（材料加工工程专业论文）注塑成型过程的数值模拟.pdf

关键词: 注塑成型注塑模参数化特征造型模流分析 保 压 分 析冷 却 分 析收 缩 粘 度迭 代 算 法 abs t r ac t i n j e c t i o n m o l d i n g i s a n i m p o r t a n t i n d u s t r i a l p r o c e s s f o r th e m a n u f a c t u r in g o f t h e r m o p l a s t i c p r o d u c t s . t o i m p r o v e t h e m o l d d e s i g n a n d p r o c e s s c o n t r o l i n t h i s a r e a , i n c r e a s i n g r e l i a n c e h a s b e e n p l a c e d o n c o m p u t e r - a i d e d d e s i g n , a n d c o m p u t e r - a i d e d e n g i n e e r in g ( c a d / c a e ) . i n t h i s p a p e r , t h e s o f t w a r e s t r u c t u r e a n d a l g o r i t h m t h e o ry o f c a d / c a e a r e s t u d i e d b o t h e x p e r i m e n t a l l y a n d t h e o r e t i c a l l y . a c o m p u t e r s h e l l n a m e d s h e n l o n g a n d a c e l l p h o n e s h e l l n a m e d k e l l h a v e b e e n n u m e r i c a l ly s t i m u l a t e d b y m e a n s o f p r o n e , mo l d fl o w , c - mo l d a n d a u t o mo l d . d u r i n g t h e r e s e a r c h , f o u r i t e m s h a v e b e e n p e r f o r m e d a s f o l l o w s : f i r s t l y , c a d / c a e a s a n a d v a n t a g e t o o l i s s u c c e s s f u l l y u s e d i n s h e n l o n g c o m p u t e r p l a t e a n d k e l l c e l l p h o n e s h e l l s t i m u l a t i o n . s e c o n d l y , a d i s a d v a n t a g e o f mo l d fl o w h a s b e e n p r o v e n b y u s i n g p r o n e a n d mo l d fl o w as a s t i m u l a t e d t o o l t o a n a l y s i s t h e p r a c t i c a l p r o d u c t s . i t i s f o u n d t h a t m o l d fl o w is a n e x c e l l e n t s o ft w a r e a s a w h o l e , b u t i t h a s e r r o r in a n a ly s i s t h e t h i c k t h e r m o p l a s t i c p r o d u c t s , f o r i t i s m a t h e m a t i c s m o d e l w as s i m p l i f i e d i n th i c k d e fl e c t i o n . t h i r d l y , a n a n a l y s i s e r r o r o f c - mo l d 3 d q u i c k f i l l m o d u l e h as b e e n d e m o n s t r a t e d . t h e n ,t h e p o w e r - l a w v i s c o s i t y m o d e l i n t h i s m o d u l e w as r e p l a c e d b y c r o s s - a r r h e n i u s m o d e l . b e c a u s e t h e p o w e r 一 l a w v i s c o s i t y m o d e l i s o n l y f i t t o l a r g e s h e a r r a t e a n d it i s n o t c o n s i d e r p r e s s as a n i n fl u e n c i a l f a c t o r . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e p r e c i s i o n w a s e n h a n c e d s i n c e c r o s s - a r r h e n i u s v i s c o s i t y m o d e l w a s u s e d . f i n a l l y , m n 一 i t e r a t i o n m e t h o d o f c - mo l d 3 d q u i c k f i l l m o d u l e h a s b e e n r e p l a c e d b y n - r i t e r a t i o n m e t h o d， i n o r d e r t o s h o r t e n t h e s t i m u l a t e d t i m e a n d e x p e n s e . k e y w o r d s : p l as t i c i n j e c t i o n m o l d i n g ; i n j e c t i o n m o l d ; p a r a m e t r i c f e a t u r e m o d e l i n g ; m o l d f i l l i n g a n a l y s i s ; p a c k i n g a n a l y s i s ; c o o l i n g a n a l y s i s ; s h r i n k a g e ; v i s c o s i t y ; i t e r a t i o n m e t h o d 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 注塑成型是现代塑料工业中极为重要的一种加工技术。注 塑成型制品占塑料制品总量的 3 0 %以上。它能成型形状复杂、 精度要求高的制品，具有生产效率高、成本低、产品质量好等 优点，目前在汽车家用电器、仪器、仪表等行业中得到了广泛 应用。注塑成型是一个复杂的加工过程，仅靠模具设计人员的 经验，很难满足现代塑料工业发展对制品的高精度要求。 实现注塑模c a d / c a e技术的一体化无疑是注塑模设计方 法上的一次革命。应用 c a d / c a e技术，设计师能在模具制造 之前预测注塑结果，针对存在的问题修改设计图纸，优化工艺 参数， 对改进制品设计提出建设性指导; 对减少模具返修报废、 提高产品质量具有重大的经济意义n j 1 . 1 注塑模c a d 系统概述 随着注塑模发展的复杂化和精密化，对造型软件提出越来 越高的要求。目前，国内很多科研院所和厂矿企业所使用的造 型软件多为 a u t o c a d系列。而国外所普遍采用的造型软件 大都是基于 a u t o c a d平台之上，融入参数化特征造型技术 所生成的新一代造型技术软件一参数化特征造型软件。国外所 开发的一些先进软件，如 p r o / e . i -d e a s等，都采用了这 种技术。国内一些著名的注塑模研究机构、生产厂家正逐渐采 用这些软件作为其产品造型及模具设计的工具。如何自行研制 开发参数化特征造型系统及对国外软件进行二次开发，成为国 内 c a d领域的重要研究方向。目前，郑州工业大学、清华大 学、华中理工大学、浙江大学、西北工业大学等高校正致力于 此 项 研 究 工 作 12 1 传统的造型技术 ( 如 a u t o c a d系列)难以提供给造型 体完备的应用信息，不能满足工艺设计和数控加工的需要，造 成了 c a d / c a e / c a m 集成化的障碍。特征造型技术的产生正 是为了解决这个问题。 然而，传统的造型技术还是难以满足设计工作的需要，在 设计工作中常见的问题是:设计的初级阶段并不能完全确定所 有的设计信息，往往在设计的后期需要对前期工作进行修改。 中南大学硕上学位论文 在集成化的设计环境中，初步设计的一些细节在工艺分析或其 它的后续工作中可能被证明是不合理的，这也需要对设计进行 修改。而大多数传统的造型系统只能产生固定的模型，需要修 改时往往要重新建立模型，这样，设计效率低，自 动化程度不 高。 参数化技术在造型系统中的应用主要是为了提高设计的自 动化程度，实现设计工作的高效性，它利用规则或代数方程的 形式定义尺寸及要素之间的约束关系，建立相应的推理或求解 的驱动机制，并把二维、三维、曲面造型纳入统一系统，实施 模型转换，产生了设计的可变异形式，使设计系统的适应能力 与设计工作灵活性增强，提供给系统应用者最大的方便与最高 的 效 率， 实 现所 谓的 柔 性 设 计 ( f l e x i b l e d e s i g n ) i . 