（材料加工工程专业论文）基于cae技术的注塑模浇注系统优化设计.pdf

基于c a e 技术的注塑模浇注系统优化设计 摘要 随着计算机软、硬件技术的发展，注塑模c a e 技术也得到了前所未有的发 展。c a e 技术在模具制造之前就能发现设计中存在的问题，改变了主要依靠经 验和直觉，反复试模、修模的传统设计方法。 本文首先介绍了注塑模c a e 发展的概况以及注塑模c a e 系统。其次介绍了 注塑模流动模拟理论，建立了流动过程的数学模型。基于c a e 技术在注塑模设 计中的应用，结合聚合物流变学原理，以压力的有效利用率为优化目标，推导 了流道截面计算的新方法。最后，以电脑面板的成型过程为实例，进行流动模 拟，对模拟结果作了详细地分析，反复修改模具设计方案，得到较理想的结果。 关键词 注塑耘r 注身物f 7 名a e 分旃7 流动杂g r m 。l d v f l ，o w 7 o p t i m u md e s i g n o f r u n n i n gs y s t e m o f i n j e c t i o np l a s t i c m o u l db a s e do nc a e a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p i n g o fc o m p u t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，i n j e c t i o n p l a s t i c m o u l dc a eh a sa c h i e v e dt r e m e n d o u sd e v e l o p m e n t s t h ed e f e c t sc a nb ed i s c o v e r e d b e f o r em o u l di sm a n u f a c t u r e dt h r o u g hu s i n gc a e i tc h a n g e dt h et r a d i t i o n a lw a y t h a td e p e n d so ne x p e r i e n c ea n di n t u i t i o nt ot e s ta n dm o d i f ym o u l dt i m ea f t e rt i m e i nt h i sp a p e r t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n ds y s t e mo fi n j e c t i o np l a s t i cm o u l d c a ea r ei n t r o d u c e ds u m m a r i l yf i r s t s e c o n d ，f l o ws i m u l a t i o nt h e o r yo fi n j e c t i o n p l a s t i c m o u l di si n t r o d u c e d ，m a t hm o d e lo ff l o wi se s t a b l i s h e d b a s e do nt h e a p p l i c a t i o no fc a e t ot h ed e s i g no fi n j e c t i o np l a s t i cm o u l d ，a c c o r d i n gt op o l y m e r r h e o l o g y ，w i t ht h eo b j e c to f e f f e c t i v eu t i l i t yr a t i oo f p r e s s u r e ，e s t a b l i s h e dan e ww a y o fc a l c u l a t i n gr u n n e r ss e c t i o n a tl a s t ，t h ef l o ws i m u l a t i o no fac o m p u t e r sp a n e li s c a r r i e dt h r o u g ha sa ne x a m p l e t h er e s u l t sa r ea n a l y z e di nd e t a i l ，i n i t i a l d e s i g ni s m o d i f i e da n db e t t e rd e s i g ni sg o t k e y w o r d s ：i n j e c t i o np l a s t i cm o u l d r u n n i n gs y s t e m c a e a n a l y s i s f l o ws i m u l a t i o n m o l d f l o w 致谢 本论文的研究过程中，得到了导师董定福副教授的悉心指导。在 攻读研究生的两年多来，导师为学生创造了优良的学 - 3 和研究环境， 生活上给了学生无微不至的关怀。