（机械工程专业论文）汽车保险杠注塑成型的数值模拟及翘曲变形控制.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 在注塑成型中会产生很多诸如缩痕、翘曲等缺陷。像汽车保险杠 这类尺寸大且薄壁的大型注塑件，翘曲变形问题就显得非常突出，生 产时仅仅依靠经验来解决会导致试模时间长，反复修模，加大了生产 成本。如何降低产品的翘曲是保险杠注塑时必须面对的问题。导致注 塑件产生翘曲的主要影响因素有产品结构、模具结构和注塑工艺参数 三个。在产品结构不可更改的情况下要想降低产品的翘曲量就必须从 模具优化和工艺参数优化两方面着手。注塑模c a e 技术可在模具制造 之前，在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟来代替实际的试模， 预测设计中潜在的缺陷，改变传统的完全依靠经验和直觉，反复试模、 修模的设计方法，提高生产效率、降低生产成本。 在某款汽车前保险杠的生产过程中，引入注塑成型分析软件 m o l d f l o w 为工具，建立汽车保险杠的有限元模型，进行注塑成型 过程的数值模拟。首先在限元模型建立时研究如何快速建立非参数化 模型的有限元网格，加快c a e 的前处理过程。其次对制件的流道系统 和冷却系统进行模拟，比较不同方案下对充填平衡性和冷却均匀性的 影响，确定最佳的流道和冷却系统设计方案，进而指导模具的设计。 然后运用c a e 模拟实验，研究各工艺参数对保险杠翘曲的影响，得到 制件发生最小翘曲变形的工艺参数优化值。最后以优化得到的流道、 冷却系统进行模具设计，用优化得到的工艺参数在工厂进行实际注塑 实验，实验结果比较满意，得到的制件翘曲变形量与分析一致，从而 验证了c a e 分析和优化的准确性。 以上的这些研究为m o l d f l o w 数值模拟在注塑件翘曲变形控制 方面的工程应用提供了可靠的案例，为保险杠的注塑工艺分析和模具 汽车保险杠注塑成型的数值模拟及翘曲变形控制 设计提供了一种有效减小翘曲量的方法，为同类产品开发提供了便利。 关键词：保险杠，翘曲，注塑模拟，c a e ，优化 i nt h ep r o c e s so fi n j e c t i o nm o l d i n g ，t h e r ew i l lb eal o to fd e f e c t s ，s u c h a ss i n km a r k s ，w a r p a g ea n do t h e rd e f e c t s l a r g ea n dt h i n w a l l e di n j e c t i o n m o l d e dp a r t ss u c ha sc a rb u m p e r s ，i nw h i c hw a r p a g ep r o b l e mi sv e r y p r o m i n e n t i tw i l lt a k el o n gt i m et o t e s tt h em o l da n dr e p a i rt h em o l d r e p e a t e d l y , a n di n c r e a s et h ep r o d u c t i o n c o s t s h o wt or e d u c et h ew a r p a g ei s t h ep r o b l e mw h i c hb u m p e rm o l d i n gp r o d u c t sm u s tf a c e t h em a i nf a c t o r s l e a di n j e c t i o nm o l d i n gp a r t st ow a r pa r et h ep r o d u c ts t r u c t u r e ，t h em o l d s t r u c t u r ea n dt h ei n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s i no r d e rt or e d u c e t h ew a r p a g eo fp r o d u c t s ，w h e nt h ep r o d u c ts t r u c t u r ec a nn o tc h a n g e ，t h e m o l da n dp r o c e s sp a r a m e t e r sm u s tb eo p t i m i z e d i n j e c t i o nm o l d i n gc a e t e c h n o l o g y c a na n a l y s ea n ds i m u l a t et h em o l d i n gr e p l a c e s t h ea c t u a l m o l d i n gb e f o r et h em o l dm a n u f a c t u r e i tc a np r e d i c tt h ep o t e n t i a ld e s i g n f l a w s ，c h a n g et h et r a d i t i o n a lm e t h o d sw h i