互 1 . 2 注塑模c a e 系统概述 注 射成型的三 个主要 工序是 t4 i . 1 .将塑料加热到能在一定压力下进行流动的温度。该过 程称作材料的塑化 ( 增塑) 。 2 .塑料的充模。从注塑机的注射缸里射出的熔融状态的 塑料通过各种流道送入模具的型腔中最终在模腔的限制下形成 所需的工件。 3 .停止加热使塑料固化，保压冷却定型成为所需的制品 后，开启模具，取出塑件。 注塑模 c a e技术就是利用计算机对注塑成型过程的各个 阶段进行分析，包括流动模拟、保压模拟、冷却模拟、翘曲分 析、注塑工艺参数优选、模具结构应力分析等，其中前三者最 具有意义，应用也最广泛。 以下就各阶段的模拟所起的作用及发展历史作简要介绍。 1 . 2 . 1 流动模拟 流动模拟的目的是预测塑料熔体流经流道、浇口并充填型 腔的过程，计算流道、浇口及型腔内的压力场、温度场、速度 场、剪切应变速率及剪切应力分布，并将结果以图形等值线图 和阴影图的形式显示在计算机屏幕上。通过流动模拟可优化浇 口布置及注塑工艺参数 ( 料温、模温、注塑时间等) ，预测所 中南大学硕士学位论文 需的注射压力及锁模力并可能出现的短射、烧灼、不合理的熔 接痕位置、气泡等缺陷16 1 。流动模拟的发展历程是: 在6 0 年代，h . a .l o r d 和g . wi l l i a m s 对塑料熔体的圆管流 动及一维流动做了详尽的研究，并建立了有限差分计算模型， 使一维流动分析趋于成熟。 7 0 年代中期， e .b r o y e r , c .g u t f i n g e r 和z . t a d m o r 运用f a n ( f l o w a n a i y s i s n e t w o r k ) 法对二维等 温流 动进行了 计算， 并 对保压固化及分子取向问题进行了有益的探索。著作中提出的 确定熔体流动前沿位置的方法，这一思想被后来的研究者用于 三维流动模拟中，发展成为能够确定流动前沿位置的 “ 控制体 积法” 。c .a . h i e b e r 和 s . f . s h e n先后用有限差分法和有限元/ 有 限差分法计算了塑料熔体的二维流动过程。 7 0年代中后期至今，广大的研究人员一直致力于三维流 动的模拟。目前主要有三种分析方法: 速度场法、 流动路径法、 有限元/ 有限差分法。其中有限元/ 有限差分法由于计算精度 高，是目前商品化流动分析软件普遍采用的方法6 1 . 2 . 2 保压模拟 保压模拟的目的是预测补料过程中型腔内的压力场、温度 场、密度场、流动速度分布、剪切速率及剪切应力分布，保压 模拟对预测产品的收缩及翘曲变形意义很大。 保压分析实质上是解一可压缩流体的流动问题，其分析方 法与填充过程的流动分析类似，但有以下不同: ( 1 ) 在充模阶段 ( 流动阶段) ，熔体密度的变化很小，绝大 多数充模过程的流动分析都假定塑料熔体是不可压缩 的。但在保压过程分析中，这个假设不再成立了。 ( 2 ) 因为多了一个变量，因此要再引入一个方程一状态方 程 ( p -v -t关系)才能求解。塑料的 p -v -t关系需 要实验测得。 ( 3 ) 流动分析的计算区域是变化的 ( 逐渐扩大) ，一般都没 考虑凝固层问题，而保压分析的计算区域是固定的 ( 整 个型腔) ，但必须考虑塑料的凝固。 ( 4 ) 保压过程中，温度变化范围大，因此，应采用七参数 粘 度 模 型 n 1 中南大学硕士学位论文 甘 甲r1 0 ( t , p 一丁 i+ l 7 7。y /公) ( 1 一 1 ) 17 0(t , p 。 二 d , exp ( - a , ( t一t * ) a z +( t一t * ) ( 1 - 2) t * ( p ) = d+ d , * p ( 1 - 3 ) a , ( p ) = a * 2 + d 3 * p ( 1 - 4 ) 式中， n 表示粘度，丫 表示剪切速率，n , t 为材料常数， t为温度场， p 为压力场，r 1 。 为零剪切粘度， t * 为转换温度 ( 当温度低于t * 时，粘度为无穷大) ， d , , d, d 3 , a , , a - 2 为材料常数。 该模型所包含的七个参数为( n , t * , d , , d, d , , a , , a 2 ) o 五参数模型的r l o ( t , p )为: 。 。= 一 ! tt + 273)一 ， ， ( 1 - 5 ) 式中 b , t b , 0 为材料常数， t 、 为r l 。 对温度的灵敏度， p 为ri 。 压力的灵敏度。 该 模型的 五 个参数为 ( n , t , b , t b , 0 ) s p e n c e r 和 g i l m o r e提出了圆管内 保压的 最大压力计算公 式。 k a m a l 和k e n i g 对半圆盘的流动、 保压、 冷却过程进行了 计算，认为保压过程中流入型腔的塑料量与充模时的型腔压力 和保压时型腔内平均压力之差成正比。