（工程力学专业论文）注塑模具的保压优化设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 注射成型是指将受热融化的塑料材料快速注入闭合的模具型腔内，经过冷却固化定 型后，得到和模具型腔形状一致的塑料制品的成型方法。信息产品和电子产品的迅速发 展，对注塑制品的质量提出了更高的要求，如轻便、小巧等，这些就促使了高精密塑料 模具的出现。随着一些大型的注塑成型分析软件的发展和成熟，基于c a e 技术的优化设 计在注塑成型工艺中的应用极大地提高了制品成型的质量和效率。然而，基于这些大型 分析软件，实施有效的优化设计仍然是一个有挑战性的课题。 由于注塑制品在注塑成型中容易出现收缩不均、残余应力及翘曲变形等缺陷，会严 重影响制品的质量。本文从改善制品质量的角度出发，分阶段地考虑注塑成型的各个关 键因素，采用系统优化方法找出各个子系统中的主要设计目标，并对影响设计目标的参 数进行优化设计。 首先，阐述了注塑成型的概念与发展现状，介绍了注塑成型过程的主要工艺条件及 影响产品质量的关键因素，简述了注塑成型c a e 技术的发展与几种常用的优化算法。 其次，由于目前针对保压阶段的设置相对简单，主要是将保压曲线设为恒压控制。 本文对保压曲线的形式做了更多的研究调整，提出了五种不同的保压曲线形式，以有效 降低注塑制品的不均匀体积收缩为主要设计目标，并利用k r i g i n g 代理模型方法来模拟 设计变量与目标函数之间的近似关系，进行优化迭代计算，分别得到了在五种保压曲线 形式下的优化设计方案。本文以扫描器和手机壳为例，详细阐述了本文所提出的注塑模 具保压优化设计方法，有效地解决了注塑制品的不均匀体积收缩问题。 最后，将保压曲线优化与浇口位置优化、冷却系统优化和成型工艺参数优化相结合， 对整个注塑成型过程进行系统优化设计。对于浇口位置优化，将遗传算法与注塑充填模 拟程序相结合，最小化充填过程中的入口注射压力、制件温度差异、过压和磨擦热四项 指标。对于冷却系统优化，在浇口位置与保压曲线优化设计的基础上，利用分级优化方 法对冷却系统进行优化设计。最后，以成型工艺参数作为设计变量，收缩和翘曲引起的 最大变形为设计目标，利用k r i g i n g 替代函数对其进行优化设计。以手机上面板和c p u 基座为例，详细阐述了注塑模具的系统优化设计方法。结果表明系统优化方法可以更为 有效地解决注塑成型各阶段的主要质量缺陷，大大提高制品的质量。 本文工作得到国家自然科学基金重大项目高聚物成型加工与模具设计中的关键 力学和工程问题( n o 1 0 5 9 0 3 5 4 ) 的资助。 关键词：注塑成型；k r i g i n g ；保压优化；系统优化 注塑模具的保压优化设计 t h ep a c k i n gp r o f i l eo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o r 珂e c t i o nm o l d i n g a b s t r a c t i n j e c t i o nm o l d i n g , ap l a s t i cp r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，c o n v e r t st h e r m o p l a s t i ci n t om o l d c a v i t yb yh i g hs p e e d ，a n dm a k et h e r m o p l a s t i ci n t oa l lt y p e so fp r o d u c t sa f t e rc o o l i n ga n d s o l i d i f i e d t h ed e v e l o p m e n t so fc o m m u n i c a t i o na n dc o n s u m e re l e c t r o n i cp r o d u c t sr e q u i r e h i g h e rq u a l i t i e so fh i g hp r e c i s ei n j e c t i o nm o l d e dp a r t s w i t ht h ed e v e l o p m e n t so fs o m e c o m m e r c i a la n a l y s i ss o f t w a r e sf o ri n je c t i o nm o l d i n g ，t h ea p p l i c a t i o no fo p t i m i z a t i o nb a s e do i l 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 o l o g i e sg r e a t l yi m p r o v e st h eq u a l i t i e so ft h e c o m p o n e n t sa n de f f i c i e n c yo fm o l d i n g h o w e v e r , i