c hd e p e n d e n t o ne x p e r i e n c ea n d i n t u i t i o n ，t oi m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c ep r o d u c t i o n c o s t s d u r i n gt h ep r o d u c t i o np r o c e s so f t h ef r o n tb u m p e ro fac a r , t h e i n j e c t i o nm o l d i n ga n a l y s i ss o f t w a r em o l d f l o ww a si n t r o d u c e d t h ef i n i t e e l e m e n tm o d e l i n g ( f e m ) o ft h eb u m p e rw a se s t a b l i s h e da n dt h ei n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e s sw a s s i m u l a t i o ni nm o l d f l o w f i r s t ，a f t e re s t a b l i s h m e n to f t h ef e m s t u d i e dh o wt oq u i c k l yb u i l dn o n p a r a m e t r i cm o d e l f i n i t ee l e m e n t m e s h ，t os p e e du pt h ep r o c e s so ft h ep r e - t r e a t m e n to fc a e s e c o n d ，t h e f l o ws y s t e ma n dt h ec o o l i n gs y s t e mo ft h ep a r t sw e r es i m u l a t e d ，a n d c o m p a r e dt h ei n f l u e n c eo ft h ef i l l i n gb a l a n c e a n dc o o l i n gu n i f o r m i t yu n d e r d i f f e r e n tp r o g r a m s ，w h i c hw a st od e t e r m i n et h eb e s tf l o wa n dc o o l i n g s y s t e m sa n dt h e ng u i d et h ed e s i g no f t h em o l d t h e nu s i n gc a es i m u l a t i o n t os t u d yt h ei n f l u e n c eo fb u m p e rw a r p a g ew h i c hb a s eo nt h ep r o c e s s p a r a m e t e r s ，a n dt h e ng e tt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sw h i c hm a k et h e s m a l l e s t w a r p a g e f i n a l l y , t h em o l d so ff l o ws y s t e ma n dc o o l i n gs y s t e mw e r e 1 1 1 汽车保险杠注塑成型的数值模拟及翘曲变形控制 d e s i g n e dw h i c hb a s e do nt h eo p t i m i z e dp r o c e s sp a r a m e t e r s w i t ho p t i m i z e d p r o c e s sp a r a m e t e r si nt h ea c t u a li n j e c t i o nm o l d i n ge x p e r i m e n t ，t h er e s u l t w a sq u i t es a t i s f a c t o r y , a n dt h ew a r p a g eo ft h ew o r k p i e c ew a sc o n s i s t e n t w i t ht h ea n a l y s i s ，w h i c hv e r i f i e dt h ea c c u r a c yo ft h ec a e a n a l y s i sa n dt h e o p t i m i z a t i o n t h ea b o v es t u d i e sp r o v i d ear e l i a b l ec a s ef o re n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm o l d f l o wo nc o n t r o l l i n gw a r p a g e i ni