在此，谨向敬爱的导师表示崇高的 敬意和忠心的感谢! 特别向论文选题，课题研究和评阅中给予我帮助的刘全坤教授、 洪深泽教授、王雷刚教授表示感谢，同时对材料学院所有关心我的各 位老师表示感谢! 在研究生学习期间，得到了本专业张远斌、周明智、许莹、徐荣 真等同学的帮助，在此表示感谢! 尤其是师兄张冲给了我诸多帮助， 本论文的完成与他的无私帮助是分不开的，在此表示感谢! 张君 2 0 0 3 3 符号清单 p 一密度 i 一速度 “、v 、w 一速度矢量的三个分量 西、可一工，y 方向的平均速度 户一体力 r 一偏应力张量 p 一压力 c 。一比热容 k 一热传导系数 7 一温度 j 一内部生成热 0 一应变速率张量 玎一粘度 i 一剪切速率 ，一流道半径变量 y 一场函数 。：r 一插值函数 c n 一单元重心到节点的向量 口船一权函数 g 一体积流率 p ( i ) 一压力有效利用率 q 一体积流量 第一章绪论 1 1 概述 随着计算机辅助设计( c a d ) 与计算机辅助制造( c a m ) 技术的发展及其在塑 料模具设计技术中的应用，逐步形成了以计算机模拟为手段，剖析塑料加工过 程并完成模具优化设计的计算机辅助工程( c a e ) 技术。c a e 技术是一门以 c a d c a m 技术水平的提高为发展动力，以高性能的计算机及图形显示设备的推 出为发展条件，以计算力学中的边界元、有限元、结构优化设计及模态分析等 方法为理论基础的新技术。c a e 是c a d 技术的深化与发展，c a d 、c a m 等技术实 现了数字化，c a e 技术则是信息化的核心，是现代工程和制造业创新的关键手 段，且c a e 技术在实现创新的同时，提高了设计质量，降低了研究开发成本，缩 短了研究开发周期。如今的c a e 软件已处于商品化时代，与c a d 、c a m 、c a p p 、 p d m 、e r p 等软件一起，逐步形成一个包括研究、开发、营销、培训服务等在内 的应用软件产业，是信息产业的一个重要组成部分，对工程和制造业的技术创 新有重大影响。对国民经济的发展有积极的作用。 注塑模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，建立塑料 熔体在模具型腔中的流动、传热的物理数学模型，利用数值计算理论构造其求解 方法，利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、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) ”“。 注塑模c a e 技术能预测注射成型时塑料熔体在模具型腔中的流动情况及塑 料制品在模具型腔内的冷却、固化过程，在模具制造之前就能发现设计中存在的 问题，改变了主要依靠经验和直觉，通过反复试模、修模来修正设计方案的传统 设计方法，降低了模具的生产周期和成本，提高了模具质量。尽管c a e 技术的出 现使注射模设计从传统的经验和技艺走上科学化的道路，但需要指出的是，目前 c a e 技术并不能代替人的创造性工作，只能作为一种辅助工具帮助人去判断设 计方案是否合理，还难以提供一个明确的改进方向和尺度，仍需通过反复交互 ( 分析一修改一再分析) ，才能将设计人员的正确经验体现到模具设计中去。随 着c a e 技术研究的深入，人们正在致力于将优化技术与c a e 技术有机结合起来， 力图改变目前c a e 分析仍“被动”依靠人的经验提供设计方案的局面，实现浇 注、冷却系统的自动、优化设计，但目前尚无实用化的软件。 1 2 塑料模c a e 技术的发展概况 早在5 0 年代，美国学者就对聚合物过程( 尤其是塑化挤出) 的数值模拟建模 作了一系列工作，同期，瑞士的学者给出了有关挤出的重要模型。1 9 5 9 年，b e r n h a r d t 在书中总结了成型建模中的许多问题。m c k e l v e y 在书中首次成功 地描述了一个统一的方法，即采用质量守恒以及相变换的原理描述问题。t a d m o r 和k 1 e i n 在书中首次给出了塑化挤出的完整模型。包括固体输送、塑化和熔体输 送等。7 0 年代初期，有关塑化挤出模拟软件e x t r u d 已商品化，该软件很大程度 上是基于t a d m o r 和k l e i n 书中所描述的模型。7 0 年代以来，很多大学和企业的 研究者们都致力于注射、挤出和其它工艺的计算模型的研究。然而，这些计算模 型对加工技术产生的影响并不大，直到1 9 7 8 年a u s t r a lj a n 推出了第一个注塑 成型充填阶段的模拟软件砸o l d f l o w 。8 0 年代，随着c - m o l d 软件的问世及其他一 些软件广泛用于注射成型过程，模具设计才成为依赖于计算机预测的工程科学。 自8 0 年代以来，北美和欧洲的许多研究小组对聚合物熔体流经管道、口模和成 型设备的各个方面进行了深入的调查、研究，推出了关于聚合物流动的有限元分 柝软件f i d a p 、p o l y f l o w 、n e k t o n 和p o l y c a d 等。9 0 年代。已将研究重点置于 材料的粘弹性、复杂三维模拟以及取向、残余应力和固化现象的研究。