ti s s t i l lac h a l l e n g ep r o b l e mt oi m p l e m e n t e f f e c t i v eo p t i m i z a t i o nb a s e do nt h ec o m p u t a t i o n a lt i m e c o n s u m e da n a l y s i ss o f t w a r e m a n yf a c t o r sm a ya f f e c tt h eq u a l i t yo fi n j e c t i o n m o l d e dp a r t s ，s u c h a s p r o c e s s p a r a m e t e r s ，p a r td e s i g n , m o l dd e s i g n ，a n ds oo n i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g no fp l a s t i ci n je c t i o n m o l d i n gi sc o n s i d e r e da sas y s t e mo p t i m i z a t i o np r o b l e m ，w h i c hi sd i v i d e di n t os e v e r a l s u b s y s t e m s t h ei m p o r t a n to b j e c t i v ef u n c t i o no fe a c hs u b s y s t e m i sf o u n do u ta n dt h e p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw h i c hg r e a t l ya f f e c tt h eo b j e e t i v ef u n c t i o na r eo p t i m i z e d f i r s t l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h eh i s t o r i e sa n dd e v e l o p m e n t so fi n j e c t i o nm o l d i n g ，a n d i n t r o d u c e ss e v e r a lo p t i m i z a t i o nm e t h o da n dc a et e c h n i q u eo f i n je c t i o n s e c o n d l y , t h eu n e v e ns h r i n k a g ew h i c hh a sac r u c i a li m p a c to nt h eq u a l i t yo fp r o d u c t si s d i s c u s s e d p r o p e rs e r i n go fp a c k i n gp r o f i l ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nt h eu n i f o r ms h r i n k a g e o fp a r t s h o w e v e r , t h ef o r m e rs c h o l a rd i dn o td r a ws u f f i c i e n ta t t e n t i o nt ot h es t u d yo fp a c k i n g s t a g e ，a n ds e tt h ep a c k i n gp r e s s u r et oac o n s t a n tw h i c ho f t e nl e a d si n j e c t i o np a r t st oh a v ea l l u n e v e ns h r i n k a g ea n dw a r p a g ed e f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r ，f i v er e p r e s e n t a t i v ep a c k i n gc u r v e s ( c o n s t a n t ，d e c r e a s i n gl i n e a r , d e c r e a s i n gs t e p ，e t c ) w h i c ha r eo f t e nu s e di np r a c t i c ea r ec h o s e n t h ef l o w ，s h r i n k a g ea n dw a r p a g ea n a l y s i so ft h ei n je c t i o np a r t sa r es i m u l a t e db ym o l d f l o w s o f t w a r e ，t h ek r i g i n