元分析系统，其功能强大，应用领域非常 广泛。广泛应用于各种工程领域，能满足各行业有限元分析的需要。该软件单 元类型几乎涵盖了所有已出现的类型，分析功能广泛，程序的通用性强。a n s y s 还有c a d 软件接e l ，如p r o e ，a u t o c a d ，u gi i ，s o l i d w o r k s ，s l i d e d g e 等高级 c a d 工具。都可以直接将生成的模型转化到a n s y s 中进行分析。或在c a d 系统中直接调用a n s y s 软件进行分析，使建模更加方便。 2 - 3 1 a n s y s 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模 块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具；分析计算模块包 括几乎所有领域的分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及 优化分析能力；后处理模块可将计算结果以各种所需要的方式显示出来。软件 提供了1 0 0 多种单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。目前最新版本 为a n s y s 7 1 版。微机版的基本硬件要求为：显示分辨率为1 0 2 4 x 7 6 8 ，显示内 存为2 m 以上，硬盘大于3 5 0 m ，推荐使用1 7 英寸显示器。但是对于大型复杂 模型的分析，例如本课题，计算机的配置需要达到：1 g h z 以上c p u ，硬盘预 留4 g 的空间，内存不得低于5 1 2 m b ，显存3 2 m 以上，显示器最好是1 7 英寸。 对于p r o e 软件来说，它本身是以c a d 功能为主，无法用来执行有限元分 析，但是，p r o e 可以在有限元分析方面扮演非常好的前置处理的角色，重点 工作是进行模型的创建、负载以及约束的定义以及划分网格等工作。 3 1 2 有限元法简介【“ 3 1 2 1 有限元法的历史 用一些离散的单元代表一个给定的域，并不是有限元法的新概念。古代数 学家将一个内接圆周的多边形逼近圆周，来计算周长值，将圆看作一个有限个 边长的多边形，预测的数值几乎精确到4 0 位数字；还有，用三角形代替扇形来 逼近圆的面积。在建筑和航空结构中，对复杂的钢架、蒙皮骨架等早已经采用 四川大学硕士学位论文 了结构的矩阵分析方法”】。1 9 4 1 年提出网格法的概念，它将平面弹性体看成是 一批杆件和梁。1 9 4 3 年c o u r a n t 则使用了一组三角形单元和最小势能原理去分 析s t v e n a n t 扭转问题【8 l 。1 95 6 年，t u m er c l o u g h 9 1 等人，首次将平面结构人 为地划分为很多的三角形单元，单元内以顶点位移线性插值，并用近似方法找 出单元弹性特征，然后构成整个结构的位移方程组。这是按物理学的观点用有 限个数的离散单元近似组成并代替连续单元，再加以分析【l 。然而“有限元” 这个名词是c o u g h 1 于1 9 6 0 年第一次使用。有限元法由工程结构分析开始，很 快被认为它是弹性体变分问题的一种里兹( r i t z ) 近似解法【i “”j 。后来，有限 元法被推广应用于一般由变分原理控制的连续域问题【l ”。有限元法的成功同样 引起了数学界的注意，6 0 ，7 0 年代，有限元法的离散化误差、解法的收敛性、 稳定性等方面都有很多研究【i ”悖 ，有限元的数学基础得到巩固和发展。同一时 期，数学界中以分片差值为实验函数以求近似解的思想与工程中有限元法的形 成是并行发展的【，0 。2 “。自此，有限元著作急剧增多，有许多杂志主要地致力于 有限元法理论的发展和应用考察国内外有限元法的历史发展及基本理论，可 以找到很多专门致力于有限元法介绍和应用的教科书【22 。3 1 j 。国内有关有限元软 件a n s y s 应用的教材从去2 0 0 2 年开始出现，至今有十余本教材。但此前有限元 专业论坛网站有数十家，这些网站成为有限元及其应用软件的传播和推广基地 3 1 1 6 3 4 3 6 3 8 - 6 0 o 这些教材和网站也是本论文的重要参考资料。 