随后，k a m a l 等又计算 了矩形平板的保压过程，采用 s p e n c e r -g i l m o r e状态方程， 经过简化， 得到了 保压分布的解析解。 c h u n g 和r g a n用有限 差分法对矩形法平板的保压过程 ( 实际上是针对流动结束后压 力迅速上升的短暂过程) 进行了计算。他们采用了 s p e n c e r - g i l m o r e 状态方程和等温假设， 并进行了 线性化处理。 t i t o m a n l i o , p i c c a r o l 。和 l e v a t i 建立了保压过程的分析模型， 计算了保压 过程中流入型腔的塑料量及压力、密度分布。计算结果与实验 值吻合较好。 h .h . c h i a n g , c .a . h i e b e r 和 k . k . w a n g a 对三维流动和保压 过程进行了全面、深入的理论和实验研究，建立了流动和保压 分析统一的数学模型一塑料熔体的可压缩、非等温、非稳态流 中南大学硕士学位论文 动的有限元/ 有限差分混合分析模型。在保压分析中，采用七 参数粘度模型和 t a i t提出的经典状态方程，对液一固相界面 上的密度不连续问题进行了处理 ( 对结晶型塑料) 。考虑到压 力迅速上升过程历时很短 ( 其特征时间的数量级为 l o - s ) ，而 后续补料过程时间较长 ( 其特征时间的数量级为 l o s ) ，因此， 在数值计算过程中，对时间增量作了特殊处理。数值分析结果 与实验结果吻合。 研究表明， 采用五参数和七参数粘度模型( 与 五参数模型相比关于零剪切模型增加了两个材料常数) ，流动 分析结果的差异很小，而保压分析结果的差异很大，采用七参 数模型的保压分析结果更接近实验值，结晶型塑料在结晶过程 中释放的结晶潜热对压力的预测有很大影响9 1 . 2 . 3 冷却模型 模具的冷却效率和模腔温度分布是影响注塑件生产效率和 质量的重要因素。据统计，冷却时间约占整个注塑循环周期时 间的 7 0 % - 9 0 %。模腔温度的高低及均匀性直接影响到塑件的 表面质量、尺寸稳定性、残余应力和翘曲等。围绕缩短模具冷 却时间、控制模腔温度及其均匀性，国内外开展了大量的研究 p o i 。早期的研究以定性分析为主，定量分析局限于简化后的 解析计算。进入 7 0年代以后，用计算机分析注塑模冷却系统 的研究得以深入进行。相继建立了注塑过程的冷却分析模型， 用有限差分法计算了圆盘塑件的非稳态传热。并考虑了塑件的 结晶放热和压力对热扩散的影响，计算结果与实验值非常吻 合。还将注塑模一维冷却分析应用于注塑模 c a d 系统 c a d mo l d ，以便优化选取冷却水道位置和尺寸，迭代求解冷 却时间和模腔平均温度。 。 用有限元和边界元法分析注塑模典型截面的温度分布和冷 却时间等取得了较大进展，并在此基础上实现了对冷却系统参 数的优化设计，且把数值模拟和图形结合起来，使冷却系统的 计算机模拟技术实用化。利用冷却水道为圆柱形边界的特点， 导出了相应的边界积分方程，并给出了冷却系统的优化设计方 法。 注塑模三维冷却分析开始于9 0 年代。大多采用边界元法， 它易于与模具导热边界元分析结合。将二维冷却分析扩展到三 维情形，数学上不会太困难，但存在三个难点:模具空间尺寸 中南大学硕士学位论文 变化非常大;数据量大、种类多，数据管理复杂:计算量大， 占用计算机时多。在有关三维冷却分析文献中，大多应用断裂 力学中处理相近空间表面所发展起来的技术来处理型腔表面与 型腔厚度尺寸相差较大的问题，用零阶近似圆柱单元和一阶近 似圆柱单元来处理冷却水道。目前，注塑模冷却系统的三维稳 态分析已 基本成熟，三维非稳态分析有待于进一步完善11 2 1 互 1 . 3 国外注塑模c a e软件发展概况 目前工业发达国家都在投入大量人力物力进行注塑模 c a e研究，并竟相推出商品化的 c a e软件，许多软件己在生 产中广泛应用，产生了巨大的经济效益。其中，具有代表性的 软件及所取得的成果有: 1 . 美国a d v a n c e d c a e t e c h n o l o g y公司最新推出的注塑 模 c a e系统 c -mo l d 3 . 1 。包括 c -f l o w( 流动分析) 、c _ p a c k( 保压分析) 、c -c o o l ( 冷却分析) 、c -p a c k / w ( 保压 及简单翘曲分析) 、c -d e s i g n( 结构设计、成本估算等) ，其 中c -mo l d代表了当今注塑模流动模拟软件的最高水平。 2 .澳大利亚 mo l d fl o w公司的注塑模 c a e / c a d系统。包 括 mf / f l o w ( 流动、保压分析) 、mf / c o o l( 冷却分析) 、 mf / w a r p( 翘曲分析)等，其中mf / w a r p是最新产品。 3 .加拿大 mc g i l l大学的 mc k a m- i i 系统。能模拟注 塑过程的流动、保压和冷却各个阶段。 4 .德国 i k v塑料工程研究所的注塑模 c a e / c a d系统。 