gm o d e li sa p p l i e dt ob u i l dt h ea p p r o x i m a t er e l a t i o n s h i p b e t w e e n o b j e c t i v ef u n c t i o na n dp a r a m e t e r s i nt h i ss t u d y , t a k i n gas c a n n e rm o d e la n dac e l l u l a rp h o n e s h e l lm o d e lf o re x a m p l e ，t h er e s u l to ft h eo p t i m i z a t i o nr e d u c e su n e v e ns h r i n k a g ee f f e c t i v e l y f i n a l l y , t h ew h o l es t a g eo fi n j e c t i o nm o l d i n g i s o p t i m i z e d ，f o u rs u b s y s t e m s a r e c o n s i d e r e d ，g a t el o c a t i o mo p t i m i z a t i o n ，p a c k i n gp r o f i l eo p t i m i z a t i o n ，c o o l i n gs y s t e m o p t i m i z a t i o na n dm o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n d u r i n gt h em o l df i l l i n gp r o c e s s ，a g a t el o c a t i o nd e s i g nu n d e rac e r t a i ns e to ff i l l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r si sd e v e l o p e dt om i n i m i z e t h em o l d f i l l i n gp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，o v e rp a c k i n ga n d f r i c t i o nh e a t a n - i i - i n f o r m a t i o ne n t r o p y - b a s e d m u l t i 。p o p u l a t i o ne v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mi nc o n j u n c t i o nw i t h s i m u l a t i o np r o g r a m sw a su s e dt os e a r c ht h eo p t i m a lg a t el o c a t i o n b a s e do nt h eg a t e - r u n n e r d e s i g na n dt h es a m es e to fm o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa st h ef i r s ts u b s y s t e m ，t h ep a c k i n g p r o f i l ei so p t i m i z e db yu s i n gs u r r o g a t eo p t i m i z a t i o nm e t h o dt om i n i m i z et h eu n e v e np a r t s h r i n k a g ed u et op l a s t i cc o o l i n g d u r i n gt h ec o o l i n gp r o c e s s ，b a s e do nt h ep r e v i o u s g a t e - r u n n e rd e s i g n ，p a c k i n gp r o f i l ea n dm o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h ec o o l i n gs y s t e ma r e o p t i m i z e db yu s i n gd e c o m p o s i t i o no p t i m i z a t i o nm e t h o d i nt h ef o u r t hs u b s y s t e m ，t h em o l d i n g p r o c e s sp a r a m e t e r s ( m o l dt e m p e r a t u r e ，m e l tt e m p e r a t u r ea n d 