n j e c t i o nm o l d e dp a n s ；t h e ya l s op r o v i d ea l le f f e c t i v em e t h o do f r e d u c i n g t h ea m o u n to fw a r p a g ef o ra n a l y s i so ft h eb u m p e ri n j e c t i o np r o c e s sa n d m o l dd e s i g n ；a n dp r o v i d ec o n v e n i e n c ef o rs i m i l a rp r o d u c t sd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：b u m p e r , w a r p a g e ，s i m u l a t i o no fi n j e c t i o n ，c a e ，o p t i m i z a t i o n i v 江苏大学5 - 程硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 塑料制品随着化工产业的迅速发展，在日常生活和工业生产中都到了广泛的 应用。塑料制品具有重量轻、价格低廉、形状选择自由、耐腐蚀、绝缘性能优良、 染色容易等优良特性。因而在汽车、航空、电子、建筑、轻工、家电、日化等领 域的需求量日益增加【1 1 。塑料在汽车上的应用主要分为三类：内饰件、外装件和功 能结构件。随着塑料新材料的不断研发，塑料具有较高的硬度、较小的质量和低 的低温脆性和容易回收等优点。因此，塑料在汽车上的应用领域将越来越宽广阳】。 保险杠系统是轿车车身的重要部件。以前，轿车前后保险杠是以金属材料为 主，随着汽车工业的发展，汽车保险杠作为一种重要的安全装置也走向了革新的 道路。今天的轿车前后保险杠除了要保持原有的保护功能外，还要追求与车体造 型的和谐与统一，追求本身的轻量化。为了达到这种目的，轿车的前后保险杠采 用了塑料，人们称之为“塑料保险杠删。目前，我国轿车、微型车、轻型车等生产 厂家已逐步实现保险杠以塑代钢的更新换代【5 1 。 塑料汽车保险杠的壁厚流长比一般在1 ：1 0 0 到1 ：1 5 0 或更大，属于典型的薄壁 零件【6 1 。在薄壁塑件注塑成型过程中，由于模具设计和工艺参数设置不当等各种原 因，薄壁注塑制品很容易出现翘曲变形过大的缺陷【7 ，8 】。 随着生产要求的不断提高，保险杠的成型向着高质量、高精度、低成本、短 周期的方向发展，仅仅依靠经验的模具设计和注塑工艺调试显然已经无法满足实 际生产的需要。如何快速解决保险杠的翘曲变形问题，推广保险杠成型技术的应 用，非常具有现实意义。 1 2 翘曲变形的影响因素 翘曲变形的最基本的原因是由于产品内部各向收缩的差异和内应力引起的。 如果产品各方向的收缩一致，那么产品只会产生等比收缩，而不会产生翘曲【9 l 。内 应力主要是因为塑件上下表面的温度差引起的热应力，因此又称其为热残余应力 【1 0 l 。它在塑件冷却至室温阶段产生，并在塑件脱模失去约束后，以变形的形式释 放，从而形成翘曲变形。考察产品的注塑环节可以发现，翘曲变形的形成和保险 汽车保险杠注塑成型的数值模拟及翘曲变形控制 杠注塑过程的各个环节紧密相关，其中影响翘曲的主要因素有四个：产品结构设 计、模具结构设计、注塑工艺条件和制品材料。 1 产品结构设计 产品的几何结构决定了产品的刚度，在刚度足够的情况下它可以抵抗收缩导 致的应力，这样就不会导致变形。通常的做法是在产品的合适部位添加边缘和加 强筋。这是解决翘曲问题的一个常用方法。 在制件的几何结构和材料已经决定的情况下，改变产品的壁厚对翘曲变形有 很大的影响。产品的壁厚越薄，材料的取向度越小，制件的收缩就越小，因此减 小产品的壁厚有利于降低制件的收缩从而降低产品的翘曲。而产品壁厚的变化则 非常不利于降低产品的翘曲。因为壁厚的部分比壁薄的部分具有更高的收缩量， 从而导致薄壁部分产生翘曲。 2 模具结构设计 模具的浇口位置设计对产品的翘曲具有显著的影响。浇口位置会影响产品保 压的均匀性和凝固后的取向度，而不均匀的保压和取向度会加大产品的翘曲。 模具的流道设计会影响到产品的保压，如果流道过早冷却，产品就不能得到 足够的保压，这可能导致各个型腔之间产生严重的翘曲和收缩差异。如果流道设 计得过大，冷却过慢，则会导致产品局部的过保压并在不同型腔之间再次产生翘 曲变形【1 1 1 。 冷却系统的设计对成型周期和翘曲问题来说是一个非常重要的影响因素。冷 却的时间越长，相应的产品收缩就会增加，冷却的不均会导致产品各部分的收缩 不均匀，从而导致产品翘曲。一旦模具的冷却系统设计完毕，在生产中一般不再 改动。要想改变冷却系统的冷却效果，只能通过改变不同回路中冷却液的温度来 实现，这种方法在车间罩经常使用，但这种解决办法可能会导致产品的内应力增 加，导致进一步的翘曲【1 2 l 。 3 注塑工艺条件f 1 3 1 熔体温度主要会影响产品的体积收缩率，熔体的温度越高，产品的体积收缩 率越大，为了达到相同的保压收缩效果，随着熔体温度的增加，保压压力也需要 增大。 注射时间对制品的收缩和翘曲有一个显著的非线性影响。通常比较长的注射 时间会增加产品的体积收缩率。