（机械制造及其自动化专业论文）基于cae的注塑模优化设计研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 利用注塑模c a e 技术可在模具制造之前，发现设计中存在的缺陷，为设计 人员提供修改的科学依据，突破了反复试模、修模的问题。利用注塑模c a e 可 显著缩短模具开发周期，降低模具开发费用，提高模具质量。但是将c a e 有效 地应用于注塑模优化设计还缺乏经验，对工程应用人员也提出了一定的技术要 求。 本文以注塑模c a e 软件m o l d f l o w 为工具，对注塑模优化设计的问题进 行了较为深入地研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 研究分析了材料的粘度模型和注塑成型过程的数学描述。 ( 2 ) 探讨了注塑成型c a e 有限元建模的一些处理方法；研究了有限元建 模过程中几何模型简化的问题；研究了网格密度与计算结果、计算时间的关系； 提出了网格密度选择的原则。 ( 3 ) 深入地研究了制件、模具的浇注系统和冷却系统设计等方面的优化设 计问题。研究如何通过改变制件壁厚达到优化设计的目的；如何对非平衡的流 道系统进行人工平衡；对浇口位置的优化，实现较满意的充填效果；如何对冷 却系统进行合理布置，实现较一致的温度分布，以提高制件的质量。 ( 4 ) 结合大型制件装饰板模具的开发研究如何利用注塑模c a e 技术来优 化模具设计。根据注塑成型分析结果，找出设计方案中存在的问题，多次修改 设计方案，最后实现浇注系统和冷却系统的合理设置。 关键词：注塑模模拟分析优化c a e 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b yv i r t u eo fc a et e c h n o l o g yf o rp l a s t i ci n je c t i o nm o l d ，d e s i g ne n g i n e e rc o ng e t s c i e n t i f i ci n f o r m a t i o na n df i n dt h ed e s i g nd e f e c tb e f o r em o l dm a n u f a c t u r i n g t h e t e c h n o l o g yc a ns e t t l et h ep r o b l e mo ft e s t i n ga n da d j u s t i n gm o l da g a i na n da g a i n ， d e c r e a s e st h ec i r c l et i m eo fm o l dd e v e l o p m e n t ，t h ec h a r g eo fm o l dd e v e l o p m e n ta n d i n c r e a s eq u a l i t yo fm o l d b u tt h e r ei sn oe n o u g he x p e r i e n c et oa p p l yt h et e c h n o l o g y f o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fp l a s t i cm o l d ，a n di ta l s or e q u i r e st h ee n g i n e e r sh a v e s o m ek n o w l e d g ea n ds k i l l s t h ep a p e ru s e st h es i m u l a t i o ns o f t w a r em o l d f l o wt om a k ead e e p l y r e s e a r c ho no p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rp l a s t i ci n je c t i o nm o l d ，t h em a i nc o n t e n t sa r e l i s t e da sf o l l o w e d ： ( 1 ) i tm a k e sai n v e s t i g a t i o nt ot h em a t e r i a lv i s c o s i t ym o d e la n dt h em a t h e m a t i c d e s c r i p t i o nf o rt h ei n j e