蜘e c t i o nt i m e ) a r eo p t i m i z e db y m l m m l z m gt h es h r i n k a g ea n dw a r p a g eo ft h ep r o d u c tu s i n gb l a c k b o xo p t i m i z a t i o nm e t h o d s t a k i n gt h ec o v e ro fp h o n ea n dc p u - b a s ef o re x a m p l e ，t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l tr e s o l v e dt h e q u a l i t yd e f e c t so f s e v e r a ls u b s y s t e m s ，a n di m p r o v e dt h eq u a l i t yo f i n j e c t i o np a r t se f f e c t i v e l y t h ea u t h o r sg r a t e f u l l ya c k n o w l e d g ef i n a n c i a l s u p p o r tf o rt h i sw o r kf r o mt h em a j o r p r o g r a m ( n o 1 0 5 9 0 35 4 ) o ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ；k r i n g i n g ；p a c k i n go p t i m i z a t i o n ；s y s t e me n g i n e e r i n g i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位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贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 一 洼塑搓县鲍堡压优丝遮让 作者签名 ：盍l 监一日期：4 年 月j 丘日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1工程背景及研究意义 塑料由于具有质量轻、比强度高、耐磨损、消音减振、电性能好及便于成型加工等 优点，在许多领域得到了广泛应用。而注塑成型技术作为现代塑料工业中极为重要的一 种加工技术，在汽车、家用电器、日用品等领域的应用都十分普遍。据统计，全世界每 年注塑制品的产量约占整个塑料制品总产量的3 0 ，而其中每年生产的塑料注射模具占 所有塑料模具总数量的5 0 。在我国，塑料工业随着国民经济整体稳定健康发展实现了 跨越式发展，连续十年经济技术指标稳步大幅递增，总产值居轻工行业第三位，出口居 第五位，以成为中国国民经济持续发展重要的支柱产业之一【1 1 。 塑料注射成型技术已在塑料行业中占有非常重要的地位，所以对注塑成型工艺的研 究有着十分重要的意义。 塑料注塑成型技术已经成为一项比较成熟的技术。各大企业在激烈的市场竞争中需 要不断的推出新产品，这就需要在较短时间内，生产出诸多产品配套的注塑部件，配合 产品的生产周期，降低生产成本，适应市场竞争，这为注塑成型生产技术的快速发展提 供了条件。随着材料科学与加工工艺的不断进步，许多高分子材料的优异性能越来越多 的被人们发现及应用，航空航天、仪表计量等高精密行业都对塑料产品的制作有了更加 严格的要求。塑料制品快速进入这些高精尖领域，对塑料注射成型技术生产的产品的质 量、性能提出了更高的要求。因此，如何提高注塑制品质量和性能成为该领域的重要研 究课题。 注塑成型和模具生产技术水平的高低，已成为制约我国制造业现代化发展的关键问 题。长期以来，传统的模具设计和高聚物成型加工过程的控制主要是工程人员凭经验和 技巧进行，具有较大盲目性，使得实际生产中许多设计很难一次成功，这样就大大增加 模具的制造成本和生产周期，降低了产品的档次和质量。近几年，计算机技术和成型模 拟技术的发展，新的成型方法的涌现，为我们解决这一问题提供了有利的工具和途径。 人们通过建立高聚物成型过程的物理和数学模型，构造有效的数值计算方法，借助于计 算机实现成型过程的动态仿真分析，为优化模具设计和控制产品成型过程获得理想的最 终设计提供科学依据和分析手段。 目前，模具优化设计理论和方法已经成为国际上一个前沿研究课题，它涉及高聚物 熔融、塑化过程的模拟仿真；成型过程的模拟仿真：模具优化设计；成型工艺优化等诸 方面。 注塑模具的保压优化设计 本文从注塑成型优化的角度出发，分阶段的考虑注塑成型的两个关键因素：模具结 构参数和工艺参数对注塑成型制品质量的影响，来构造优化模型。为了系统分析并考虑 各因素对制品质量的影响，将注塑成型优化问题分解为浇口位置优化、保压曲线优化、 冷却系统优化和成型工艺参数优化四个子系统问题，从改善制品质量的角度出发，分阶 段地考虑注塑成型的各个关键因素，采用系统优化方法找出各个子系统中的主要设计目 标，并对影响设计目标的参数进行优化。 