同时注射时间对收缩的影响还与保压压力有关， 2 江苏大学工程硕士学位论文 在较高的保压压力下，浇v ：i 会维持较久的开放时间，使得注射时间延长，体积收 缩率减小。注射时间和保压压力对制件有重要的相互影响，产品的翘曲的形状可 以随注射时间和保压压力的改变而改变。 保压时间是产品翘曲和翘曲稳定性的一个重要影响因素。另外在产品成型过 程中浇口是否凝固也是非常重要的因素。这将影响每次成型的产品的重量、尺寸 和翘曲是否一致。当保压结束后浇口还没有凝固，那么就会产生回流，导致严重 的收缩和翘曲。因此保压压力应一直保持到产品凝固以后。 保压压力的增大会使产品的体积收缩率减少，大多数情况下产品的翘曲会得 到改善。因为体积收缩是所有收缩背后的原动力。过保压会使某一区域相对于其 它区域产生较小的体积收缩率，欠保压会使某区域的体积收缩率增大，从而导致 收缩的不均而产生翘曲。避免过保压和欠保压的最好的办法是使用保压曲线，让 保压压力随时间的推移而逐渐降低，使浇口附近的区域与填充末端的区域获得比 较一致的体积收缩率。 4 产品材料 材料的所有性能都会影响产品的翘曲，其中材料的粘度、p v l 曲线和填充物 对翘曲的影响最大。材料的粘度越大，注射和保压需要的压力就越大从而影响到 翘曲。p v t 曲线弯曲得越厉害，表示材料的结晶度就越高，同时也意味着需要更 大的保压压力。填充物对制品的翘曲也有很大的影响。通常制品在纤维取向方向 上的收缩比较小，在垂直方向上的收缩比较大，不同方向的收缩率导致产品产生 翘曲变形 综上所述，翘曲的影响因素很多，很难在设计时完全考虑所有的内容。但考 察翘曲的最根本原因可以知道，各种因素都是通过不均匀的收缩和残余应力来起 作用的，因此可以从这两方面入手来研究翘曲问题。 本文所研究的对象是莲花轿车的前保险杠，产品结构由厂家设计。因此产品 的结构和壁厚不可修改。要想改善产品的注塑质量，只能从模具设计和注塑参数 的优化方面着手。 1 3 翘曲变形国内外研究现状 翘曲变形的研究较流动、保压、冷却、应力等的研究要晚得多，研究进展比 较缓慢。流动过程的研究开始于上世纪5 0 年代，9 0 年代开始出现商用化软件。保 3 汽车保险杠注塑成型的数值模拟及翘曲变形控制 压过程的研究开始于上世纪6 0 年代，至9 0 年代开始研究商用化软件。纤维分布 的研究至今仍处于理论研究阶段，有初步的应用软件。而残余应力的研究从上世 纪7 0 年代开始，现正向实用化方向努力【1 4 1 。 因为翘曲变形的研究与其他各类研究成果是密切相关的，只有在流动、保压、 冷却和应力分析的基础上才有可能进行翘曲变形的数值模拟研究，所以翘曲变形 的研究起步较晚。导致翘曲变形的因素太多，到目前为止，翘曲变形机制还有待 于进一步研究；翘曲变形的数值化模拟必须与精确的实验测试手段相结合，但在 这一点上存在着较大的难度【1 5 】。 1 3 1国外研究状况 在国外，1 9 8 2 年，s t j a c q u e s 用有限差分法求解一维瞬态温度场，研究了非 结晶型平板制件因冷却不均而产生的翘曲问题【1 6 1 。1 9 8 8 年t a m m a 应用有限元有 限差分法求解温差应力，用悬臂梁理论求出变形量【1 7 】。1 9 8 9 年，s d r c 公司的 m r e z a y a t 研究了非结晶型塑料制件的冷却过程，用脱模冷却至室温两阶段的温差 应力，在弹性本构关系下用有限元法求出变形量【1 8 】。 进入九十年代后，随着流动、保压、冷却过程研究的深入，越来越多的学者 将注意力集中在研究塑料制品的翘曲问题。 1 9 9 0 年，日本学者m a t s u o k a 对流动、保压、冷却全过程进行集成分析，预 测纤维增强塑料制品的翘曲【1 9j 。同年，n s a n t h a n a m 和k k w a n g 在 l e e ，r o g e r , w o o ( l r w ) 粘弹模型的基础上，应用有限差分法研究了中心圆盘厚度方 向的温差应力及变形刚。 1 9 9 1 年，台湾学者s c c h e n 等人在流动、保压、冷却模拟集成化的基础上 用有限元有限差分法研究了弹性本构关系下箱体制件因温差应力引起的翘曲1 2 1 】。 1 9 9 2 年，比利时学者k k k a b a n e m i 和m j c r o c h e t 用三维壳单元研究了粘 弹本构关系下的温差应力及变形，同时k k k a b a n e m i 和e d u p r e t 又将流动、保 压、冷却藕合分析，研究了保压阶段对残余应力的影响。与此同时，一些学者比 较了弹性本构关系、粘弹本构关系下翘曲变形的预测值，并与实验结果比较，表 明了翘曲分析软件的正确性、可靠性瞄1 。 1 9 9 7 年，s e m m l e r 在建立一种塑料制品收缩和翘曲的数学模型时，将纤维取 向、工艺温度、物料p 特性和两个可导致收缩和翘曲的特殊效应l ，即热岛效应 和回弹效应1 作为计算依据【2 3 1 。 4 江苏大学工程硕士学位论文 2 0 0 9 年，b a b u ro z c e l i k ，i b r a h i ms o n a t 对材料为p c a b s 的不同厚度的薄壁 制件的翘曲变形进行了研究，结果表明对制件翘曲变形影响最大的工艺参数为保 压压力1 2 4 1 。e j f a h y 等采用磁盘来测试增强塑料制品出模后发生翘曲变形的机制， 并提出磁盘呈拱形或马鞍形变形的实验公式。