c t i o np r o c e s s ( 2 ) i tm a k e sar e s e a r c hs o m em e t h o d so fm o d e l i n gf o rc a ef i n i t ee l e m e n t ，t h e i s s u eo fe s t a b l i s h i n ga n ds i m p l i f y i n gg e o m e t r ym o d e l ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n n e t w o r k sd e n s i t ya n dc o m p u t et i m e ，c o m p u t e r e s u l t ，t h e nb r i n g i n gf o r w a r dt h e p r i n c i p l eo fc h o o s i n gn e t w o r k s ( 3 ) i tm a k e sad e e p l yr e s e a r c ho fo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rp l a s t i cp a r t ，r u n n e r a n dc o o l i n gs y s t e mi n m o l d ；b yc h a n g i n gt h ew a l lt h i c k n e s so fp a r ti no r d e rt o o p t i m i z ed e s i g n ；b yb a l a n c i n gt h eu n n a t u r a lb a l a n c e - r u n n e rs y s t e m ，o p t i m i z i n gt h e l o c a t i o no fg a t e ，i tc a ng e tf i n ef i l l i n gp a t t e r n ；b yc o l l o c a t i o ni nr e a s o nf o rc o o l i n g s y s t e m ，i tc a ng e tu n i f o r mt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ns oi n c r e a s i n gt h ep r o d u c tq u a l i t y ( 4 ) i tm a k e sar e s e a r c ho fu s ec a et e c h n o l o g yt oo p t i m i z em o l dd e s i g nb yt h e d e c o r a t e dp a nm o l dd e v e l o p m e n t ；b ya n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fi n je c t i o n p r o c e s s ，f i n d i n gs o m ep r o b l e m si nt h ep r o je c t s ，m o d i f y i n gt h ep r o je c t sm a n yt i m e s ， f i n a l l yg e t t i n gt h er a t i o n a lc o n f i g u r a t i o no fr u n n e rs y s t e ma n dc o o l i n gs y s t e m k e yw o r d s ：p l a s t i ci n j e c t i o nm o l d s i m u l a t i n ga n a l y s i so p t i m i z a t i o n 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 叶速立 日期：办神a - 年痧月j f2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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。 