1 2 注塑成型基本概念 聚合物注射成型是将粒状或粉状的聚合物原料加进注射机料筒，聚合物在热和机械 剪切力的作用下塑化成具有良好流动性的熔体，随后在柱塞或螺杆的推动下熔体快速进 入温度较低的模具内，冷却固化形成与模腔形状一致的聚合物制品。注射成型是由金属 铸造演化而来的。由于粘度高，聚合物熔体不能浇注到模具中，因此必须靠柱塞或螺杆 施加很高的压力才能把熔体注射到模腔之中。而且，一旦模腔被熔体充满并开始固化， 必须把额外的一部分熔体补充到模腔中以补偿固化时聚合物熔体的收缩。 注射成型与其它聚合物成型方法相比有一些明显优点，其一是能一次成型外形复 杂、尺寸精确且可带有各种金属嵌件的聚合物制品，制品的大小从钟表齿轮到汽车保险 杠，用注射成型生产聚合物制品的品种之多和花样之繁是其它任何聚合物成型方法都无 法比拟的其二是可加工的聚合物种类繁多，除聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯等极少数 品种外，几乎所有的热塑性塑料通用塑料、纤维增强塑料、工程塑料、热固性塑料和弹 性体都能用这种方法方便地成型制品其三是成型过程自动化程度高，其成型过程的合 模、加料、塑化、注射、开模和制品顶出等全部操作均由注射机自动完成。因此，注射 成型是聚合物加工中重要的成型方法之一，在国民经济的各个领域都有广泛应用。 注塑成型主要分为四个阶段，充填、保压、冷却和开模。充填过程是指从高聚物熔 体进入型腔到充满型腔这一阶段。在充填阶段，柱塞或螺杆向前推动，熔体通过流道、 浇口快速进入模腔内，模腔压力持续上升直到模腔充满。在这阶段，熔体的充填位置、 速度、温度、压力和应力等都发生显著的变化。这阶段熔体的充填状态与浇口、流道的 设置，模具温度、熔体温度、注射速度( 时间) 和注射压力等参数有关。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 卜一锁横装叠斗一注窭装置一 图1 1 注塑机示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a m so fi n j e c t i o nm a c h i n e 充填结束后，注塑过程从注射阶段进入保压阶段，注塑机控制系统也从速度控制切 换到压力控制。在保压阶段，注射进模具型腔内的熔体在模壁的冷却作用下而产生收缩， 为了得到致密而且尺寸一致的产品，而对熔体保持一定的压力进行补偿，以填补熔体在 模腔中收缩后的空间。在这阶段，熔体的流速很小，温度变化也小，但是压力变化很大。 此阶段所涉及的参数有保压时间和保压压力。 保压结束，保压压力撤除，浇口封闭后，再也没有熔体进入模腔，注塑过程进入冷 却阶段，熔体在模腔内继续冷却、固化定型，直到制品有足够的刚度从模腔中脱出。制 品冷却的是否均匀和冷却的速度与冷却管道的尺寸、设置、冷却液的温度和流速有关。 这个过程持续到制件完全固化并能从模腔内安全取出，开模取出制件后，一个注塑成型 周期完成。 1 3 注塑成型发展现状 1 3 1 注塑c a e 软件的发展概况 传统的注塑模具设计和制造很大程度上依赖于设计者的经验和制造工人的技巧，因 此设计的正确与否只有通过试模才能知道，设计完成的模具时常会产生许多人们料想不 到的缺陷，出现的问题也主要靠修模来纠正，有时甚至会导致整套模具的报废，对于设 计复杂的中高档模具，会直接影响到模具的生产成本。模具c a e 技术采用有限元计算方 法，根据高分子聚合物流变学和传热学的基本理论，建立了塑料熔体在模具型腔中的流 动、传热的物理数学模型，利用数值分析工具来分析和预测生产中注塑产品和注塑工艺 注塑模具的保压优化设计 可能存在的问题，定量地给出成型过程的状态参数及时判断如何修改制件的形状以获得 较理想的状态，避免了在模具上进行试模、修模的繁琐过程。 在当今市场竞争日趋激烈的社会，企业的产品开发和更新愈来愈快，新的产品与技 术产生的周期愈来愈短，一些公司甚至每年要生产出多个品牌的产品来投放市场，参与 纷繁激烈的市场竞争。目前，国际上较为成熟的注塑商业软件主要有加拿大m o l d f l o w 公 司的m o l d f l o w 、台湾科盛科技公司的m o l d e x3 d 、美国和意大利p & c 公司的t m c o n c e p t 和美国s d r c 公司的i d e a s 等。国内高校和科研机构自主研发的系统则以郑州大学国 家橡胶模具工程中心的z - m o l d 、华中科技大学模具技术国家重点实验室开发的h s c 以及 北航华正软件工程研究所开发的c a x a 等为代表。此外，上海交通大学、华南理工大学、 浙江大学以及大连理工大学等多所科研机构也都在注塑领域进行了广泛而深入的研究。 2 l 世纪以来，c a e 技术及基于c a e 技术的优化设计在注塑成型工艺中的应用极大地提 高了制品成型的质量和效率。资料表明，应用c a e 技术后，模具的设计时间缩短约5 0 ， 制造时间缩短约3 0 ，成本下降约1 0 。塑料原料节省约7 t 2 1 。 据统计，市场上百分之八十以上的新产品的零部件都需要相关的模具加工工作与之 匹配，许多塑料制件在产品中都充当着重要的零部件。