3 1 2 2 有限元分析过程 i 几何模型的创建：利用c a d 软件进行实体造型如p r o e n g i n e e r 、u g 、 s o li dw o r k s 等；也可利用相关的c a e 软件进行。以a n s y $ 软件为例，可采用 自底向上的建模方法和自上而下的建模方法，或者两种方法结合使用； 2 产生f e a 模型：网格划分过程包括4 个步骤，首先定义单元属性；其次 设置网格生成选项；接着在网格划分前保存数据库；最后进行网格生成。网格 分的越细，计算结果越精确，运行时间越长。网格划分后的模型即是f e a 模型； 3 设定材料、载荷、约束： a 材料的设定即定义材料的特性，如弹性模量、泊松比等参数； b 载荷的设定包括加载方式和载荷类型( 约束载荷、面载荷等) 确定； c 任何实际的结构都要一定的约束条件来保持其稳定性； o 四川大学硕士学位论文 4 求解分析：整个模型定义完成之后，就进行求解分析。进行分析以前的 步骤称为前置处理，包括前面的三个步骤。分析以后的步骤就是后置处理； 5 检查分析结果( 后置处理) ：求解分析完成后，就是查看分析结果。可以 通过图标、列表以及文本等方式输出并储存分析结果； 6 完成，制作分析报告书。 流程图如下： 围3 一l 模具构件受力分析流程 3 1 2 3 典型静力分析的命令流“ f i l n a m ，! 指定工作文件名 r i t i t _ e ，! 指定分析标题 p r ep 7 ! 进入前处理器 e t , ! 指定单元类型 r ，! 定义实常量 m p e x ，! 定义杨氏弹性模量 m rp r x y , ! 定义泊松比 ! 构建有限元模型 f 酣i s h s o l u ! 进入求解器 ! 施加位移约束 d l 施加载荷 f s o l v e ! 求解 f 口虹s h ，p o s t l1 进入通用后处理器 p l d i sp 11 画出结构的变型图并与原结构比较 ! 制作结构的变形动嘶 a n d s c l 1 0 0 5 a v p r i n 。0 。0 四川大学硕士学位论文 3 1 - 3 有限元分析的形函数 形函数，亦即形状函数口引。顾名思义，形函数就是反应有限元素形状的函 数，与有限元素的节点数、面数、阶次、面边线数等有关。 形函数在有限元分析中非常重要，是有限元元素的内插值函数。在弹性分 析中，形函数以节点位移表示元素内的位移分布。形函数也可以将外加分布力， 转换成等效集中力与等效弯矩，分别施加于节点上。 3 1 3 1 三缝实体有限元分析形函数( 空闻问题有限元分析) 在三维实体分析中，有限元分析的网格元素类型有很多种，对于四面体元 素单元，有三维一次4 节点元素，三维二次1 0 节点元素，三维三次2 0 节点元 素等类型，同理也有五面体到八面体都有类似阶次类型的单元。如图3 - 2 所示 各种类型网格元素的形状。 3 4 - 3 6 会印令侈 仝目孽够 ( a ) 二维单元( b ) 三维单元 圈3 2 某些丽格元素的形状 对于三维实体的有限元网格，其面数越多，阶次越高，节点就会越多，单 元精度越高，对运算速度的影响与网格数量相比更大，对计算精度的影响也更 好；当然，对计算机配置的要求也非常高。 鉴于计算机配置，这些条件限制了我们对网格单元的面数和阶次的提高， 这里我们选取的是最简单的三维一次4 节点有限 元素、三维二次1 0 节点元素( a n s y s 中t e t 1 0 n o d es o l i d 9 2 ) 。三维一次4 节点元素如图3 3 。 3 7 1 1 5 8 5 9 3 1 3 2 三维一次4 节点元素的形函数 在整体坐标系统中，对于三维一次4 节点的 形函数，其函数值沿坐标轴( x 、y 、z 轴) 呈线 圈3 - 3 兰维一次四节点元素 性变化。对于各节点的位移函数u 沿各轴的线性变化u = l 似，j ，z j 可以写成 四川大学硕士学位论文 u = a + a 2 x + 3 j y + a 口。式中a l 、a 2 、a 、a 。为系数。 用向量形式表述为： 盘l d 2 口3 口- 假设在节点f 、j 、k 、f 处的位移分别为嘶、趴、u l 。