本学位论文属于 保密囹，在弓年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者魏叶定量 妒u 年多月细 勰教师签碲q 之 伽中年名月，咱 ， 江苏大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章绪论 塑料件有许多特定的优异性能，如低密度、耐水、耐化学腐蚀、良好的绝 缘性和隔热性、外形美观，所以在现代制造业中塑料越来越多地取代金属和木 材，成为成型加工的主要材料，以塑代钢、以塑代木已经成为当今材料应用的 潮流。可以预见，塑料工业对于2 1 世纪中国国民经济将发挥越来越重要的作用。 常见的塑料加工工艺主要有注塑、吹塑、吸塑、挤塑和压铸等，其中注塑 成型是热塑性材料的主要成型方法之一。注塑成型是将熔融的塑料及填充物在 一定的压力下注射入模具型腔中，经温度调控系统作用，一次形成三维塑料制 品的塑料加工工艺。注塑制品在装饰件、结构件、功能件上得到了广泛的应用， 尤其在汽车、家用电器、日用品等工业领域应用十分普及。 激烈的市场竞争带来越来越快的产品更新换代，这对注塑模的设计和制造 提出了更高的要求。所以，提高注塑模具的设计质量有着很重要的意义。然而 传统的注塑模设计和制造过程很大程度上依赖于设计者的经验和制造工人的技 巧，设计人员往往没有足够的时间和知识进行塑料成型过程和模具结构尺寸设 计的详细计算和分析，而仅靠有限的经验做一个大致的估计，这就导致了模具 设计和制造过程中部分环节的不合理性，使设计的正确性只有通过试模才能知 道，制造的缺陷主要靠修模来纠正，有时还可能导致整套模具的报废，这样的 设计和制造过程不仅使模具的质量难以保证，而且也使得模具设计和制造周期 增加、成本提高，特别是对复杂的中高档模具，问题更为突出。 解决上述问题的有效途径就是将计算机辅助设计( c a d ) ，计算机辅助工程 ( c a e ) 和计算机辅助制造( c a m ) 技术应用于塑料注塑成型领域。其中，c a e 技 江苏大学硕士学位论文 术就是借助于有限元法、有限差分法和边界元法等数值计算方法，分析型腔中 塑料的流动、保压和冷却过程，并由此分析工艺条件、材料参数及模具结构对 成型的影响，达到优化制品和模具结构、优化成型工艺参数的目的。 1 2 注塑模c a e 的作用及意义 注塑模c a e 技术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) 。利用注塑模c a e 技术可在模具制造之前，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，突破了传统的在注塑机上 反复试模、修模的束缚，为设计人员修改设计提供科学的依据。c a e 技术的应 用带来的直接好处是省时省力、减少试模、修模次数和模具报废率，缩短模具 设计制造周期，降低成本、提高产品质量。 1 3 注塑模c a e 技术在国内外发展概况 2 0 世纪6 0 年代，t o o t 、b a l l m a n 和c o p p e r t l l 最先用数值方法计算了塑料熔 体的充模过程，随后，许多研究者对一维流动进行了大量的研究，d u s i n b e r r e t 2 1 建立了一维非稳态传热计算模型。随后，k e i n g 和k a u r a l 、d i e t c 等学者对一维 冷却进行了模拟。7 0 年代中期到8 0 年代中期，b o y e r 、g u t f i n g e r 和t a d m o r t 3 l 运 用流动网格分析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。h i e h e r 和s h e n t 4 】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，得到了描述二维充模流动的数学模型，并分别采用有限元差 分法和有限元与有限差分混合法求解。w a n gh p 和a u s t i nc t 5 1 等采用有限元分 析冷却过程温度场的分布。b a r o n e 和c a n c k t 6 1 首先采用边界元对冷却过程进行二 2 江苏大学硕士学位论文 维分析，并对冷却装置设置、尺寸和表面温度进行优化。8 0 年代后期，学者们 开展了三维流动和冷却模拟研究，三维流动模拟主要采用流动路径法实现了对 三维制件的流动分析，用有限元与有限差分混合法、控制体积法来确定熔体流 动前沿位置。在这一阶段，采用边界元法对冷却过程进行了三维模拟。进入9 0 年代后，开展了成型过程流动、保压、冷却、应力应变及翘曲的全过程模拟的 研究，试图将各独立模块有机地结合起来，提高模拟软件的分析精度和扩大适 用范围。目前，学者们正致力子三维实体的充填、保压、冷却、翘曲的集成分 析【9 1 。 