产品迅速发展的要求决定了注塑 制品生产的需求，同时产品的性能要求又对注塑制品的开发和生产提出了更高的技术要 求。从注塑生产的总体需求来看，产品的生产周期更短、质量要求更高，模具的需求量 不断增加；从单个部件生产来看，模具的生产趋于多品种小批量，乃至单件的生产；模 具品种多样化，生产能力复杂化，是模具技术发展的需要。为解决以上大批量模具生产 问题，相应模具c a d c a m c a e ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n m a n u f a c t u r i n g e n g i n e e r i n g ) 技术就起到至关重要的作用，它们以软件的形式在计算机平台上供人们使用。由于塑料 制品的多样性、复杂性和设计人员经验的局限性存在着矛盾，长期以来，工程技术人员 很难精确地设计出一套可减少成本、节省时间、提高产品的质量的最合理工艺方案。传 统的模具加工中不断地试模与修模，容易造成一定程度的模具损伤，可能直接影响生产 效率和生产制品的质量。因此，仅仅依靠计算机来辅助模具设计和制造是远远不够的， 更需要对注塑成型的整个过程进行数值模拟分析，根据不同的塑料性能，优化不同的成 型工艺参数和制品的结构形状，才能使模具的设计效率提高，生产成本降低。模具c a e 软件在生产领域的应用越来越广，随着计算科学和计算机性能的不断发展，国内外许多 的科研机构都在进行注塑过程数值分析的研究，现在人们对注塑过程的预测分析已经成 为可能。m o l d f l o w 公司出品的同名系列软件在模具注塑数值模拟领域享有极高的声誉， 大连理工大学硕士学位论文 可以为注塑成型设计和生产提供高效的解决方法，该软件的m p l6 1 版本，也是本文的进 行优化研究所使用的工具。 随着成型模拟技术的发展，流动过程的分析可以定量，使优化设计理论与数值模拟 方法有机的结合起来，使高聚物成型的反问题模型和理论方法、设计灵敏度分析、模具 优化理论和方法都能进行有效的分析处理。这符合模具加工工业发展的需要，也发挥了 工程计算的作用，有着重大的理论意义和实际应用前景，并成为一种通用的注塑模具研 究与设计的方法。 注塑成型过程中，塑料在型腔中的流动和成型与材料的性能、制品形状尺寸，成型 工艺参数和模具设计等因素有关；因此，对于一个新产品或形状复杂、精度要求高的产 品，即使是经验丰富的工艺和模具设计人员，也很难一次设计出合格的模具和调整出合 理的工艺参数。为了节约成本，必须在试模之前对产品成型过程进行定性和定量的分析。 利用m o l d f l o w 软件，可在模具设计的初始阶段，在无需试模的情况下进行注塑成型 质量的评估、选优，突破了传统的在注塑机上反复试模、修模的束缚，提高了一次试模 成功率，并提高了制品的质量，缩短了模具设计制造周期和产品开发周期。 本文基于c a e 技术，利用m o l d f l o w 分析软件，对成型过程中浇口位置、保压曲线、 冷却工艺参数以及成型工艺参数进行优化，对不同的成型条件进行流动、翘曲和冷却分 析，预测产品成型后出现的流动不平衡、不均匀收缩、翘曲变形等情况，根据分析结果 给出相应的产品调整方案，从而为模具设计人员进行模具设计和注塑人员进行注塑工艺 参数调整提供依据。 1 3 2 优化设计方法的发展现状 最优化方法【3 】是用数学的结果和计算机的数值计算去寻找一个最佳选择的方法。二 十世纪六十年代以来，最优化理论和方法发展迅速，已成为一门新兴的学科，并得到了 广泛的应用。尤其计算机技术的迅速发展，为最优化方法提供了更为广阔的发展空间。 目前，优化算法主要分为三类： ( 1 ) 直接法 在无法得到或者很难得到目标函数对设计参数的灵敏度信息时，传统的解决方法是 基于直接搜索的。直接法种类很多，如穷尽法，即遍历所有可能解，通过比较得出最优 解，直接计算和比较目标函数值，并以此作为迭代、收敛的依据。该算法虽然能保证得 到全局最优，但效率相当低，让人无法忍受。 ( 2 ) 梯度法 注塑模具的保压优化设计 利用目标函数和约束条件的函数梯度信息，达到迭代、收敛的目的。这类算法速度 快、效率高，灵敏度分析是关键。最速下降寻优法就是其中的一种，即通过计算设计灵 敏度，采用一般的线性规划或者序列二次规划来优化目标函数。 ( 3 ) 启发式搜索算法 该算法种类很多，例如模拟退火算法。模拟退火算法是基于金属退火的机理而建立 起的一种全局最优化方法，优化的目标函数( f ) 相当于金属的内能e ( f ) ，变量组合状态 空间相当于金属的内部状态空间，优化问题的解舛目当于金属的一个内部状态f ，控制参 数f 相当于温度丁，优化问题的求解过程就是寻找一个组合状态使目标函数值最小。由 初始解f 和控制参数f 开始，对当前解重复“产生新解一判断一舍弃接受 的迭代，逐渐 衰减f 值，直到算法中止，得到最优解【4 1 。模拟退火算法与初始值无关，具有渐进收敛 性和并行性。 人工神经网络也是启发式算法之一，是用机器模拟人脑智能活动的杰出代表。它巧 妙地将生物神经网络的结构及工作方式用数学形式构造出模型，通过模拟大脑的某些机 理与机制，实现某个方面的功能【5 1 。人工神经网络具有很强的自学能力和自适应能力， 可以充分逼近任意复杂的非线性关系，其并行分布处理方法也使得快速进行大量运算成 为可能。