另外， 计算方法在双螺杆挤出、热成型、薄膜吹塑、反应注射成型和气体辅助注射成 型的工艺条件设定方恧的应用，也成为研究热点。我国注塑模c a e 研究始于7 0 年代末，发展也很迅速。“八五”期间，由北京航空航天大学、华中理工大学、 四川联合大学等单位联合进行了国家重点科技攻关课题“注塑模c a d c a e c a m 集成系统”，并于1 9 9 6 年通过鉴定，部分成果已投入实际应用。使我国的注塑模 c a d c a e c a m 研究和应用水平有了较大提高。目前出现的拥有自主版权的软件 有，华中理工大学开发的塑料注塑模c a d c a e c a m 系统h s c 2 0 ，郑州工业大学研 制的z - m o l d 分析软件等。这些软件正在一些模具企业中推广和使用，有待在试 用中逐步完善“1 。 为了对各种成型加工过程进行更精确的模拟，目前各国学者都在研究新模 型、新算法及新的成型模拟系统，并将模拟软件与制品设计、模具设计与制造紧 密结合，开发一体化的集成技术，与c a d 、c a m c a p p 、p d m 、e r p 技术与软件的渗 透、协调能力加强，使计算机模拟技术呈现智能化、集成化的趋势。可以预见。 塑料模c a e 技术将被广泛采用。成为解决塑料成型加工和模具设计中各类问题 的标准工具和手段。随着科学技术的迅速发展，互联网技术的普及和全球信息化 塑料模c a e 技术功能进一步扩充，性能也进一步提高，呈现出如下的发展趋势： 1 数学模型、数值算法逐步完善 塑料模c a e 技术的实用性，取决于数学模型的准确及数值算法的精确。随着 相关领域的技术进步，数学模型对成型过程的描述更准确、真实，如聚合物在三 维复杂区域中的流动、传热过程的数值分析；以及入口收敛效应时模头内三维 流动和出模胀大，所用的本构关系更加复杂。考虑了粘弹性及非等温性。数值算 法也由二维、二维半走向真三维计算结果更为精确。聚合物成型是属于多相态 介质、多物理场祸合的情况，属于强非线性；而且从材料的组成与构造特征看， 存在着从微观、细观到宏观的多尺寸现象。由于不同的尺寸服从于不同的物理、 力学模型，宏观的物理力学模型逐步细分不能导致微观、细观模型，而微观、细 观模型的无限迭加同样无法得到宏观模型，存在多尺度模型的耦合问题。而该问 题的研究尚处于基础研究阶段，属于塑料模c a e 技术的研究热点、难点。由于其 强烈的工程背景，一旦基础研究有任何突破，多会被迅速纳入塑料模c a e 技术， 以支持产品设计、模具设计、成型工艺的创新。因此，多相态、多介质、多物理 场、多尺度耦合分析是发展趋势之一。 2 用户界面更加友好，使用更为方便 由于计算机技术及多媒体技术的发展，用户界面具有更强的直观、直感和直 觉性，用户能以较少的工程知识背景，利用“向导”或语音等信息提示，实现简 单的“傻瓜”操作。由于计算机图形处理能力的大幅度提高以及三维图形算法、 图形运算和参数化建模方法的发展，c a e 软件的前后处理技术将会有新的发展。 如，复杂三维实体建模及相应的自适应网格划分、分析结果的实时显示、成型过 程的动态仿真等。塑料模c a e 技术涉及大量的设计方案、标准构件、行业性的 标准、规范以及大量的人类专家知识，利用模糊算法、人工智能及知识工程可自 动选择合理的方案、判断计算结果的合理性，减少用户对计算程序的干涉。 3 优化理论及算法，使c a e 技术“主动”地优化设计 现有的c a e 技术是建立在科学计算的基础上，但仅仅是校验设计方案的合 理性。“优化”仅是反复的校验、试凑，最终的设计方案仍需设计者的经验和技 巧，通过对多个方案的反复计算、比较、分析和判断来确定。使设计和分析过程 仍带有盲目性和随机性。利用现有的模拟结果，借助于优化理论构造有效的反问 题算法，给出明确的改进方向和尺度。对优化模具设计参数和成型工艺参数十分 重要。这样，可从根本上解决依赖经验和技巧的方法和手段。 4 c a e 技术的集成化与网络化发展 随着互联网技术的普及，宽带通讯技术的突破，以及通讯、广播和计算机三 网融合步伐的加快，计算机及网络正从社会的各个方面改变着人类的学习、生 活。现代设计理论的应用，如并行工程等，用户将需要无缝连接的集成化的软件， 具有专业特色的c a d c a e c a m c a p p p d m 产品将应运而生，逐步完成模具及成型 加工全过程的模拟及控制，形成“过程工程与技术”的关键技术。该计算基于网 络环境，实时设计与制造系统的全过程结合。建立整个制造过程的研究、开发、 规划、设计、实施与控制及管理的新体系。为适应电子商务的发展要求，塑料模 c a e 技术，将立足与全社会的公开网络环境，实现异地的“协同设计”及“虚拟 制造”，建立专业化的虚拟网络服务环境，并开发相关产品。实施网上经销、培训 与服务m 。 1 3 塑料模c a e 技术的研究意义 塑料模c a e 技术目的是实现成型过程的动态仿真分析，佼对塑料成型过程 的认识从宏观进入微观，从定性进入定量，从静态进入动态。为优化模具设计和 控制产品成型过程以获得理想的最终产品提供科学依据和设计分析手段。塑料 模c a e 技术的运用是塑料成型加工及模具设计发展过程中的一个重要里程碑。 