t h o m a s ，n m c c f f e r y 在注塑流动、 保压、冷却模拟的基础上，通过实验和线性回归方法，提出了预测注塑制品收缩 的模型，在收缩预测的基础上，通过结构分析模拟程序计算出制品的变形【2 5 1 。 澳大利亚的m o l d f l o w 公司在1 9 9 1 年推出商品化的翘曲分析软件 m f w a r p ，该软件可计算弹性本构关系下正交各向异性塑料的翘曲变形，并能进行 翘曲分析，考虑温差、取向、收缩不同因素形成的变形。1 9 9 2 年，美国c o m e u 大 学c i m p 小组在n s a n t h a n a m 研究成果的基础上，将应力翘曲程序与以往开发的 流动、保压、冷却等程序集成，实现了注塑c a e 的集成化，集成后的软件即商 品化的软件c m o l d ，该软件能预测塑件的残余应力，但翘曲变形量的计算还需应 用通用的结构分析程序削附蛔u s 。 1 3 2 国内研究状况 1 9 9 6 年，西北工业大学的吴建军等人用一维粘弹性本构方程求解了塑件的残 余应力，用悬臂梁理论求解了制品的变形【硐。 1 9 9 7 年，华中科技大学的卢义强博士用薄板理论分析制品的翘曲变形，将制品 的面内变形看作平面应力问题，将侧向变形看作薄板弯曲问题，两类变形叠加后， 采用平面问题及薄板弯曲问题的有限元法计算制品在三维空间坐标内的变形【韧。 1 9 9 9 年，郑州大学的申长雨等几位学者提出了翘曲变形系数的概述，主要考 虑温度不均匀分布引起的翘曲变形，并采用数值计算方法计算出了翘曲变形系数。 而后，采用弹性小变形理论、有限单元法计算温度应力，利用大连理工大学的结 构分析程序j i g f e x 9 5 来计算出翘曲变形的大小网。2 0 0 2 年大连理工大学李海梅 则从减少流动应力角度，提出一种减少翘曲变形的方法【矧。 2 0 0 5 年董斌斌等用模拟程序对收缩翘曲问题进行了定量地模拟分析。采用 t a g u c h i 试验优化设计理论，研究熔体温度、模具温度、保压时间、保压压力、浇 口尺寸和注射速率对收缩与翘曲影响的显著性。得出优化工艺参数能减少残余热 应力、保压压力和熔体温度是影响收缩与翘曲的最显著因素【划。同年，陈晓平综 合考察及评价多个工艺参数对注塑翘曲变形量的影响后提出：将神经网络与正交 试验、数值模拟三者结合用于注塑过程参数优化可以明显缩短优化工艺参数的时 5 汽车保险杠注塑成型的数值模拟及翘曲变形控制 间，同时在数值模拟试验次数一定的条件下，能获得比单纯使用正交试验和数值 模拟方法更为精确的结果1 2 5 1 。 2 0 0 6 年骆志高等利用t a g u c h i 试验方法，采用标准变量分析方法对薄壳塑件注 射成型过程进行模拟研究。研究表明：所选择的工艺因素对塑件不同方向上的翘曲 变形有着不同程度的影响，优化的工艺组合可以使塑件翘曲变形达到最j x 3 1 , 3 2 1 。 2 0 0 7 年任柏青以厚0 5 m m 的a b s 手机外壳模具为研究对象，使用光弹实验 法来测量不同工艺参数下，注塑件的残余应力分布的情况【3 3 1 。 1 4 本课题研究意义及主要内容 1 4 1 本课题的研究意义 翘曲变形过大是塑料件注塑成型时的一种常见的缺陷。特别在结构复杂的大 型塑件的成型过程中翘曲变形问题尤为突出。现代汽车工业中塑件的大量使用使 得塑件的翘曲变形的控制研究显得更加具有实际意义。课题来源于江南模塑汽车 保险杠生产技术部。在以往的保险杠注塑过程中，翘曲变形一直是困扰生产的一 个主要问题。本课题以莲花某型号轿车的前保险杠的翘曲变形问题为研究的出发 点，从控制和预测保险杠的翘曲变形着手，结合c a e 优化理论对产品的流道、冷 却系统和注塑参数进行优化，指导产品的模具设计和试模，为翘曲变形问题提供 有效的解决方案。 1 4 2 本文研究的主要内容 本文以目前应用较为广泛的注塑c a e 软件m o l d f l o w 为工具，以莲花汽车 委托江南模塑设计生产的某款汽车前保险杠为研究对象，针对其生产中翘曲变形 过大的问题利用c a e 对模具的流道、冷却系统和注塑参数进行优化，从而达到改 善产品质量的目的，同时也为同类型的其他保险杠的生产提供解决问题的参考途 径。 本文的主要内容包括以下几个方面： 1 研究如何快速建立有限元模型。通过研究不同模型导入的方式对网格质量的 影响，挑选合适的模型导入方式。同时研究非参数化实体模型上细小特征的去除 方法，提高网格质量，减少人工干预的时间。 2 研究流道系统、冷却系统的不同布置方式对保险杠注塑的影响，用优化的结 6 江苏大学工程硕士学位论文 果为模具设计提供理论指导。 3 研究注塑工艺参数对保险杠注塑的影响，以保险杠的总翘曲变形为优化目 标，优化注塑工艺参数，为试模提供一个基本的工艺参数的参考值。 4 用分析优化结果指导模具设计和试模过程，验证优化结果的合理性。 由于本文研究的产品结构已经由客户限定，产品的结构无法优化，优化的目 标是控制产品的翘曲变形。本文以翘曲变形的理论研究为指导，以m o l d f l o w 软件为仿真优化平台，对保险杠的模具流道、冷却系统和注塑工艺参数进行优化， 并将翘曲优化的结果直接用于产品模具的开发和试模，缩短产品的开发周期，研 究的过程具有普遍的指导意义。 本文研究的流程图如图1 1 所示。 