因此，在模具优化领域中也得到广泛的应用。 遗传算法是由美国j h h o l l a n d 教授于1 9 7 5 年提出的一种自适应全局优化概率搜索 算法【6 】。它是通过模拟生物进化中的优胜劣汰、自然选择、适者生存和物种遗传的过程， 使种群不断进化，最终收敛于最优解。由于遗传算法优化时不依赖于梯度，具有很强的 鲁棒性和全局搜索能力，因此，在应用领域格外活跃并不断扩大，在工程科学和计算机 科学方面取得了重要的成果。并且，遗传算法作为“桥梁”，使许多原来“毫不相干” 的学科开始相互交叉，相互渗透，取长补短，使得跨学科的研究日趋活跃。 1 4 注塑成型的工艺条件以及影响质量的因素 1 4 1 注塑成型工艺条件川 注塑成型的工艺条件主要包括温度、压力和时间等。 ( a ) 温度 注塑成型过程中的温度主要有熔料温度和模具温度。熔料温度影响塑化和注塑充 模，模具温度影响充模和冷却成型。 大连理工大学硕士学位论文 熔料温度指塑化树脂的温度和从喷嘴射出的熔体温度，前者称为塑化温度，后者称 为熔体温度，由于看来，熔料温度取决于料筒和喷嘴两部分的温度。熔料温度的高低决 定熔体流动性能的好坏。熔料温度高，熔体的粘度小，流动性能好。反之，熔料温度低， 就会降低熔体的流动性能，会引起表面光洁度低、缺料、熔接痕明显等缺陷。但是熔料 温度过高会引起材料热降解，导致材料物理和化学性能降低。 模具温度是指和制件接触的模腔表面温度。模具温度直接影响熔体的充模流动行 为、制件的冷却速度和制件的最终质量。提高模具温度可以改善熔体在模腔内的流动性， 增强制件的密度和结晶度以及减小充模压力和制件中的压力。但是，提高模具温度会增 加制件的冷却时间、增大制件收缩率和脱模后的翘曲，制件成型周期也会因为冷却时间 的增加而变长，降低了生产效率。降低模具温度，虽然能够缩短冷却时间，提高生产率； 但是，会降低熔体在模腔内的流动能力，并导致制件产生较大的内应力或者形成明显的 熔接痕等制件缺陷。 ( b ) 压力 注塑成型过程的压力主要包括注塑压力、保压压力。 注塑压力是指螺杆或者柱塞沿轴向前移时，其头部向塑料熔体施加的压力。它主要 用于克服熔体在成型过程中的流动阻力，还对熔体起一定程度的压实作用。注塑压力对 熔体的流动、充模及制件质量都有很大的影响。但本文在充填过程中采用的是速度控制， 所以对注塑压力这个参数不做优化。 保压压力是指对模腔内树脂熔体进行压实以及维护向模腔内进行补料流动所需要 的压力。保压压力是重要的注塑工艺参数之一，保压压力和保压时间的选择直接影响注 塑制品的质量，保压压力和注塑压力一样由液压系统决定。在保压初期，制品重量随保 压时间而增加，达到一定时间不再增加。延长保压时间有助于减少制品的收缩率，但过 长的保压时间会使制品两个方向上的收缩率程度出现差异，令制品各个方向上的内应力 差异增大，造成制品翘曲、粘模。在保压压力及熔体温度一定时，保压时间的选择应取 决于浇口凝固时间。 ( c ) 时间 注塑成型周期主要由充填时间、保压时间、冷却时间、开模时间组成。 充填时间指注塑活塞在注塑油缸内开始向前运动直至模腔被全部充满为止所经历 的时间。 保压时间为从模腔充满后开始，到保压结束为止所经历的时间。 注塑模具的保压优化设计 充填时间与保压时间由制件成型树脂原料的流动性能、制件几何形状、制件尺寸大 小、模具浇注系统的形式、成型所用的注塑方式和其他工艺条件等因素决定。 冷却时间指保压结束到开启模具所经历的时间。冷却时间的长短受熔体温度、模具 温度、脱模温度和冷却剂温度等因素的影响。在保证取得较好制件质量的前提下，应当 尽量缩短冷却时间的大小，否则，会延长制件成型周期，降低生产效率，还可能造成具 有复杂几何形状的制件脱模困难。 开模时间为模具开启取出制件到下个成型周期开始的时间。注塑机的自动化程度 高，模具复杂度低，则开模时间短：否则，开模时间较长。 1 4 2 影响质量的因素 本节从翘曲变形角度考虑影响注塑制品质量的影响因素。翘曲变形涉及的因素比较 多，从实际生产的角度看，模具设计、产品结构、成型机械、成型工艺、聚合物原料等 都会对制品的最终成型尺寸、变形产生影响【8 】。 ( 1 ) 模具结构对注塑制品翘曲变形的影响 在模具设计方面，影响翘曲变形的因素有浇注系统、冷却系统与顶出系统等。 浇注系统的影响 注塑模具的浇口位置、形式和浇口数量的设计，安排不当都会使流长、流阻过大， 相应的注塑压力也需要提高，同时高分子易被拉伸、压挤，残余应力大，影响塑料在模 具型腔内的充填状态，从而导致塑件变形。 冷却系统的影响 塑件不一致的冷却速度将造成收缩不均匀，这种收缩差别导致弯曲力矩的产生而发 生翘曲。凹模、凸模温差过大，因冷却产生的残余剪切力不能关于塑件的中面对称，会 产生较大的弯矩，使得制品产生大的翘曲变形。在模具设计时，应注意冷却系统温度控 制系统的设计，减少模具的温差，从而保证塑件均匀冷却。 顶出系统的影响 顶出系统的设计也直接影响塑件的变形。如顶出系统布置不平衡，将造成顶出力的 不平衡而使制品变形。 ( 2 ) 制品结构对注塑翘曲变形的影响。 如果型腔内壁厚尺寸差异过大，注射成型过程中，熔体会产生流动不均匀现象，并 且在薄的地方先冷却，厚的地方后冷却。厚薄差异大时，体积收缩率差异大，残余应力 大。