它可使设计人员避免设计中的盲目性，使工程技术人员在模具加工前完成试模 工作，也可使生产操作人员预测工艺参数对制品外观和性能的影响。总之，设计 人员和生产人员可利用塑料模c a e 技术有目的地修正设计方案和工艺条件，克 服因经验少、工作疏漏而造成的不良后果，多快好省地进行新产品、新工艺的研 究，以适应日益激烈的竞争环境。因此，近年来模具及塑料加工领域发展最快的 是c a e 技术，通过对成型加工过程进行数值模拟，研究加工条件的变化规律，预 测制品的结构和性能，选择制品、模具设计及工艺条件的最佳方案，使成型加工 从一项实用技术变为一门应用科学。如果对塑料在加工过程中的流动、传热以 及在力场和热场作用下所出现的物理、化学变化没有深入的、科学的认识，就不 能生产出质量优良的制品。所以，各国都非常重视塑料模c a e 技术“h ”。 1 4 本论文的章节安排 课题的内容涉及注塑模浇注系统优化设计，成型过程的计算机模拟及分析 等，具有较好的应用前景和实用价值。 本文结构安排如下：第一章绪论主要介绍了塑料模c a e 技术及注塑模c a e 发展趋势：第二章注塑模c a e 系统介绍了注塑模c a e 系统的配置、基本特征 及关键技术：第三章注塑模充填过程数值模拟理论介绍了充填过程塑料熔体 的流动行为及注塑成型过程的计算机模拟理论，在此基础上论述了充填过程的 数学模型 第四章注塑模c a e 系统用于注塑模设计主要介绍注塑模c a e 系统 在注塑模型腔、浇注系统及模具其它方面设计中的应用第五章注塑模c a e 实 例对一种计算机面板成型过程进行模拟，对模拟结果进行分析，最终得到优化 的浇注系统：第六章结论与展望对研究工作进行了总结，并展望本课题的研 究前景。 第二章注塑模o a e 系统 近几年来，随着计算机硬件、软件技术、数据库技术以及设计方法学等方 面的发展，特别是高速度、大容量和具有图形加速功能的工程工作站的出现， 推动了c a e 技术的飞速发展。c a e 系统在功能、性能、数据结构、集成方式、 开放结构、人机界面、人工智能等方面都有很大的提高、加强和完善。 2 1c a e 系统的配置 1 硬件系统 以性能优良、功能强大的计算机作为主机，配备有图形显示器、绘图机、 数字化仪、图形扫描仪、存储设备、输入输出设备和通讯等设备。 2 软件系统 ( 1 ) 系统软件 系统软件由厂商提供，它应与硬件配合。计算机如果没有系统软件就不能 发挥作用。系统软件包含：面向用户、为用户服务的系统，如各种计算机 ( b a s i c 、f o r t r a n 、c 等) 的编译、连接程序，各种编辑服务程序，数学库 程序等。面向计算机维护的程序，如病毒检查和消除程序；面向计算机管 理和操作的程序，如各种操作系统，分时系统与网络通信系统。微型计算机上 c a e 操作系统，现在普遍采用w i n 2 0 0 0 操作系统。 ( z ) 管理软件 管理软件负责c a e 系统中生成的各类数据的组织和管理，通常采用数据库 管理系统进行管理，它是c a e 软件系统的核心。 3 支撑软件 支撑软件亦称功能软件或通用软件，是以系统软件为基础，用于开发c a e 应用软件所必须的通用软件，同时它是各种专门用途的产品应用软件的基础。 支撑软件是c a e 系统的基础软件，主要包括：图形处理软件、分析模拟软件、 工程数据库等。 ( 1 ) 图形处理软件 指软件市场上供应的各种商品化图形软件：c o m p u t e r v e r s i o n 、i n t e r g r a p h 、c a t i a 、s d r c i d e a s 、u n i g r a p h i e si i 、p r o e n g i n e e r 、 d u c t 、m e d u s a 、c a d a m 等。 ( 2 ) 分析模拟软件 指各种用于工程分析模拟的商品化软件包，如有限元机 构分析模拟、模态分析、塑料流动分析模拟和冷却分析模拟等，都已有功能很 强的商品化软件包，统称为c a e 软件包。 ( 3 ) 工程数据库 提供设计和制造所需的材料、标准件和有关设备的参数数 据和图形管理，已方便这些数据的维护和快速查找。现在很多c a d 系统借助一 般关系型数据库管理系统如f o x b a s e 、f o x p r o 等来实现工程数据库的管理。 ( 4 ) 产品应用软件产品应用软件是用户在系统软件和支撑软件的基础上 开发出来的针对各专门领域的产品设计c a e 软件“。 2 2c a e 的基本特征 1 以实体模型为基础 在传统的产品设计中，般用平面视图表达产品零件的结构和装配关系， 而c a e 方法则采用三维实体模型表示零件结构，这是因为和二维视图相比，实 体模型具有三个优越性。 ( 1 ) 实体模型包含了零件完整的设计信息且无二义性。这些信息不仅包括零 件的几何与拓补信息还包括如表面积、体积、质量、惯性矩、惯性主轴和密度 等物理、材料信息。丰富的设计信息是迸一步分析模拟的基础。 ( 2 ) 三维模型更能清楚、直观的反映零件形状特征和装配关系。基于三维模 型具有高度真实感的浓淡图象，不仅能形象的表达零件的外观形状和通过剖切 产生的内部结构，还能反映零件的色彩、质地、纹理、及粗糙程度等表面特征。 ( 3 ) 实体模型是实现集成的基础。