从8 0 年代开始，注射模c a e 技术从实验室阶段进入实用化阶段，目前国 际上具有代表性的商业化软件有【8 1 ： ( 1 ) 美国a c - t e c h 公司的注塑模c a e 软件c m o l d 。c m o l d 软件是美 国a c t e c h 公司开发的比较成功的塑料注塑模拟分析软件，k k w a n g 教授是 创始人之一。该软件在众多计算机辅助工程( c a e ) 软件技术中具有领导地位，它 采用的有限元有限差分控制体积法现在己成为工业标准。2 0 0 0 年，美国a c t e c h 公司被m o l d f l o w 公司收购。 ( 2 ) 澳大利亚m o l d f l o w 公司主要的注塑模c a e 软件m o l d f l o w p l a s t i ci n s i g h t ( m p i ) 。1 9 7 8 年澳大利亚m o l d f l o w 公司首先推出商品 化流动模拟软件，该公司拥有世界上最多的注塑模c a e 软件用户。2 0 0 0 年 m o l d f l o w 公司收购a c t e c h 公司后，对两个公司的产品进行了部分整合。 ( 3 ) 德国i k v 研究所的c a d c a e 软件c a d m o u l d 。该软件主要包括模具 方案构思与设计软件l a y o u t & d e s i g n 、二维流动模拟f l o w p a t t e r nl a y _ f i a t ，三 维流动分析m r p i s t o 、二维冷却分析t h e r m a ll a y o u t 和模具强度、刚度分析 m e c h a n l c i a ll a y o u to fm o u l d s 等。 ( 4 ) 美国s d r c 公司的i - d e a s 软件。该软件原为通用的机械c a d c a m 软 江苏大学硕士学位论文 件，9 0 年代初，该公司开发注射成型流动和冷却分析软件，并与i - d e a s 集成 推出适合于注塑模的i - d e a s 。 此外，还有美国g r a f t e k 公司、p r i m c v 公司、p r i m e c a l m a 公司、 意大利p & g 公司和英国的d e l t ac a m 公司的注塑模c a e 软件包。 国内开展注塑模c a e 研究起步较晚，但通过不懈的能力，以及对国外软件 开发经验与技术的吸收和研究，发展较快，并取得了一定的成果。华中理工大 学模具技术国家重点实验室自行开发了注塑模c a e 软件h s c a e ，其水平达到 了国外9 0 年代初期的先进水平，郑州工业大学的国家橡塑模具工程研究中心开 发的注塑模分析软件z m o l d ，其他一些高等院校和研究所也在这些方面做了 很多研究工作，如上海交通大学、四川联合大学、郑州工业大学、浙江大学、 大连理工大学、北京化工学院、合肥工业大学等，其中北京华正模具研究所与 美国a c t e c h 公司合作开发的面向注塑模的中文辅助分析软件c a x a i p d ，采 用了国际上c a e 技术的最新成果。 经过多年的发展，注塑成型c a e 技术从理论到实际应用都己取得一些成就， 但是，随着计算机技术、网络技术、人工智能、数值计算等学科发展和工程实 际应用水平的不断提高，它仍需从深度和广度方面进一步发展【4 9 】： ( 1 ) 注塑模c a e 系统的集成化 目前，注塑模c a e 软件虽然进行了初步集成，但流动、保压、冷却、应力 分析等模块都是独立开发的，彼此之间只限于数据文件的交换，而缺乏统一的 数学模型和数据结构，尚未实现模型定义、实现手段的集成，信息难以交换。 然而实际生产中，这些过程是相互耦合、相互作用的。为了能更准确地模拟注 塑成型全过程，应建立统一数学模型来描述整个注塑成型过程，对熔体在流动、 保压及冷却过程的流变行为和热平衡进行综合分析，在此基础上，计算内应力 和翘曲变形。另外，应寻求更完善的数值方法，以提高分析软件的计算精度， 4 江苏大学硕士学位论文 力求达到实用化程度。 ( 2 ) 智能化注塑模c a e 模拟结果分析 现有注塑模c a e 模拟软件过分依赖于专业人员的知识结构和注塑模设计制 造实践经验，模拟系统的精度和有效性很大程度上依赖于设计人员的选择和判 断，实质上，仍然取决人的经验，难以保证一次设计与试模成功。开发智能化 的模拟结果分析系统，辅助用户对模拟结果进行理解和应用，根据注塑成型工 艺特点、输入的初始参数、边界条件及数值模拟模型、求解方法特性，对输出 模拟结果的可信度、灵敏度进行分析，解释模拟结果物理意义和应用价值。这 种智能化注塑模c a e 模拟软件的实际应用前景将会更广。 ( 3 ) 并行工程在注塑模中的应用 注塑模具设计制造是一个多环节的复杂过程，从初始设计到最后的装配检 验，实质上是将产品的设计信息在生产环节间进行不断传输、处理并反馈的过 程。如果在产品开发中并行地考虑这些环节，在方案设计过程中充分考虑从产 品构思、原材料选取、成型工艺参数选择、注塑模具设计及制造的可行性问题， 使整个产品开发中的各个环节建立必要的信息和沟通，那么这种并行设计、开 发的思想将从根本上改变传统的产品开发和模具设计、制造运作模式，可大大 提高产品质量、缩短产品开发周期和降低生产成本。 ( 4 ) 人工智能在注塑模中的应用 注塑模c a d c a e 系统是一个交互式再设计、再分析的过程，必须在设计 人员观察分析结果后，进行思维与推理，这势必提高对使用者的要求。若将人 工智能应用于注塑成型，使模具设计的知识和经验存入知识库中，运用专家的 领域知识进行推理和判断，帮助设计人员完成选择、规划、决策、设计和再设 计这样复杂的工作，从而减少需要尝试的方案数量，提高工程问题的求解效率。 例如，注塑材料选择专家系统，可根据用户提供的塑料制品、使用工作环境进 5 江苏大学硕士学位论文 行推理判断，选择合适塑料材料；注塑件缺陷分析诊断专家系统，能根据塑料制 品在成型过程中出现的各种缺陷和故障，分析其产生原因，提出改进方法和措 施。 ( 5 ) 注塑模c a e 模拟软件的远程登录计算 计算机网络技术的飞速发展和科技工程人员互相利用对方的设备和软件的 需要，使得注塑模c a e 模拟软件的远程登录计算成为需要。以租用方式，通过 输入输出文件的传送，在异地进行计算，获取分析结果。这样一来，用户不一 定需要拥有注塑模c a e 数值模拟软件，便能以低廉价格有效利用分析软件，从 而能扩大注塑模c a e 模拟软件的应用范围。 ( 6 ) 并行计算方法在注塑模c a e 模拟软件中的应用 塑料工业的飞速发展使得可成型的制品形状越来越复杂，导致注塑模c a e 软件的计算速度受到极大挑战；而同时，随着计算机及其软件的日益普及与大 众化，人们对软件的运行速度要求也愈来愈高。这对日渐突出的矛盾，使得注 塑模c a e 软件的计算速度在一定程度上可以说是决定软件生死存亡的关键因 素。并行计算方法既不需要提高成本增加任何硬件设备，又能降低计算时间。 而现阶段，计算机性能的迅速提高、网络通讯能力的增强，也为并行计算创造 了良好的条件。因此，将并行计算方法应用于注塑模c a e 各阶段的数值模拟中， 以提高软件的计算效率，也是注塑模c a e 技术的一个重要发展方向。 ( 7 ) 进一步拓宽c a e 技术在塑料成型其它领域中的应用 随着塑料工业的不断发展，c a e 技术在塑料成型其它领域也可得到广泛应 用，如热固性塑料的注射成型过程分析、气体辅助注射成型过程分析、共注射 过程分析、热流道系统分析、挤出吹塑过程、结构反应注射成型等领域。 目前，c a e 技术已经在发达国家如美国，德国，日本得到普遍的应用，中 国的香港，台湾地区也得到较普遍的应用，但是国内应用还不是很普及f 4 8 1 。现 6 江苏大学硕士学位论文 实情况是很多企业高价购买c a e 软件和计算机硬件，闲置不用，注塑模具的设 计制造者仍主要靠经验开制模具，造成资源浪费，所以如何利用c a e 技术来优 化注塑模设计还需要进行大量的研究，达到注塑c a e 技术在企业应用普及的目 的，发挥c a e 在模具领域的巨大作用。 1 4 本文的主要研究内容 在国外模具行业，注塑模c a e 技术研究起步较早，且技术成熟，己广泛应 用在注塑模加工中，并起了重要的作用。在我国，对注塑模c a e 技术的研究也 日趋成熟，但将之有效地应用于注塑模优化设计还缺乏经验，对工程应用人员 也提出了一定的技术要求。 本文以注塑模c a e 软件m o l d f l o w 为工作平台，针对注塑模优化设计 的一些问题，进行了较为详细地研究。主要完成的内容如下： ( 1 ) 研究分析了注塑成型c a e 的粘度模型和充填、保压、冷却的数学描述。 ( 2 ) 探讨了注塑成型c a e 有限元建模中的一些问题。 ( 3 ) 从塑料制件、模具的浇注系统、冷却系统等方面，结合实例对注塑模进 行了优化设计分析。 ( 4 )结合大型制件装饰板模具的开发，实现该模具的浇注系统和冷却系统的 合理设置。 7 江苏大学硕士学位论文 第2 章注塑过程的数学描述 注塑模设计时，应充分了解塑料熔体在流道和型腔中的流动、传热情况， 并进行定量计算，求得压力、温度、剪应变力及冷却时间等参数。通过数学模 型，求得各参数，从而预测流动特点、温度分布、冷却时间、锁模力大小等。 本章研究了注塑模c a e 中采用的塑料粘度模型，熔体在型腔内基本规律和计算 方法，这些是注塑成型分析和优化设计的理论基础。 