图1 1 本文研究流程图 f i 9 1 1t h ef l o wc h a r to ft h i ss t u d y 7 汽车保险杠注塑成型的数值模拟及翘曲变形控制 第2 章莲花轿车前保险杠的c a e 分析研究 本文研究所用的模型是莲花某型号轿车的前保险杠，零件的几何模型如图2 1 所示，零件整体为大圆弧面造型，总体尺寸为1 6 8 8 x 6 6 8 5 1 3 m m ，平均壁厚3 5 m m 。 下部两侧有为前大灯组件预留的孔，中间有两个安装通风栅格的孔，背面有安装 用的波斯柱以及加强筋，零件整体结构均匀性差。材料选用汽车专用料 p p e p d m t 1 0 ，成型温度1 8 0 - - 2 2 0 。采用的是一模一腔注塑成型。目前存在的 主要问题是产品的翘曲变形大，安装时孔位不准和间隙过大。在本章将用有限元 分析软件m o l d f l o w 对产品进行c a e 分析模拟，优化产品的流道和冷却系统， 达到充填的平衡和冷却的均匀，为降低塑件的翘曲变形做铺垫，为工艺参数的优 化做准备。优化好的流道、冷却系统可以用于模具的设计。 2 1 有限元基本理论 比饲1 1 0 0 0 m i n i 图2 1 保险杠模型图 f 磁1b u m p e rm o d e ld i a g r a m 现代模具设计越来越多地使用c a e 技术，c a e 技术主要是基于有限元法和有 限差分法。本课题的研究主要采用m o l d f l o w 软件，该软件作为成功的注塑产 品成型仿真及分析软件，采用的基本思想也是工程领域中应用最多的有限元法【3 4 1 。 简单说来，有限元法就是利用假想的线或面将连续介质的内部和边界分割成 有限大小的、有限数目的、离散的单元来研究。这样，就把原来一个连续的整体 璺 江苏大学工程硕士学位论文 简化成有限个单元的体系，从而得到真实结构的近似模型，最终的数值计算就在 这个离散化的模型上进行的。 2 1 1 有限元法的基本思想 有限元法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。所谓有限元就是那些集合在一起能够表示实际连续的离散单 元。在几个世纪前有限元的概念就已产生并得到了应用，比如用多边形( 有限个 直线单元) 逼近圆来求得圆的周长，最初被称为矩阵方法。但直到上个世纪才作 为一种方法而被系统提出。有限元法最早应用于航空器的结构强度计算，由于其 广泛性、实用性和有效性，引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过数十年 的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元法迅速从结构工程强度分析 计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高 效的数值分析方法。有限元法是解决实际工程问题的强有力的数值方法，但在进 行有限元分析之前，必须对将要分析的几何模型进行离散，生成有限元网格，用 有限个单元的组合来近似将要分析的几何模型，同时，结构的应力状态、边界条 件等也应进行离散化。这个过程称为有限元建模。为了保证计算的准确性，生成 网格的数目、拓扑形状和几何尺寸应该满足原模型以及有限元分析方法的要求。 在有限元法与计算机结合之前，网格离散工作必须由手工来完成，这样做不仅效 率低下，手续烦琐，而且极容易出错，要分析一个复杂的结构需要许多人进行长 时间的工作。据统计，网格准备工作占用了整个有限元分析工作的7 0 的时间和 工作量。因此，前处理阶段，特别是网格离散一定要与计算机结合起来。有限元 法是一种获得工程问题近似解的数值计算方法，是结构分析中应用最广泛的数值 方法之一，它的基础是结构离散和分片插值。在结构分析中，它可将连续物体划 分成有限大小、彼此只在有限个点相连接的有限单元的组合体，并对该组合体展 开研究。也就是设想一个离散结构作为实际连续结构的近似力学模型，以后的数值 分析就在这个离散结构上进行，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的 分析，这样可以解决很多工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。有限元 方法在现代工程分析和设计中已成为一种举足轻重的方法，特别对于边界条件和结 构形状都很不规则的复杂机械结构，是一种非常有效的现代分析方法【2 5 筇】。 有限元法弹性力学问题的基本思路是跚，3 7 】： 1 离散化：将一个受外力作用的连续弹性体离散成一定数量的有限小的单元集 9 汽车保险杠注塑成型的数值模拟及翘曲变形控制 合体。单元之间只能在结点上互相联系，亦即只有结点才能传递力。 2 单元分析：根据弹性力学的基本方程和变分原理建立单元结点力和结点位移 之间的关系。 3 整体分析：根据结点力的平衡条件建立有限元方程、引入边界条件、解线性 方程组以及计算单元应力。 2 1 2 有限元法的基本方程 一、基本量和基本方程 2 5 , 3 8 弹性体在受外载荷作用时，它体内的任一单元都会产生应力和应变，对于空 间三维实体来讲，任一点的应力和应变都可用6 个分量来表示，见式( 2 1 ) ，( 2 2 ) 应力： o = 知：，o ，o ：，f 弘，百珏，百珂 t ( 2 1 ) 0 2 p x ，o y ，o ：，f y z ，百珏，百珂7 ( 2 - ) 应变： = 。