用实体模型表示的产品零件，能为产品进 一步的分析模拟、数据编程、直接引用提供充分的数据”。 2 ，c a e 系统与一般c a d 系统的显著区别 c a e 是一个由不同知识模块构成的、集成化的软件系统。每个模块类似于 一个般的c a d 系统，但各个模块之间不是彼此独立的，而是通过一定的方式 集成为一个有机的整体。通过集成，模块与模块之间可以自由传输产品的各种 设计信息，从而促进开发人员之间进行充分的交流“”。 2 3c a e 系统的分类与发展c a e 的关键技术 1 c a e 系统的分类 根据开发c a e 系统的公司提供的产品的情况，c a e 系统的配置有四种类型： ( 1 ) 配套系统：带有c a e 支撑软件和应用软件的计算机系统。 ( 2 ) 非配套系统：仅有c a e 支撑与应用软件及图形终端。 ( 3 ) 软件系统：仅提供c a e 系统的支撑与应用软件。 ( 4 ) 硬件系统：只提供计算机硬件与系统软件。 配套系统为c a e 早期产品的特点，而非配套系统是现行c a e 系统普遍采用 的形式。该形式的用户可以使用第三方的软件来扩展系统的功能。随着用户的 需求，系统可以升级。 根据c a e 系统的硬件配置与连接形式，c a e 系统又可分为两大类： ( 1 ) 独立系统包括主机的c a e 系统，工程工作站系统和个人计算机的c a e 系统。这种c a e 系统自成体系，不与其它计算机系统相连。 ( 2 ) 网络系统这些以小型计算机或超级微机为基础的c a e 系统和大型主 机相连，在小型机或超级微机上完成输入、输出和计算不大的设计计算，而计 算量很大的运算则在大型机上完成，并可以共享大型机上的软件资源。 2 发展c a e 的关键技术 c a e 涉及到的知识范围很广，关键技术有计算机图形处理、三维产品的几 何造型、数据交换、工程数据管理等。 ( 1 ) 计算机图形处理 在c a e 的过程中，入与计算机之间的信息交流是十分重要的，而交流的主 要手段之一是计算机图形系统。计算机图形处理技术是借助于计算机，通过程 序和算法在图形显示和绘图设备上生成图形，并按给定的指令来改变其内容的 数据处理方式。当前计算机生成图形有两种方法，其一是交互式的图形处理方 法，其二是参数化方法。 ( 2 ) 三维产品造型 机械产品和工程设计项目都是三维空间的形体。c a e 技术中的三维立体造 型就是在计算机内建立完整的三维几何模型，准确地记录一个三维形体是由哪 些封闭表面所包围，面与面之间又是如何连接的。 三维造型是产品造型的基础，它涉及的问题比较广泛。如形体的定义、布 尔运算、欧拉检验公式、建模的各种模型、隐藏面的消除、明暗的阴影效果、 数据结构与数据库处理等。通常的造型与建模方式有：线框建模、曲面造型、 实体造型及最新发展的特征造型。只有实体模型才能够满足c a e 的要求。采用 三维造型技术，可以自动计算物体的体积、重量、重心位置、转动惯量等几何 参数，对模型按照一定规律部分，可以自动产生有限元的单元结点数据；对于 装配、安装工作可以自动检查相邻部件间有无干涉。 ( 3 ) 数据交换技术 为了使c a e 系统之间、不同模块之间的数据交换顺利进行，充分发挥用户 应用软件的效益、提高c a e 系统的生产效率，就必须建立各c a e 系统软件都应 遵守的数据交换规范。目前世界各国普遍使用的规范标准有：i g e s 、s t l 、p d e s 、 s t e p 等。 ( 4 ) 工程数据库管理技术 就是利用数据库管理系统( d b m s ) 来管理各种信息，目前另一种数据库 o o e d b m s ( 面向对象的工程数据库管理系统) 正在兴起。 2 4 注塑模c a e 系统 在各种塑料成型模具当中，注塑模以其应用上的广泛性和设计制造上的复 杂性而倍受人们的关注。利用c a e 技术可在模具付诸制造之前，短时间内，从 成千上万种材料、千变万化的几何造型和各有千秋的工艺当中，找出理想的组 合，实现模具的优化设计。注塑模c a e 系统除具有上述c a e 系统的普遍特征外， 还有其独特的特征。 1 注塑模c a e 的工作流程 图2 一l 给出了传统的人工设计、制造注塑模具的一般流程。模具的设计是 根据制件图而定，而制件的设计参数只能依靠有限的原始资料和一些经验统计 数据而定，其准确性无法保证。这些势必影响到模具图样的精度，以至影响最 终产品的质量。图2 2 给出了模具c a e 系统设计的大致工作流程。该系统集工 程、设计和测试为一体。先由c a e 程序对制件进行全面的性能分析，提出制件 的设计方案和注塑工艺参数，然后，根据c a e 软件提供的有关性能参数进行模 具图样设计。最终的注塑模零部件则根据设计初衷进行检测，检测信息再反馈 到c a e 系统进行综合比较分析，由c a e 软件对初始设计进行修改，整个过程重 复进行直到获得满意的设计结果“”。 2 注塑模c a e 软件 目前注塑模c a e 软件较著名的有澳大利亚b l o l d f l o w 公司的m o l d f l o w 软件， 美国a c t e c h 公司的c f l o w ，美国和意大利p & c 公司的t m c f a ，西德i k v 的 m o u i d 及m o l d f i l 等。