能系统地进行注塑模的流变分析、热力学分析及结构设计。 5 . 美国和意大利 p l a s t i c -c o m p u t e r i n c . 的 t m c o n c e p t 专家系统。包括五个程序包:t mc -ms( 材料选择) 、t mc -mc o( 模具加工与成本优化) 、 t mc -f a( 流动分析) 、 t mc -c s e( 型腔尺寸设计) 、t mc -mt a( 成型热分析) 。 6 美国s t r u c t u r e d y n a m i c s r e s e a c h c o r p o r a t i o n ( s d r c ) 的p o l y f i l l 和p o l y c o o l - 2 软件，分别进行注塑成型的流动和冷 却分析，其中p o l y c o o l - 2 代表了当 今注塑模冷却分析软件的最 高水平。 7 .美国 g r a f t e k i n c . 的注塑模 c a d / c a e / c a m 集成系 统。包括 o p t i mo l d i i i( 三维几何造型 ) 、s i mu f l o w ( 二 中南大学硕士学位论文 维流动模型) 、s i mu f l o w3 d( 三维流动分析) 、s i mu c o o l ( 二维冷却分析) 、o p t i mo l d ( 模具结构设计) 。 8 .美国p a u l s o n s e m i n a r p r o g r a m s i n c . ( p s p )的i m e s 专 家系统。 9 ，美国a p p l i c a t i o n的注塑模流动分析软件 m o l d f i l l 和冷 却分析软件mo l d c o o l a 1 . 4 国内注塑模c a e软件的发展概况 我国自行开发的注塑模具c a e软件起步较晚，在 8 0 年代 后期才逐渐有成果发表。 早期的开发工作仅限于注塑模具c a d 系统和二维c a e的研究。到9 0 年代受国外引进的先进的注塑 模具 c a e技术的影响，才开始较复杂三维成型和冷却系统的 c a e研究。由于开发 c a d / c a e系统需要较系统、成熟的图 形软件支撑，而在8 0 年代中期，国内还没有较好的图形软件， 当时 a u t o c a d系统的引入，使绝大部分二次开发软件都是 基于这样一个平台， 因此， 国内自 行开发的注塑模具c a d / c a e 系统大多是在 a u t o c a d系统上进行的。 华中理工大学是国内较早 ( 1 9 8 5年)自行开发研究注塑 模具c a d / c a e系统的单位， 1 9 8 8 年实现了注塑模具c a d / c a e 一体化的 h s c - 1 . 0系统，1 9 9 0年版本升级为 h s c - 1 . 1 ，目前 最新版本为 h s c - 3 . 0 。该系统是基于微机和 a u t o c a d 1 0 . 0 , f o r t r a n语言编程，全菜单驱动，可有效地完成注塑模具三 维图形输入及处理、注塑流动和冷却模拟、模具强度和刚度校 核、模具结构设计和绘图等功能。从 h s c - 1 . 1版本起，该系 统建立 了一个基 于知识的注塑模缺陷诊断专家系统 k b d d e s 。采用不精确推理及确定性理论，按人类专家处理问 题的思维方式来协调各专家对问题假设的不确定性，并运用正 反向混合推理的控制策略，对常见的注塑件缺陷及注射过程中 的故障进行诊断，得出结论并给出避免缺陷或故障的方法及建 议。该软件智能化系统的实现使国产软件整体性能大为提高。 h s c系列软件已在国内某些企业得到应用，而且己商品化出 售。 郑州工业大学模具研究所从 1 9 8 7年开始研制橡塑模具成 型过程模拟及模具优化设计软件一z - mo l d ，该系统是 目前国 中南大学硕十学位论文 内处于领先水平的实用化、商品化的橡塑模 c a e系统。z - mo l d 3 .0为该软件的新版本，该软件的国产化程度高，除图 形系统是基于 a u t o c a d 1 2 . 0外，其余软硬件部分基本实现 了国产化，可较准确地预测温度场、应力场、熔接线及气泡位 置 等 14 1 上海交通大学从 1 9 8 3年起开始对注塑模具的计算机应用 进行了多层次的研究，并在国内首次把人工智能技术引入注塑 模具的 c a d系统中。1 9 8 7年开发了实用化的注塑模具 c a d 系统，并应用于洗衣机内缸体等大型塑料件设计上，取得了实 用化的应用。1 9 8 9年开发了一套集成化注塑模具智能c a d系 统。目前正在开发一个智能化的 c a d / c a e系统，它是基于工 作站u g i i 1 . 0 为图形支撑环境，以m o l d f l o w为分析系统，用 a n s i s 实现。现已完成了应用软件工程思想与i d e f o 和 i d e f i x 建模工具的总体设计方案，并实现了u g i i 1 . 0与m o l d f l o w的 数据传输和图形转换难题。 