当残余应力克服了制品的本身结构强度刚度时，就会发生翘曲。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 注塑机成型工艺参数对翘曲变形的影响 熔体温度和注射压力是注塑成型过程中对翘曲影响较大的两个参数。熔体温度太 低或注射压力太高会产生高的残余应力，容易发生翘曲变形。 熔体注射速度越高，则模具型腔内的熔体流动速度越高，残余应力、表面应力和 分子取向就越大，从而导致塑件的翘曲变形；另一方面，高的注射速度可减小充填过程 中的冷凝层厚度，有利于压力的传递。 保压压力过低，在浇口位置附近可能出现熔体回流现象，产生流动残余剪切应力； 另一方面，型腔内的熔体没有被压实而形成较大的体积收缩率差异，而产生高的残余拉、 压应力，导致翘曲。保压压力过高，虽然可以使补料充足，但是会引起较高的流动残余 应力和塑料的压应力，形成制品翘曲变形。因此保压压力要适当。 保压时间过短，螺杆回退时因为浇口没有冷凝而发生回流，形成残余应力或者因 为补料不足而产生较大的收缩。保压时间太长，延长了生产周期，浪费能源。 冷却时间过短，型腔内熔体没有达到出模温度，在被顶出后会产生较大的变形。 冷却时间长，延长生产周期。 模具温度设置过低，则部件的冷却速率高，残余剪切应力大，若没有足够的时间 释放残余应力，容易产生翘曲。较高的模具温度能够减小注射过程中冷凝层的厚度，减 小模内压力损失，提高产品质量，但是也会延长生产周期，同时凸凹模具的温度差异过 大，也会引起翘曲。 ( 4 ) 塑料 塑料原料本身的流动性、热物理性能、力学性能等对翘曲都有不同程度的影响。而 这些所谓的物性参数对产品质量的定量影响还有待于进一步研究，目前有不少学者针对 此项工作已经开展了物性反演分析的研究工作。 1 5 本文工作 本文在注塑模具设计和注塑成型软件的基础上，引入遗传算法和k r i g i n g 代理模型。 将注塑成型的优化过程分为四个阶段，分别找出各个阶段的主要工艺参数以及设计目标 进行优化设计。 文章具体内容安排如下： 第一章简要介绍了本文的工程背景，概述了注塑成型的基本概念与发展现状，介 绍了注塑成型的主要工艺条件与影响质量的因素，以及几种优化算法和注塑成型c a e 技 术的发展情况。 注塑模具的保压优化设计 第二章介绍了k a d g i n g 代理模型优化算法与遗传算法的基本理论，并阐述了k r i g i n g 模型的样本获取方法和优化步骤，以及遗传算法的优化设计流程。 第三章对注塑成型保压阶段的工艺参数进行了优化。本文提出了五种不同的保压 曲线形式，以有效降低注塑制品的不均匀体积收缩为目标，并利用k r i g i n g 代理模型模 拟设计变量与目标函数之间的近似关系，进行优化迭代计算，分别得到了五种不同保压 曲线形状下的保压优化设计方案。以扫描器和手机壳为例，对五种保压优化形式进行了 详细分析讨论，算例表明本文所提出的保压优化方法可以有效地解决注塑制品的不均匀 体积收缩问题。 第四章将保压曲线优化与浇口位置优化、冷却系统优化和成型工艺参数优化相结 合，对整个注塑成型过程进行系统优化设计。系统优化分为四部分：浇口位置优化、保 压曲线优化、冷却系统优化以及成型工艺参数优化。对于浇口位置优化，将遗传算法与 充填模拟程序相结合，最小化充填过程中的入口注射压力、制件温度差异、过压和摩擦 热四项指标。对于冷却过程，在前面浇口位置优化和保压曲线设计的基础上，利用分级 优化方法对冷却系统进行优化。第四个子系统则把成型工艺参数作为设计变量，将收缩 和翘曲引起的最大变形作为设计目标，利用k r i g i n g 优化模型对其进行优化设计。系统 优化以手机上面板和c p u 基座为例进行了分析计算。优化结果表明该系统优化方法有 效解决了注塑成型各阶段的主要质量缺陷，大大提高了制品的质量。 大连理工大学硕士学位论文 2 算法介绍 2 1k rigin g 优化算法 2 1 1 基本概念 k r i g i n g 优化方法【明是用一个超曲面来近似代替实际设计变量与目标函数之间复杂 函数关系的一种方法。其基本原理是当某点附近一定数量点的目标函数值已知时，通过 插值方式建立一个超曲面，在充分靠近这个区域内，可以用这个曲面来代替实际的函数 进行复杂的计算。所以k f i g i n g s y 法是一种基于随机过程和统计学的模拟插值建模方法。 该方法最早由南非地质学者d a n i ek r i g e 于1 9 5 1 年提出，用来确定矿产储量的分布，之后 逐渐被应用到仿真试验领域。 k r i g i n g 优化方法作为一种半参数化的插值技术，包含了回归部分和非参数部分，所 以k r i g i n g 模型由两部分组成：多项式和随机分布。给定训练样本s = i x t ，x 2 ，托j 及 其响应值y = 陟，y z ，j l t 即可构造k r i g i n g 模型 y ( x ) = 孱五( x ) + z ( x ) = 厂f ( x 。) + z ( x ) ( 2 1 ) h 其中，x = & ；，x ；，x 二) 是有m 个设计变量的第i 个样本点，是n 个试验样本点所 对应的近似函数；无( x ) 是样本x 的线性或非线性函数，在设计空间中，提供模拟的全 局近似，可以是零阶