用向量形式表达为 1 葺几 1 0y j 1 k 虮 1 y ； 可推导出 ，lz l y | z 3 y ez y lz l ( 3 2 ) 式中划线的部分即形函数，定义为【加， u = n t u n i u i + n 小一n t u tt 3 4 1 通过m a t h e m a t i c a 软件计算可得j 、 j 、帆、f 的表达式。 3 1 3 3 三维二次1 0 节点元素 对于三维二次1 0 节点元素( a n s y s 中 t e ti o n o d es o l i d 9 2 ) ： 如图3 - 4 ，对于各节点的位移函数可 以写成： ( 3 3 ) 可写成 棚= 批m 胍皿 。 l 图3 - 41 0 节点四面体元蠢 u4 “l ( 2 0 1 1 ) 0 1 + u j ( 2 t 2 1 ) l 2 + u k ( 2 l 3 1 ) 0 3 + u l ( 2 l 4 1 ) l 4 + 4 ( u m l l l 2 + u “2 l 3 + u 。i ，1 l 3 + u p l l l 4 + u q l 2 l 4 + u r l 3 l 4 ) k 四川大学硬士学位论文 v 。i ( 2 l 1 1 ) l 1 + ( 类似于u 的表达式) w 4w i 【2 l 1 一。i ) l i + ( 类似于u 的表达式) 啦、v l 、w 。分别表示节点f 在x 、y ，z 方向的位移。 3 1 4 有限元网格划分的基本原则”斟 网格划分是有限元分析的重要环节，划分网格应考虑以下原则。 1 网格数量：网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。 一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加， 所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。 网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高，而计算时间不会有大 的增加。当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格时精度提高甚微，而 网格划分的时间以及有限元分析计算时间却有大幅度增加。应比较两种网格划 分的计算结果，如果计算结果相差较大，可以继续增加网格，相反则停止计算。 在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。静力分析时，如果仅仅考虑变 形，网格数量可以少一些。如果计算应力，应取相对较多的网格。为表现网格 数量的影响，本课题中将对有些制件采用不同数量的网格进行多次分析。 2 网格疏密：指在结构不同部位采用大小不同的网格。在计算数据变化梯 度较大的部位( 如应力集中处) ，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化 梯度较小的部位，则应划分相对稀疏的网格。应使网格数量增加到关键部位， 既可以保持计算精度，又可减少网格数量。在次要部位增加网格是不必要的， 也是不经济的。疏密不同的网格对于应力分析非常重要。 为了表现网格疏密对分析结果的影响差异，在本课题中将对有些制件采用 不同疏密的网格进行多次分析。对于比较复杂的零件如型芯、内左右侧型芯滑 块、型芯体等划分网格时，这些制件上的孔、槽、曲面、尖角过渡处等地方需 要细化网格。采用自适应网格划分，这样可以保证在容易出现应力集中的部位 a n s y s 自动进行较密的网格划分。就可以避免人工划分费时、费力、软件容易 出错中断、划分不全面有疏漏等缺陷。 3 单元阶次：单元具有线性、二次和三次等形式，高阶单元的曲线或曲面 边界能够更好地逼近结构的曲线和曲面边界，当结构形状不规则、应力分布或 4 四川大学硕士学位论文 变形很复杂时可以选用高阶单元。高阶单元的节点数较多，相同网格数量，高 阶单元模型规模大得多，因此在使用时应权衡考虑计算精度和时间。本课题采 用二次网格。 4 网格质量：指网格几何形状的合理性。质量好坏将影响计算精度。质量 太差的网格甚至会中止计算。划分网格时网格质量要达到某些指标要求。