国产软件有华中理工大学的h s c 1 1 和郑州工业大学的 z - m o l d 等。 注塑模c a e 软件一般包括以下功能： ( 1 ) 填充分析，模拟塑料从进入模具开始至充满型腔的填充过程。 ( 2 ) 保压分析，模拟填入型腔的塑料在保压过程中的状态。 ( 3 ) 冷却分析，模拟模具在冷却过程中的温度变化状态。 ( 4 ) 翘曲变形分析，根据保压分析取得的塑料收缩及冷却分析取得的模具温 度变化状态，分析注塑制品脱模后可能产生的翘曲变形状况。 注塑模c a e 软件可分为如下几个部分： ( 1 ) 材料数据库 存储有注塑材料的流变数据和物理特性数据。如用来表示流变数据的粘度、 温度和剪切速率等，用来表征物理特性数据的有导热系数、比热容、密度、冻 结温度，不流动温度等。m o l d f l o w 软件的数据库叫m a t d b 。这些数据库存入了 各种通用塑料的型号、规格、特性及供应厂商等，用户只要输入简单命令，就 可查出所需的数据，并自动形成材料数据文件，用户还可自由加入数据库尚未 存储的塑料名称和数据。 ( 2 ) 几何造型和网格划分 几何造型软件用于定义型腔、浇注系统和冷却系统的形状。利用网格划分 模块进行自动剖分、生成用于分析计算的数据文件。用于c a e 分析的造型不同 于模具设计加工中的造型，对模型要进行适当简化，并有许多特殊要求。 图2 - 1 人工设计制造模具流程图 图2 - 2 模具c a d c a e 流程图 篓用户选择注塑材料、冷却介质、模具材料和注塑机。生成材辩性能、工 艺条件、寸算控制参数、供分析计算模块调用。 e 括流动分析、保压分析、冷却分析和翘曲分析模块等，是注塑模c a e 分 錾竺譬的核心。用有限元、有跟差分等方法进行计算。运行对阅及分析精度最 决于有限元单元的数量和大小，单元数量越多，计算时间越长。 ” 商品化的流动模拟软件均能做到计算结果图形化，如提供压力分布图、温 度分布图、数度场图、熔体填充瞬间图、剪应力与剪切输率等。模具设计人员 可以根据这些图表和数据，观察充模过程是否合理。如果对分析结果不满意， 则可改变诸如材料、温度、浇口位置及尺寸等有关参数，重新进行分析计算。 当无法判断造成设计不良的原因时，最好每次仅改变一个参数，然后运行分析 程序，考察该参数对流动全过程的影响“”“”。 c a e 系统成功的结构分析极大地完善了c a d c a m 系统，它的运用范围己渗 透到塑料模具的设计和制造的每个环节。将c a e 与现有c a d c a m 有机结合起来， 把它们各自的独立系统连成网络，形成集成生产系统，从而丰富计算机技术在 塑料模具上的应用，是今后c a e 技术发展的必然趋势。未来的c a e 软件的开发 不是孤立的，它的存在和发展将与c a d c a m 同步协调。新型c a e 软件不断涌现， 其性能及兼容性不断的完善，为今后开发研制更为智能化的c a d c a m c a e 集成 软件体系打下良好的基础。 第三章注塑模充填过程的数值模拟理论 流动行为是注塑成型加工的基本特征之一，塑料熔体在充填过程中的流动 行为是瞬态非等温、非牛顿粘性流体的流动。流动行为直接影响着塑件的质量， 对该问题的研究目的在于计算聚合物熔体在模具型腔中的流动状态参数，即速 度场、温度场和压力场，从而确定合理的流道尺寸、形式，浇口数量、位置， 注塑参数( 注射压力、速率和温度等) ，避免浇注过程中可能产生的塑件质量问 题。本章在对充填机理分析的基础上，视聚合物熔体在薄壁型腔中的流动为非 牛顿、非弹性流体在非等温状态下的h e l e s h a w 流动，用有限元有限差分数值 方法，建立注射成型三维流动分析的数学模型。 3 1 充填过程塑料熔体的流动行为 3 1 1 充模流动过程的三个阶段： 塑料熔体在充模过程中分三个阶段，如图 3 - i 所示。填充阶段，填充型腔容积：加压阶段， 加强型腔中的压力；补偿阶段，添加额外的材料 以减小体积收缩“。图3 - 1 成型阶段 3 1 2 流动特点： 在填充过程中，被塑化的高温塑料熔体流出注射装置的喷嘴并且流经主流 道、分流道和浇口而注入模具型腔中。每一个模具的结构元件都将影响到整个 冲模过程的流动行为。在适当的流率下的充模状态是一种有序的向前流动。根 据流动前沿运动特性不同，这种流动可以分成入口区、完全发展区、前沿区三 个典型阶段a 图3 2 为一简单的矩形模具型腔，厚度方向的尺寸远小于平面流 23 ( b f d 图3 - 2 注射过程中各种流动状态 i 浇口2 模壁3 冷凝层4 熔接线 a 入口区b 发展区c 前沿区d 热核区e 泉涌区 一l l 一 衰层 率心 曩层等塞海 动方向，俯视图如图( a ) 所示，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( b ) 所示。