中国科技大学 1 9 9 5 年开发了一个在微机运行的注塑模c a d 系统， 该系统是以a u t o c a d 1 0 . 0 和s a p 有限元计算模块为支撑， 是该系统成为广义的c a d 系统即具有c a d / c a e 的功能。它较好 地解决了浇注系统设计、冷却系统设计、型腔型芯的曲面造形 设计、装配图和零件工作图的设计绘制四个难点，应用了曲面 造型技术和有限元分析计算冷却系统 ( 二维技术) ，并有效地 解决了微机内存资源有效利用的难题，在部分厂家已投入应 用。 浙江大学从 1 9 9 4年起开发了一套精密注塑模 c a d / c a e系 统，该系统主要针对录象带盒塑料模具的国产化而解决精密注 塑模设计和制造问题。它是基于工作站 u g 1 1 9 . 0为图形支撑 平台，以m o l d f l o w实现 c a e过程，其特点主要以特征造型来 构造产品模型，从而解决了几何造型系统不能表达工艺信息等 问题。这是以前系统所不能解决的问题，利用特征反转映射， 实现型腔模型的快速生成，解决了注塑模型腔型芯的模型构造 存在的多次重复构 型 问题 。该系统是一个较完整实用 的 c a d / c a e 系统。 东南大学于 1 9 9 5年开发了一套微机环境下运行的注塑模 具s e i m c a d系统，该系统也是基于微机和a u t o c a d 1 0 . 0 来开发 三维线框图形软件， 可以实现产品输入、 型腔设计、 常规设计、 中南大学硕士学位论文 注塑过程模拟分析及前后处理和提供c a n 的界面接口等功能， 较好地解决了线框模型到面模型的转换，成型过程模拟和流道 系统设计等一些关键技术，是一个 c a d / c a e 技术的全面实现并 为c a n的实现准备好了基础。 各科研院所经过十多年来的不懈努力，在注塑模 c a d / c a e 领域取得了长足的进步，软件的国有化比重在不断递增加。但 也应当看到不足之处，目 前国内自行开发的注塑模c a d / c a e 系 统都是基于一定的平台基础上，而自行开发的图形系统和 c a e 软件较少，并且目前还没有统一的标准，开发系统的实用性和 局限性较大，因而，上述系统真正成为普及型软件还不成熟， 有待进一步技术研究和通过实践检验 。 1 . 5 注塑模c a e技术的发展趋势 1 . “ 后充模 ( p o s t - fi l l i n g ) ”过程的模拟与软件开发 随着塑料制品向复杂、高精度方向发展，许多工程技术人 员认识到“ 后充模” 过程 ( 保压、冷却等)对产品的内部结构、 性能、变形及尺寸稳定性也具有很大影响。因此，提出了对整 个注塑成型过程进行模拟和控制的要求。在继续进行流动分析 的同时，致力于保压、冷却过程模拟、纤维 ( 分子)取向模拟 及翘曲分析的研究人员越来越多。近年，已有商品化的保压、 冷却及翘曲分析软件问世，并应用于生产，不过远没有流动分 析那么广泛、成功，还有许多问题有待解决。特别是纤维 ( 分 子)取向分析及翘曲分析，由于物理过程及机理很复杂，很难 全面、正确地对过程进行描述和分析。目前的分析软件还不能 实用。 2 .注塑模c a e软件系统化、集成化 注塑模的流动 、保压、冷却等分析软件是先后独立开发 出来并投入市场的。但近两年来，许多研究机构将自己开发的 流动、保压、冷却等分析软件集成，形成注塑模 c a e系统， 例如美国的a d v a n c e d c a e t e c h n o l o g y 的 c - m o l d 3 . 1 系统。 c a e 软件的系统化主要体现在:1统一的前后置处理。这样，集合 模型、材料性能数据和注塑工艺条件为各分析模块共享，分析 结果用同一后置处理模块进行显示和评价;2各分析模块间的 相互藕合。一个模块在运行时间时可能要读入其他模块的分析 中南大学硕士学位论文 结果，同时，其分析结果也为其他模块所用。如进行流动分析 时可读入冷却分析结果，获得更精确的模壁温度:翘曲分析模 块必须读入流动、保压及冷却分析的结果才能进行。 3 注塑模 c a e与c a d / c a m及注塑成型的控制集成化 国外许多计算机公司以注塑模 c a e / c a d软件为核心， 加上几何造型和 n c加工软件，配置接口，向用户出售集成化 的注塑模 c a e / c a d / c a m 软件。但仍有许多问题有待解决。 目前，美国c o r n e l l 大学、加拿大的mc g i l l 大学等正致力于这 方面的研究。 4 .对气辅注射成型( g a s - a s s i s t e d i n j e c t i o n m o l d i n g ) 、热固 性塑料注射成型等的模拟与软件开发。 气体辅助注射是塑料件精密成型的一种先进工艺。气辅成 型的充填过程是在向型腔内注入高压气体 ( 通常是氮气) ，气 体在预先注入的熔体中形成中空并推动熔体继续向前运动直至 整个型腔充满。其最大的优点是能够成型厚度差异较大的制 品，将传统注射成型时因厚度不均而必须分成几个单独部分成 型的制品合并起来，实现一次成型。