在结 构关键部位，应保证划分高质量网格，个别质量很差的网格也会引起很大的局 部误差。当模型中存在质量很差的网格( 称为畸形网格) 时，计算过程将无法进 行。划分后需要检查网格，避免不良网格造成运算中断、程序出错等现象。 5 网格布局：当结构形状对称时，其网格也应划分对称网格，以使模型 表现出相应的对称特性，不对称布局会引起一定误差。 3 2 本课题分析的力学理论 根据各向同性材料在弹性范围内应力一应变关系，可以得到微元沿正应力方 向的正应变： = 睾 ( s - 6 ) 凸 式中，e 即是弹性模量( m o d u l u so fe l a s t i c i t y ) ( 或称杨氏模量y o u n g m o d u l u s ) 在皿作用下，除= 方向上的正应变外，与其垂直的j ，皇方向上亦有反号 的正应变f ，、最存在，它们与之问存在下列关系： e f - 一v = 一v 睾 ( 3 7 ) = 一v = 一v ( 3 8 ) 廿 其中，v 称为泊松比( p o i s s o n r a t i o ) ，为材料常数。对于各向i 司性材料，上述二 式中的泊松比是相同的。以上各式是由单向应力状态得出的。 对于纯剪应力状态，前以提到切应力与正应力在弹性范围内也存在比例关 系，即 y ：三一3 - 9 、) y 西 式中，g - 切变模量，其定义见式( 3 - 1 2 ) 。 i lj i l 大学硕士学位论文 在小变形条件下，考虑到正应力与切应力的相互独立作用，应用叠加原理 可以得到如图3 - 6 所示一般应力( 三向应力) 状态下的应力一应变关系。 图3 - 6 一般应力状态下的应力一应变关系【6 3 】【“ ： h u b + q ) 】 弓= 喜k o ( o - ，+ q ) 】 “= 扣一u b + q ) 】 y 。= 罢 v ：- 二曼 7 曩 g 。j l y ，2 百 ( 3 一lo ) 这就是一般应力下的广义胡克定律( g e n e r a l i z a t i o n h o o k el a w ) 对于平面应力状态，广义胡克定律( 3 - 5 ) 简化为 ( 3 1 1 ) 宙 、lljil厂lij 吗 啊 坞 k b孚，扣。百鱼g i i = = = ； 一 ， 巴! ! ! 查兰堡圭堂垡堡奎 对于各向同性材料，广义胡克定律中的三个弹性常量并不完全独立，他们 存在下列关系： 一 日 拈而j 对于绝大多数各向同性材料 鬈兰g 。嘲嘲 ( 3 1 2 ) 怕松比一般在o 0 5 之间取值，因此 西川大学硕士学位论文 动模型芯的受力分析 1 对动模型芯造型的分析 动模型芯造型复杂。型芯上分布有斜成型侧滑块孔槽、顶杆孔、型芯支撑 支撑孔，内左右侧型芯滑块支撑面以及保险杠成型面等。因此保险杠上孔多， 面也多。其p r o e 实体造型如图4 - 1 ： 圈4 一l 保险杠动模型芯的实体造型( 从不同的方向看) 由于动模型芯形状复杂，为了分析的顺利进行，其造型必须保证整体性 采用在一个大的长方实体中进行轨迹扫描切剪的方式来生成动模型芯的实 ，如图4 - 2 所示： 图4 - 2 用轨迹扫描的方式切剪出型芯的成型面 2 动模型芯的力学模型 2 1 动模型芯的物理模型 动模型芯在模具中承受的约束以及施加约束的构件，如图4 - 3 图4 - 3 动模型芯所受约束的实体造型图 b ) 侧面约束 a ) 动模主型芯底部承受的支撑 负载面 b 截面形状口a 主箨面 c ) 简化为多支点梁 图4 - 4 动模型芯所受约束和负载的二维示意图 1 9 四川大学硕士学位论文 附加在动模主型芯上的载荷为垂直于成型表面的型腔压力，动模型芯所承 受的约束为：底面有两个型芯滑块和四个支撑柱提供支撑，两侧约束由动模型 芯体提供。图4 4 ( c ) 为动模型芯的受力简化示意图。 4 2 2 动模型芯简化为受均布载荷多支点梁的解析法求解推导 这里将动模型芯简化为受均布载荷的，多支点粱，其截面形状简化为均匀 矩形，如图4 - 4 ( c ) 所示。根据动模型芯承受载荷和约束的对称性，对该梁模型 采用半结构进行分析，如图4 - 5 所示。 对该梁的半结构采用位移法进行求解，以下各式中l l 是第一段的长度，j 2 是第二段的长度，l 3 是第三段长度的一半，q 为均步荷