，y , e z , 7 弘，丫珏，丫珂j ( 2 2 ) 2 译x ，y z ，丫珏，丫珂j ( 2 。) 对于三维问题，弹性力学基本方程如下形式： 1 平衡方程： a o + f = 0 ( 在v 域内)( 2 3 ) a ：微分算子，即 1 0 a = 旦00 a x o 旦o a y oo 旦 a z 旦。旦 旦旦o 0 旦旦 f ：体积力向量，f = 睦，弓，乏】r 2 几何方程：应变与位移关系： = l u ( 在v 域内) ( 2 4 ) l ：微分算子 江苏大学工程硕士学位论文 o= l u = 0 u 0 x a v 0 y d w 0 z 0 u 0 v _ b y 0 x a v0 w i 一 a z a y a wa u - a x0 z 3 物理方程：应力与应变关系： o = d e( 在v 域内) d ：弹性矩阵，式为 d = v ：泊松比 4 力的边界条件： 0 0 0 1 2 v 2 ( 1 一v ) 0 0 o 0 1 2 v 2 ( 1 一v ) n a = t ( 在s d 上) s 。：力的边界条件 n 为边界外法线 5 几何边界条件： u = 西( 在s 。上) s u ：几何边界或位移边界条件 6 弹性体的应变能和余能 单位体积的应变能( 应变能密度) 为： ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 1 1 氏勺如协协协 v d o o o o o 乞一卜 | 一狄 v五v i 三1 称 v l 三1 对 1 汽车保险杠注塑成型的数值模拟及翘曲变形控制 “( 占) = d ( 2 1 0 ) 应变能是个正定函数，可以为零。只有当弹性体内所有的点都没有应变时( 兰0 ) ， 应变能为零。 单位体积的余能( 余能密度) 为： v ( = l o t c o ( 2 - 1 1 ) 二、有限元方程的建立【3 9 l 根据变形体的虚功原理可知，变形体中任意满足平衡的力系在任意满足协调 条件的变形状态上的虚功等于零，即体系外力的虚功和内力的虚功之和等于零。 虚功原理分为虚位移原理和虚应力原理。 虚位移原理是指如果力系是平衡的，则他们在虚位移和虚应变上所作之功的总和 为零。它是平衡方程和力的边界条件等效积分的“弱”形式，矩阵形式为： ( 6 6 t 。一6 u t i ) d v 一如t t d s = 0 ( 2 1 2 ) 利用该原理，可以建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系，得到一个 单元的有限元方程： k。a。=p。+p(2-13) k 。：单元刚度矩阵 a 。：单元各节点位移矩阵 p 。：单元等效结点载荷矩阵 f 。：相邻单位对该单元的作用力 根据最小位能原理，得到整理后的有限元方程 k a ：p( 2 1 4 ) k ：结构整体刚度矩阵 a ：结点位移 p ：结构结点载荷矩阵 通过2 1 2 式求出各结点位移，进而由式2 5 和2 6 求出各结点的应变和应力。 江苏大学工程硕士学位论文 2 2m o l d f l o w 软件 2 2 1 模拟分析软件m o l d f l o w 介绍 a u t o d e s km o l d f l o w 是欧特克公司开发的一款用于塑料产品、模具的设计 与制造的行业软件。m o l l ) f l o w 为企业产品的设计及制造优化提供了整体的解 决方案，帮助工程人员轻松的完成整个流程中各个关键点的优化工作。 在产品的设计及制造环节，m o l d f l o w 提供了两大模拟分析软件：a m a ( m o l d f l o w 塑件顾问) 和a m i ( m o u ) f l o w 高级成型分析专家) 。a m a 简 便易用，能快速响应设计者的分析变更，因此主要针对注塑产品设计工程师，项 目工程师和模具设计工程师，用于产品开发早期快速验证产品的制造可行性，a m a 主要关注外观质量( 熔接线、气穴等) 、材料选择、结构优化( 壁厚等) 、浇口位 置和流道( 冷流道和热流道) 优化等问题。a m i 用于注塑成型的深入分析和优化， 是全球应用最广泛的模流分析软件。企业通过m o l d f l o w 这一有效的优化设计 制造的工具，可将优化设计贯穿于设计制造的全过程，彻底改变传统依靠经验的 “试错”的设计模式，使产品的设计和制造尽在掌握之中。a u t o d e s km o l d f l o w a d v i s e r 通过简化注塑成型的模拟，帮助设计者优化模具设计的诸多特征，如浇口、 流道和模穴的排位。引导设计者建立从分析开始直到结果的解析，并帮助他们认 识壁厚、浇口位置、材料、产品几何结构的变更是如何影响产品制造可行性的。 通过对成型工艺的模拟能够帮助设计者找出并解决潜在的问题，a u t o d e s k m o l d f l o w a d v i s e f 使得每一位设计工程师都能自信的完成注塑件的设计。 2 2 2m o u ) f l o w 软件的作用和功能 2 2 2 1m o l d f l o w 及其技术的作用 m o l d f l o w 软件是a u t o d e s k 公司开发的产品，原澳大利亚m o l d f l o w 公 司自1 9 7 6 年发行了世界上第一套塑料注塑成型流动分析软件以来，一直主导塑料 成型c a e 软件市场。