由于气体通道造成厚壁部 分中间是空的，使壁厚部分的实际壁厚与薄壁处的厚度值接 近，从而避免了传统注射成型中较厚部分表面出现凹陷的缺 点。此外，在注射过程中混入气体使气辅成型与传统成型相比 具有节省燃料、缩短冷却时间的优点，而且由于气体能均匀有 效地传递压力，使气辅成型过程中整个行腔完全充满所需的压 力低于相应的传统注射成型的压力需求，从而可以降低锁模 力，气辅成型还可以降低残余应力、减小制件翘曲变形、改善 制件表面质量。在气辅流动充模过程中，塑料熔体在高压气体 作用下的流变行为极其复杂且直接影响着塑件能否成型以及成 型制件的质量和性能p a - 1 6 1 。目 前，美国的 c -m o l d公司、澳 大利亚的 mo l d fl o w等公司正在进行该类软件的研制开发工作 ( 1 3 1 1 . 6本文主要研究内容 应用与开发注塑模 c a d / c a e / c a m 一体化的软件 国内大多数研究机构、生产企业来说是一个崭新的课题。 改革开放的逐步深入，国外越来越多的先进软件传入中国 对于 随着 。女 口 中南大学硕士学位论文 前的一个难题。能够熟练使用该软件的人不仅要有扎实的有限 元理论知识、熟练的计算机操作技能，而且要有丰富的生产经 验。本课题的第一部分即为运用具有国际先进水平的几何造型 和注塑过程模拟软件 p r o / e , mo l d fl o w, c -mo l d等软件， 结合 f o x c o n n 公司的生产实例给出了注塑模充模过程中所 用到的有限元理论及算法的过程、边界条件参数的设置等，并 对软件的使用环境、注塑模设计的流程及注塑模的装配图等进 行了比较详细的论述。如何基于国外软件的基础上，针对具体 问题实现二次开发，逐步实现软件的国有化，是摆在广大研究 机构面前的一个难题。本课题的第二部分即为实现软件二次开 发方法与技巧的一个摸索。本文第二部分结合一电话机壳实际 生产的具体问题，对c -mo l d 软件的快速充填部分 ( c -mo l d 3 d q u i c k f i l l 模块的粘度模型) 作了 修改， 取得了 较好的预 期效果。 中南大学硕士学位论文 第二章 注塑 模设计时， 应充 分了 解塑料 熔体 在献 和 型 腔中的 流动 情况， 并进行定量计算，求得充填过程中的压力、 温度、 剪应变力及冷却时间 等参数。 这部分工作通常是在模具设计完成后训于 的， 也就是说， 根据 设计图 纸中流道、型腔、 浇口、冷却系统等几何 特点以 及塑料的 特性， 通过数学模型， 求得充填过程中的各流动参数， 从而预测流动特点、 温 度分布、冷却时间、锁模力大小等。自 从注塑模问 世以 来， 川门 就希望 在模具布 憧前能 够预测熔体在漏首 和型腔中的 流动清 况， 从而保证注塑 制品的 质量。 但这种预测非常复杂， 计算工作量很大，因而， 只有在计 算初 广泛应用的 今天刁得以实 现。 将模拟分析技术应 用于注塑模的生产 与带 糙已 成为一个必然的 趋势。 下 面 将介绍 注塑过程中 薄腔类型 熔体在 型 腔内 流 动的 基本 规律和计 算方法， 这些内 容是注塑模模拟分析的 基础 飞 2 . 1 薄 腔制 品 模 流 分 析的 基 本 模 型 1 .运动方程 a ( 77 a u )a z a z 一 apax 一 。 a l 。 a v la z a jz 一 apay 一 0 ( 2 - 1 ) ( 2 一) 2 能量守恒方程 ， 。 ，( 十 之 i 十 va r )， ， 才r ， z , = 入 ， 言 于十 竹- ， 尸/z ( 2 - 3 ) 3 .连续性方程 ax (bu )+ a (bv)y :=77( y a u 、 l o z ) 二 0 ( 2 一) 4 . 流变本构方程 ) 厂(2 - 5 ) 、 : 万 a v o z )( 2 - 6 ) 中南大学硕士学位论文 将以上各式连立 求解，得方程: 。 即乍 - l( a p 0r - - 、 . 。 ( a p -i. -曰 1 ，1 a x 又 a x 了 n ) 即忆 即 ( 2 - 乃 n 一- 、! 比 f 冬 z - b处) 二0 ( 在2 州 ) 处) 在苏-旅 边界条件为: u - v = o , t = t a u a v _= u， a s a z 。呱 p=0助一、p=p， 流动前沿处， 模壁边界处， 浇口 边界处， 以 上 各方 程中 : u 为 沿x 轴的 流 动 速 度， v 为 沿y 轴的 流 动 速 度，p 为载荷， 为模温， y为 剪 切 速 率，几 为 粘度，下 为 剪 切 应力， b为 半 壁厚， t w p , 为 注 射 压 力 ， t m 为 熔体 温 度。 计 算 过 程如 下: i . 计算出 压力 差的 各分 量，由( 2 - 7 ) 式与 ( 2 - 5 ) 式联 合 求解即 可 以 计算出 熔体充填过程的压力分布及粘度。 2 .由能 量守恒方程 ( 2 - 3 ) 式及边界条件可确定 温度场。 3 .基于以 上两方程，由运动方程 ( 2 - 1 ) , ( 2 - 2 )式和流变本构方 程 ( 2 - 5 ) 式及 边界条件 可计 算出 剪切速率、 粘度 及剪 切 应力。 