a 区域是入口 区，流动是径向的，前沿呈圆弧状；b 区域是完全发展区，熔体几乎以完全发 展的形式在薄壁中流动，对于等温充模前沿是平的，而对于非等温充模，前沿 呈曲线性，这种流动在整个充模过程中占主导地位；c 区域为前沿区，这里的 流动形态称为泉涌流动；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：一是受前沿膜的阻止，熔体不能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，估计一些充模特征如填充时间、型腔压力等，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，熔体被夹在冷凝 层之间，如图( 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。当制品采用多浇口或有孔、嵌件、或制品厚度不均时，熔体在模具内发生 两个方向以上的流动，两股料流的汇集处就形成了熔接线。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“”。 在如何建立充模过程的数学模型时，需要首先认识到模具型腔的几何复杂 性和聚合物熔体的非牛顿特性，因此在建立熔体的控制方程前，首先假定流体 是连续体。 3 2 充模流动过程的数学模型 3 2 1 粘性非牛顿流体力学基本方程 塑料熔体充模过程可以认为是粘性不可压缩非等温流动与传热过程，它总 是伴随着与内摩擦、传热有关的能量耗散过程，可以采用粘性不可压缩流体的 基本方程来描述。 1 连续性方程 三牢+ v ：0( 3 1 ) p d t 在不可压缩条件下，连续性方程退化为 v v = 0 ( 3 - 2 ) 利用直角坐标系分量可表示为 宴+ 宴+ 娑：0 ( 3 - 3 ) 玉加昆 4 其中、v 、w 为速厦矢量阴= 个分莺o 2 运动方程 p 罟= 矿+ v v p ( 3 _ 4 ) 其中户，f ，p 分别为体力，偏应力张量和压力，在直角坐标下可表示为 j 丝+ 。塑+ 。丝+ w 丝1 ：谚+ 坠+ 堕+ 监一一a p ( 3 - 5 ) q 百棚瓦+ v 瓦+ w 西j = ：+ 蔷+ 亏+ 苫一面 p f 堡+ 。堡+ 。塑+ w 堡1 ：矿，+ 监+ 监+ 坠一鲨( 3 - 6 ) p 【百瓦+ v 万+ w 瓦j - 胪j + 蓄+ 苫+ 言一面 p f 丝+ 。盟+ ，塑+ w 塑1 - 以+ 堕+ 笠+ 丝一塑 ( 3 7 ) p 【百西+ v 瓦+ w 西j - ：+ 言+ 亏+ i 一西 一 3 能量方程 蚂鲁= 胛2 t - r ：v 哺 ( 3 - 8 ) 其中c p ，足分别是比热容和热传导系数，r 为温度。j 为内部生成热。 在直角坐标系中可表示为： 孵滢+ ”篆+ v 茜+ w 鼍 = 可窘+ 等+ 窘 一卜罢考忆韵 一 勺( 雾+ 塞 + 乇( 芸+ 暑) + ( 鲁+ 考) c s 嘞 4 本构方程 可采用广义牛顿内摩擦定律，在满足不可压缩条件下， ( 】= 2 刁闭 ( 3 一1 0 ) 其中【f 】为偏应力张量，占为应变速率张量，在直角坐标系中， 铲z 嗉铲2 嗉铲z 刁警 铲呷隆割铲程+ 剖铲倍+ 茅 ( 3 - 1 1 )叫i 瓦+ 万j 屯2 钛云+ 面j邓【瓦+ 茜j 其中r 为粘度。 上述4 个基本方程构成了不可压缩粘性流体力学的基本方程组。可采用适 当的边界条件求解上述方程组来得到粘性流体在流动和传热过程中的物理场分 布，但实际上很困难，必须针对具体问题进行适当的简化。 3 2 2 充模流动过程假设与简化 鉴于大多数塑料制件都是薄壁件，故可认为熔体是在扁平型腔内流动，厚 度方向的尺寸远比其它方向小，某点的流动行为要受到局部几何因素的影响， 可以近似认为熔体流动具有h e l e - - s h a w 润滑流的性质。引入以下假设和简化： 1 由于型腔厚度( z 方向) 远小于其它两个方向( x 、y 方向) 的尺寸，且 熔体的粘度较大，因此，可忽略z 方向的速度分量( w = 0 ) ，并且认为压力p 是x 、y 的函数，沿z 向不变，即a p a z = o 。 2 在充模流动过程中，可认为熔体是不可压缩的，即v v = o 。 3 惯性力和质量力相对于粘性剪切力而言都很小，可忽略不计。 4 在熔体流动方向( x 、y 方向) 上，相对于热对流项而言，热传导项很小， 可忽略不计。 5 在充摸过程中，熔体温度变化范围不大，可以认为熔体的比热容及导热 系数为常数。 6 忽略熔体前沿附近喷泉式流动的影响。 3 z 3 = 维溥壁型腔了云填分析的控制方程 将h e l e - - s h a w 流动推广到非牛顿流体的非等温流动情况，并利用上述的假 设和简化，则可由粘性流体力学的基本方程导出塑料熔体充模流动的控制方程： 蛔+ 蛔：o ( 3 - 1 2 ) 罢一孙静。 。1 3 考一昙( 叩渤= 。 睁 孵 詈+ ”詈+ v 罚= k 矿a 2 t + 矿2 ( 3 - 1 5 ) 其中b 为型腔半厚，云；分别是五y 方向的平均速度，p 为密度，c e ，k 分别是 比热容和热传导系数，b t 分别代表熔体的压力和温度。式( 3 1 5 ) 也是温度场 求解的控制方程。 可是剪切粘度，它与压力、温度、剪切速率有关： 玎= 叩( f ，r 。川 ，、 其中，是剪切速率： 卜1 b ， 图蔼 ( 3 - 1 7 ) 3 2 4 浇注系统充填分析的控制方程 根据浇注系统的特点，可假设浇注系统内塑料熔体的流动为圆柱管内的流 动。对于非圆截面浇注系统，可采用等效圆截面。