2 1 粘度模型【2 6 】【2 7 】【2 8 】【2 9 】【3 0 】3 1 模拟熔体流动的一个先决条件是明确熔体剪切粘度与温度、压力、剪切速 率等诸因素的关系，建立材料的粘度模型。虽然影响熔体粘度的因素很多，如 温度、剪切速率、压力、分子量大小、分子量分布、分子结构等，但塑料熔体 粘度主要取决于温度和剪切速率，压力对粘度的影响程度与压力的大小有关。 常用的粘度模型有两种，即幂律型粘度模型和c r o s s 粘度模型。 2 1 1 幂律型粘度模型 幂律型粘度模型的一般式为： n 一1 r 。= k 枣7 ( 2 1 ) 其中：仉表观粘度 k 流体的稠度 以流体流动行为指数 厂剪切速率 该模型的特点是使用方便，计算简单，在剪切率较高时可以较准确的描述 塑料熔体的流变特性。但在剪切速率较低时误差较大，同时该模型没有考虑压 力对粘度的影响，所以采用这种模型有时会产生较大的误差。 8 江苏大学硕士学位论文 2 1 2c r o s s 粘度模型 c r o s s 粘度模型考虑压力对粘度的影响，其一般式为： 刁( 丁，多，尸) ：堂望l ( 2 2 ) ( i - n ) 1 + ( 掣) a 】了 其中：r o 是零剪切度，a 、r 、f + 是材料常数。 粘度对温度和压力的依赖性，间接地通过r o 来表示，有两种形式，即五 参数的e x p 模型和七参数的w l f 模型： e x p = c ，e x p ( 争e x p ( c 3 尸) ( 2 3 ) w l f ：刁。2 。，e x p c 一篇， c 2 4 ， a 2 = a 2 + d 3 p t = d 2 + 0 3 p 其中：c ，、d ，、4 是材料常数，p 是压力，丁是温度，皿是对应于低压力下 的玻璃化转化温度，d ，、c ，是压力影响系数。 上述的e x p 和w l f 两种c r o s s 模型都考虑了温度、剪切速率和压力对粘 度的影响，在较宽广的剪切范围内比幂律型模型更能准确地反映塑料熔体的流动 规律。但是方程( 2 3 ) 因零剪切粘度对应着常量，而只能描述某一平均温度下 的熔体流动。与方程( 2 3 ) 相比，方程( 2 4 ) 的适应范围更广，能更准确地描 述伴有冷却效应的熔体流动，特别是当温度接近玻璃化转化温度时，熔体粘度会 迅速增加，此时方程( 2 4 ) 能准确地拟合粘度的变化趋势。因此，在计算精度 要求较高的场合，就选用w l f 型的c r o s s 粘度模型。 9 江苏大学硕士学位论文 2 2 注塑成型的数学模型 2 2 1 充填过程数学描述1 0 】【1 1 】1 2 】【1 3 】【1 4 】【1 5 】 塑料熔体充填过程被认为是粘性非等温不可压缩流动与传热过程，可采用粘 性不可压缩流动的基本方程来描述。鉴于大多塑料制件都是薄壁件，故可以认 为熔体是在扁平型腔内流动，在此基础上引入一些假设和简化： 1 ) 传热过程：型腔壁以热传导为主，忽略沿厚度方向的对流传热，而型腔 内的流动以热对流为主，忽略沿流动方向的热传导。 2 ) 受力：型腔内流动以粘滞力为主，忽略惯性力的影响，仅考虑熔体的剪 切力，忽略正应力的影响。假定压力沿厚度方向不变，忽略因冷凝层等作用在 厚度方向产生的压力梯度。 3 ) 流动特性：假设熔体为不可压缩流体，设熔体前沿位置在厚度方向不变。 在上述假设条件下，根据连续介质力学和热力学理论，可得到充填过程的数 学模型： 1 ) 迕绥性刀程： 警+ c 警剐 2 ) 动量方程： 娑一昙( 7 7 罢) ：o o x o zo z 罢一昙( 7 7 宴) ：o d l ，o zc 2 3 ) 能量方程： 筇p c 詈+ 甜罢+ v 罟，= 七窘+ 刁7 2 4 ) 粘度模型： 根据对计簋精度和计笪时间等方而的不同需兽可以诜柽幂德珏! j 或者 1 0 c r o s s 粘度模型。 5 ) 边界条件： 丝：塑：0 一o t ：0 a z8 z8 z z = 0 甜：1 ，：0t = 乙z = 勘 p = 0 在流动前沿c 。( f ) 上； p ：0 _ 0 p ：o在型腔边界g 和型芯e 边界上 t = z 在熔体入口处 其中：b 是型腔半厚，磊分别是x 、y 方向的平均速度，p 为密度，c 口、k 分 别是比热容和热传导系数，尸、丁分别代表熔体的压力和温度，瓦是薄壁温度， z 是熔体入口温度。 2 2 2 保压过程的数学描述【9 】 1 0 1 【】 1 2 l 0 6 1 在充填结束后，尽管聚合物熔体已完全充满型腔，但由于聚合物由熔融态 变为固态时的体积收缩很大，因此在充填结束后，还需要在喷嘴处保持一定的 压力以弥补由于温度压力等变化所引起的体积收缩。 与充模过程相比，在保压阶段，塑料熔体的密度变化较大，必须考虑熔体 的可压缩性。 