4 .基于以 上各方 程的 解，由 连续性方程可 得出 熔体的 动态 位移， 进而计算出 熔体的 前沿位置及充填情况。 可用于判断熔接线与包封面的 位置等。 由 上可见， 只要能 够计算出以 上各式， 就能 够 确定充 填过程的各 参数。 但由 解析法仅可以 解决一些简单的问 题。 对于一些较复杂的问 题， 基本都是用有限 元求解。 下面介绍一下有限元的 求解过程 n 8 2 .2 有限元程序包括三大部分:前处理程序、 本体程序、 后处理f ,39 i 字 。 2 . 2 . 1 中南大学硕士学位论文 前处理程序的主要功能是根据使用者提供的对计算模型外形及网 格要求能够将连续体进行离散，生成离散模型的结点数及结点坐标;单 元数及单元结点 编码; 载荷信息等。即自 动或半自 动地生 成离散模型的 数 据文件，并要生成网格图 供使用 者检查和修改。 这部分 功能很大程度 上决定了 程序使 用的方便 ,四19 0 下面以 三结点单元为例，说明网 格形成的步骤和要求: 1 .沿几何区联结方向 划分成线，线和线间供单元划分用。 布线应 能等距分布亦应能变间距分布 ( 如按等差方式分布) ，以 满足有限 元分 析不同部位精度的要求。 2 .在每条线上按要求布点，形成单元。 布点同 样要求等距或变间 距。 3 按一定p 阮 序 编结点码并累计形成结点坐标及单元编码坐标。 以 上 过 程 见图2 - 1 ( a ) . 助、 ( c ) 所示。 / / / / 冈反 区二 冈冈卜 刃 冈阅冈 冈冈冈 冈冈冈 冈冈冈 ( a ) 沿几何区布线( b ) 统l 布点 形 成单 元( c ) 几问区网格图 图2 - 1前处理程 序网 格划分的步 骤图 m 离散完成后要对三角形各边的比 例进行检查， 通常容许的 最大比 例 为 6 : 1 ， 若超出 此范围，即 有限单元发生了 畸变， 将导 致有限 元无解。 这是因为 在局部坐标与笛卡尔坐标进行坐标变换时，由 于单元的畸变使 变换方程的 雅可比 行列式为 0 ， 使方程无解。 或者可以 这样解释， 雅可 比 行列式为0 ， 将会使单元矩阵的集成不育 瓣 实现19 2 . 2 . 2 有限元后处理程序主要是对有限元本体程序计算结果的显示，不 仅要求有能够输出结果的文本文件， 还需要有结果的图形显示，如温度 中南大学硕士学位论文 场、 压力 场、 充填时间图 等。 能够 确定出 哪里的 压力最 大、 温 度最高及 变f h ln 势如何。与前处理稠f- 相似， 这部 分档字 对整个 程 序使用的 方便 性有举足轻重的作用。 等值线通常能够直观地反映场函数在域内的变化，如等温线、等 压力线等。 等值线分布密集的部位即 场函 数变化激烈的部位而月 达到极 大值， 这些部位一般都是有限元分析要注意的重点部位。由 于等值线能 直观反 映函数场的分别，因此应用极为 广泛。 这里介绍一种简单而有效的等值线绘法，即 线性插值 扫描绘制法。 设场函数为(do ，对某石 叫 寺 定单元的 编号是 l , 2 , 3 ， 其相应的结 点坐标为 ( x t , y 正 ) 、( x 2 , y 2 ) , ( x 3 , y 3 ) ， 并 有场函 数的结点 值中1 , 由 2 , 中 3 。 绘制。 = 中 。 的 等值 线时， 等 值 线 i llt 单 元 一 条 边 的 条件 是: ( (di (d o ) ( 4 d j - (d o ) y ) y 2 ) 玉 ( x3 . ( a ) 等值线图( b ) 等值线通过单元 图2 - 2 用线陛 插值全域扫描法绘制的等值 线 2 .2 3 有限 元 本体程 序 2 .2 3 . 1 2艺 参 数的 数值 解 有限元本体程序是有限元分析程序的核心， 它根据离散模型的数 据文件进行有限元分析。有限元分析的原理和采用的数值方法集中于 此，因 此它是有限元分析准确可靠的关键， 选用计算方法的 合理与否决 定了 有限 元分析私 梦 赘 的计算效率和结果的精度及司 靠性。 注塑模 模流分析的 前处理程序一般采用 三角形 单元， 该种单元对 复 杂边界具 有很强的 拟和效果， 另 外该 单元压 力 场 采用二次 完全形函 数 作为 插值函 数， 温 度场采用一次完全形函数作为插值函数， 计算的精度 比 其 他单 元的 精度要高。 模流分析 过程主要 有两 种 算法: 温 度场采用 有 限差分法， 其他各参数采用有限单元法。 此种三角形单元图 示如下: 图2 - 3标准二次三角形单元图 有限单元法的基本算法有两种: 泛函变分法和加权函数法，在注 塑模模流分析中主要采用加权函数法。 应力场的 有限元计算公式如下: 中南大学硕士 学位论文 : “一 ， ,t卜 6y, n kk=1(一 ， ) : 一)(t) ( 2 - 1 1 ) f n 1 a a p r 兰 d z ) 、 a a p t a x 又 a x -0 r/) 即又 a y)一。 (2-12 ) 上 式 中p k a ) 为 有 限 元 素i 中 第k 个 节 点 的 压 力 ， 从。 是 六 节 点 三 角形单元