在此假定的基础上，根据圆 柱管的特点，可进行如下简化： 1 t = o ，瓦= 0 ； 2 在同一截面上压力恒定。 将以上简化用于流变学基本方程，得到浇注系统流动分析的数学模型： 1 运动方程：字= 一l _ a ( r 叩警) ( 3 1 8 ) 凹ro r 2 能量方程：蚂( 署q 警) + 7 1 石0 ( 训彬( 3 - 1 9 ) 3 传热方程：吼：一七娶 ( 3 2 0 ) 4 本构方程：r = ，7 ( i ) ，( 3 - 2 1 ) k 引 边界条件：v ：= 0 ，t = 瓦，r = r 等= 詈一o ，一。 对方程( 3 - 1 8 ) 两边积分，得 。监：塑二 整理得 监：至上 西出2 ” 对式( 3 2 2 ) 进行积分，并利用边界条件v ：l 。= 0 ，得 一匕= 等j ： 其中 a ：= 孚 由式( 3 - 2 1 ) 及( 3 - 2 2 ) 可导出 i = 阱例 另外，可得到径向平均速度 t = ( 人，2 r ) s 1 5 一 ( 3 - 2 2 ) ( 3 - 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) ( 3 - 2 5 ) ( 3 2 6 ) 其中。：广岛 j o 7 ( 3 - 2 7 ) 因而，流过某一横截面的体积流率为 g = r , r 2 t = 萼a z s ( 3 _ 2 8 ) 方程( 3 - 1 9 ) 及( 3 - 2 8 ) 可作为基本方程来求鳃浇注系统的流动问题。 3 2 5 边界条件 关于流动平面的边界条件，在流动前沿，以大气压力为基点，则有p = 0 ； 在型腔边界和型芯边界上，应满足无渗透边界条件，即法向速度为0 的边界条 件a p a n = 0 ；在浇口位置，边界条件应由浇注系统给出，为了方便，可认为在 浇口处压力是给定的：p = 只o ，y ，f ) ；流动平面的温度边界条件，认为在浇口 处温度就是熔体的注射温度：t = 乏( j ，y ，z ，f ) ；最后，对于两股塑料熔体在型腔 相遇时形成的熔接线，相应的边界条件应该是压力和法向速度在熔接线上保持 连续：肚r 卜罢 + ：卜篓卜 3 3 数值求解方法 从前面的分析可知，对注射成型充模过程的数学描述可归结为一组偏微分 方程及相应的定解条件。目前，流动模拟中常用的数学方法可分为两类：一类 是区域型数值方法主要包括有限差分方法和有限元有限差分混合法；另一类 是边界型数值算法，主要是边界元法。有限元有限差分混合法的基本思想是： 在流动平面内各待求量( p ，t 等) 用有限元法来近似，面各待求量( t ，“，v ) 在 型腔厚度方向的分布以及时间变量用有限差分近似。该方法充分发挥了有限元 法和有限差分法各自的优点，对复杂边界的适应性强，成为流动模拟主要的数 值计算方法。 流动模拟的目的是实现对三维塑件的成型过程进行流动分析。目前的研究 主要有两种分析方法：一是流动路径法，二是网络流动法( f l o wa n a l y s i sn e t w o r k ，简称f a n ) 。流动路径法以一维流动分析为基础，先构造出若干种一维流 动单元，如圆管、矩形平板、扇形平板等，再将三维制件展平，并将上述一维 流动单元进行“形状组合”，即用一系列一维流动单元近似描述展平后的制件形 状，得到一组流动路径，每条流动路径由若干一维流动单元串联而成。通过迭 代计算，在满足各流动路径的流量之和等于总的注射量的条件下，使各流动流 动路径的压力降相等。这种方法简单，所需计算时间短，但难以分析形状复杂 的制件。网络流动法( f a n ) 的基本思想是先将整个型腔划分成网格，并形成相应 于各节点的体积单元，建立节点压力与流入节点总体积单元流量之间的关系， 得到一组以各节点压力为变量的控制方程。网络流动法可以处理更为复杂的三 维制件。 够：够： 对于非圆形浇道，可以通过等效的方法用圆管来表示。一维线性管单元的 场函数y 可插值表示为 y = n i y i + n 2 妒2 ( 3 - 2 9 ) 其中n ，n 2 为插值函数：n l = l 一叫，n ：= ， ( 3 - 3 0 ) 对于二维三角形线性单元，采用面积坐标的描述方法。即线性三角形单元 的三个插值函数就是三角形单元的三个面积坐标。 3 3 2 压力场 采用线性三节点三角形单元和管道元来分别描述型腔表面和浇道，单元内 的压力分布可采用线性插值表示。对于三角形单元f 3 尸“( z ，y ，f ) = l k ( q ( 而y ) p r “( f ) ( 3 - 3 1 ) k - ! 对于管道元， 1 一( x ，f ) = 以”( 力量臀( ，) ( 3 3 ” 其中只嚣和瑙分别为三角形单元f 和管道元，的节点压力，球为单元，面 积坐标插值函数，p 为管道元，的线性插值函数。根据熔体不可压缩的假定， 压力场的有限元公式可通过控制体积的质量守恒方程得到。所谓控制体积的质 量守恒，是指在充满熔体的控制体积中，通过控制体积边界的熔体流入量应等 于熔体的流出量，即 q = s “碟“p = 0 ( 3 3 3 ) ，rk r l 其中| v ，为第，个单元的第足个顶点：d 为单元，内顶点k 的压力对控制体积 净流量的影响系数；p ，为单元