m o l l ) f l o w 对热塑性塑料熔体进入模具的流动过程的模拟 分析是非常成功的，特别是在复杂情况下的分析，是世界公认的注塑c a e 工业标 准。在模具加工前，利用m o l d f l o w 在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析， 包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力、收缩等，找出可能存在的 缺陷，提高一次试模成功率。 m o l d f l o w 在注塑模具设计中的作用主要体现在以下几方面： 汽车保险杠注塑成型的数值模拟及翘曲变形控制 1 优化制品结构 塑件的厚度、浇口数量、位置及流道系统设计等对塑料制品的成败和质量关 系重大。以往全凭制品设计人员的经验来设计，往往费力、费时，设计出的制品 也不尽合理。运用m o l d f l o w 软件，可以优化制品结构，降低材料成本，缩短 生产周期。 2 优化模具结构 塑料制品的多样性、复杂性和设计人员经验的局限性，传统的模具设计往往 要经过反复的试模、修模才能成功。利用m o l d f l o w 软件，可以得到最佳的浇 口数量与位置，合理的流道系统与冷却系统，并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺 寸和冷却系统尺寸进行优化，在计算机上进行试模、修模，大大提高模具质量， 减少修模次数。 3 优化注塑工艺参数 由于经验的局限性，工程技术人员很难精确地设置制品最合理的加工参数， 选择合理的塑料和确定最优的工艺方案。运用m o u ) f l o w 软件，可以帮助确定 最佳的注射压力、保压压力、锁模力、模具温度、熔体温度、充填时间、保压时 间和冷却时间，以注塑出最佳的塑料制品。 2 2 2 2m o l d f l o w 功能介绍 m o l d f l o w 软件包括三部分： m o l d f l o wp l a s t i e s a d v i s e r ( 产品优化顾问，简称删：塑料产品设计师在设 计完产品后，运用m p a 软件模拟分析，在很短的时间内，就可以得到优化的产品 设计方案，并确认产品表面质量。 m o l d f l o wp l a s t i e si n s i g h t ( 注塑成型模拟分析，简称m p i ) ：对塑料产品和模 具进行深入分析的软件包，它可以在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析，包 括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩，以及气体辅助成型分 析等，使模具设计师在设计阶段就找出未来产品可能出现的缺陷，提高一次试模 的成功率。该软件包在中国大陆广泛使用，本课题数值模拟所使用的为m p l 2 0 1 0 。 m o l d f l o wp l a s t i e sx p e r t ( 注塑成型过程控制专家，简称m p x ) ：集软硬件为 一体的注塑成型品质控制专家，可以直接与注塑机控制器相连，可进行工艺优化 和质量监控，自动优化注塑周期、降低废品率及监控整个生产过程。 m p l 2 0 1 0 软件的主要功能模块： 1 流动分析 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 流动分析模块分析聚合物在模具中的流动，并且优化模腔的布局材料的选择、 填充和保压的工艺参数。可以在产品允许的强度范围内和合理的充模情况下减少 模腔的壁厚，把熔接线和气泡置于结构和外观允许的位置上，并且定义一个范围 较宽的工艺条件。 2 冷却分析 分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管道的布局和工作条件，与流动 分析相结合，可以得到完美的动态注塑过程。这样可以改善冷却管道的设计，从 而产生均匀的冷却，并由此缩小成型后的内应力。 3 翘曲分析 分析整个塑件的翘曲变形( 包括线性、非线性弯盐和非线性翘曲) ，同时指出产 生翘曲的主要原因以及相应的补救措施。m f w a r p 能在一般的工作环境中，考虑 到注塑机的大小、材料特性、环境因素和冷却参数的影响，预测并减少翘曲变形。 4 结构应力分析 分析塑料产品在受外界载荷的情况下的机械性能，根据注塑工艺条件，优化 塑料制品的强度和刚度。m f s t r e s s 预测在外载荷和温度作用下所产生的应力和位 移。对于纤维增强塑料，m f s t r e s s 根据流动分析和塑料种类的物性数据来确定材 料的机械性能，用于结构应力分析。 5 模腔尺寸分析 可以通过对聚合物的收缩数据和流动分析结果来确定模腔尺寸大小。通过使 用m f s h r i n k ，可以在较宽的成型条件下以及紧凑的尺寸公差范围内，使得模腔的 尺寸可以更准确地同产品的尺寸相匹配，使得模腔修补加工以及模具投入生产的 时间大大缩短，并且大大改善了产品组装时的相互配合，进一步减少废品率和提 高产品质量。 6 注塑机参数优化 根据给定的模具、注塑机和注塑材料等参数以及流动分析结果自动产生控制 注塑机的填充保压曲线，用于对注塑机参数的设置，从而免除了在试模时对注塑 机参数的反复调试。m f o p t i