1 1 保压过程的熔体流动控制方程 ( 1 ) 连续性方程： 害+ p c 等+ 等+ 警，+ c v ，考+ v y 考+ v ：老，= 。 ( 2 ) 运动方程： 芸= 昙c 巧叙a z 一昆7 江苏大学硕士学位论文 罢：昙( 7 7 i o v y )一= 一，一- 却a z 一昆7 鲨：o o z ( 3 ) 能量方程： p c 詈+ 屹罢+ y y 等+ 吁。出r ) = 一y r ( o 讲p + v ，芸+ v ，詈+ v ：箬，+| 口( 百+ y x 瓦w y 面w z 出2 讲。+ v x 瓦w ，面w z 瓦j + 一，a 2 ta 2 t0 2 丁、 7 7 厂+ 尼( 丽+ 萨+ 可) ( 4 ) 粘度模型： 在保压过程中，温度和压力变化较大，应考虑较低温度时的流变行为，所 以粘度模型应该选择对压力和温度更宽适应的c r o s s w l f 粘度模型。 2 ) 保压过程的材料性质的描述 控制方程中包含了三个重要的材料性质，即密度、比热、热传导率，这些 材料的热力学和输送性质的准确描述是数值分析的关键，它们与材料所经历的 热历史和变形密切相关。 ( 1 ) 密度 保压过程中，状态方程将压力p 、温度丁和比容y ( 或者说密度p = 土v ) 关 联在一起，可以写成v = f ( t ，p ) ，目前流行的商品化软件中采用的是双域的t a i t 状态方程： 咿砜 _ c 1 + 制州础， 其中：普适常数c = 0 0 8 9 4 。改变v o ( r ) 和b ( t ) 中的常数便使该方程描述固 体域和熔体域的变化。 1 2 江苏大学硕士学位论文 v o ( 丁) = b l 。+ b 2 。( t b 5 ) 当t zb ( r ) = b 3 。e x p ( - b 4 。( 丁一b 5 ) ) y r ( 丁，p ) = 0 ( 丁) = b l s + b z s ( r b 5 ) 当丁 1 0 0 0 0 ，计算h 值所 用的经验公式为： 办= 0 0 2 3 - - 鲁r 。8 p o 4 其中，雷诺数尺。：关，普朗特数只：兰。 忽n ，a q 为冷却液的体积流量，d 为冷却孔的直径，1 ，为冷却液的运动粘度，a 为 冷却介质热扩散率和t 为热传导率。 2 3 小结 本章探讨了常用的两种粘度模型和注塑成型中的充填、保压、冷却过程的 数学描述。两种粘度模型有着不同的特点，适用于不同的场合；为简化运算， 引入一些假设，在此基础上，建立了充填、保压、冷却过程的数学描述。这些 是注塑成型分析和优化设计的理论基础。 1 6 江苏大学硕士学位论文 第3 章注塑模c a e 的建模 要进行注塑模c a e 优化设计分析，首先要由制件的几何模型来建立网格模 型，这就需要考虑几何模型和网格模型建模的一些问题。这些关系到能否正确 有效地运用注塑模c a e 的问题，本章对这些问题进行了较为详细的探讨。 3 1 几何模型的建立和简化 3 1 1 几何模型的建立 注塑模c a e 模拟分析所用的几何模型与网格模型来源于二维或三维模具模 型。通过对模具设计获得的相关几何尺寸数据所建立的二维几何模型，可由c a e 软件中的构建模块将此二维模型转化为三维模型，但这必然带来三维几何构建、 对复杂曲面的设计与处理等问题，由于c a e 软件的主要功能是注塑过程的模拟 分析，其几何构建功能弱，对三维几何构建、复杂曲面等情况的处理往往显得 繁琐，甚至有时无能为力，因而这种方法仅适用于建立一些简单模具的几何模 型。对于复杂的三维几何模型，即模具型腔模型，一般考虑采用三维c a d 造型 软件如u g 、p r o e 、c a t i a 等软件先建立c a d 模型，然后通过c a d 系统输出 c a e 系统可以接受的几何模型，如s t l ，i g e s ，s t e p 等文件格式的模型，一 般的c a d 系统都有s t l ，i g e s ，s t e p 文件输出接口，这样就获得了c a e 可 以分析的三维几何模型文件。这种方法是注塑模c a e 获取三维几何模型的主要 途径。本文中的所建立的几何模型都是采用这种方法获得的。 3 1 2 几何模型的简化 由于软件功能的不同要求，注塑模c a e 模拟分析所采用的三维几何模型与 网格模型往往与c a d 设计的模型不完全一样，通常为了更为有效地进行模拟分 析，在进行c a e 模型的构建过程中，往往需要对c a d 模型中的一些细节进行 1 7 简化运算蚓_ j 3 l 州： ( 1 ) 刈人多数制件( 模兵型j i g ) 柬| 兑，其厚度力u 的尺、j 要比总体尺、j 小得 多，为模拟分析汁算力便，制件的各部分可以刚定厚度的巾心面或外f 内1 表面 来代荷，将f l 简化成为由各个单层面所组建而成的寅体。 ( 2 ) 制作中常常出现尺、j 相对于网格尺寸小的圆角、通孔或凸起特征，在 简化处理中，尺寸较小的凸起或通孔特征删除，忽晰不计，而圜角特征崮接作 为直角柬处理，删除这些小特征后，模拟分析的准确性小变，但为后续的网椿 处理减少工作嚣，模拟分析的时m 也会减少，提高计算效牢。蛐圈卜1 为没有 删去圆角特征的制件网格纵横高度比( 最长边与该边的高之比值，比值越小， 刚格质量越好，模拟分析的结粜也越准确) ，削32 为删、阅角特征后的制什 例格纵横高度比r ，j 以看没有删除网角特征时部分网格纵横吊度比分巾d - 1 0 一8 1 44 ，而删除圆角特征厉，大部分网格纵横高度比分巾吐6 咀1 、，对比网 格纵横高度比的分枷区间可知】制件删去网角特征后，嘲格纵横高度比的平均 值人人碱小，制什的删格质量自了明皿的提高，有利j ：得到较准确的分析结粜。 蚓3 1 自“ 棚柏小特在的d 格“横0 鹰。 月32 删去m 十特征目擗“# 艘e ( 3 ) 在注塑模c a e 分析的建 l 过程，对于直流逍、分流道、浇几等横 截面都作为圆形米处理的，但是如果这部分设计的横截面是非圆形，为保证分 析的正确陀，在托塑模c a e 设计面常引进j 峒当直径d 与形状因子f 两个参数， # # 女 章t * 越过这两个参数将 倒形截【f 【| 转化为劐形截向，这两个参数的定义为： d 2 ( ! ! 些掣) ( 川) 石 ，= 乞产 z ， 其中：s 删。帅非圆形截面的剧比 ，【日m 甜，一一非圆形截面的周长 由定义u ，知，一般人于1 ，越人说明这种部件的横截面越不规则，它所 产生的冷却效果和流动阻力也越人，表3 - 1 为一些常用的流道浇口的肃1 当直径 与彤状冈r 的计弹公式。 丧31 常洫道目洗u j n m u r 横截面 相当直径d形状因子f 形状 t t d 私l i 廿r 0 j r ， 7 2 r 2 c mj 1 ，1 ，i ) s i l l l c 0 51 j 2 f ，2 c o sl ， fj i m c o i t l j ) 2 “ 。1 矗 k ! ：! 壁叵 l 堕一 辱( ”m ) ( 4 ) 在制件设训r f i ，常遇到某部分的截血设计不规则，如图3 3 所示川 咀7 l 避阳个参数：棚当厚度l 与形状园子，通过这两个参数的设定，将横截面 一1 寡k 聿m 桩论t 小枷i s ! j 的制件转化为横截f h i 舰则的截，降低y i 二塑模c a e 的分析量 ，与，的定义为： r a ，= 案 其中：v 一部件的体积 a 部什的投影面积 孵。 部件不枷则表面的实际剧长 舭简化后的枷则表阿向长 削3 - 3 不规则截面几何体的f 与r 的定义就为： v a ( c + 们+ b c ac + d sb + c + d 2 ac 十d 目卜3 小m 则截状几向体的简化 江苏大学硕士学位论文 3 2 网格模型的建立 网格模型的建立是根据对塑料制件网格的具体要求，由注塑模c a e 软件前 处理程序将连续的几何模型进行离散，生成离散网格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。对塑料制件根据实际情况选择建立中面，双面和实体三种不同的网格模 型，同时定义浇口、流道、冷却管道的位置和尺寸，建立一维网格模型。 对注塑模c a e 使用者来说，建立网格模型时要考虑选择网格的类型和密度 的问题。 3 2 1 制件网格的类型及选择 制件( 即模具型腔) 的网格模型有中面模型，双面模型和实体模型三种。中 面模型，双面模型和实体模型基于不同的流动模拟技术，即中面流技术、双面 流技术和实体流技术【3 5 l 。 中面流技术主要采用基于中面的有限元有限差分控制体积法，需要提取位 于模具型腔面和型芯中间的层面。在中面流技术中，由于制品的厚度远小于其 它两个方向( 常称流动方向) 的尺寸，塑料熔体的粘度大，可将熔体的充模流动视 为扩展层流，于是熔体的厚度方向速度分量被忽略，并假定熔体中的压力不沿 厚度方向变化，将三维流动问题分解为流动方向的二维问题和厚度方向的一维 分析。流动方向的各待求量，如压力与温度等，用二维有限元法求解，而厚度 方向的各变量和时间变量等，用一维有限差分法求解。用控制体积法求解流动 前沿，最终的分析结果在中面上显示。 双面流是指将模具型腔或制品在厚度方向上分成两部分，有限元网格在型 腔或制品的表面产生，而不是在中面产生。相应的，与基于中面的有限差分法 是在中面两侧进行不同，厚度方向上的有限差分仅在表面内侧进行，在流动过 程中上下两表面的塑料熔体同时并且协调的流动。显然，双面流技术所应用的 2 1 江苏大学硕士学位论文 原理与方法与中面流没有本质上的差别，所不同的是双面流采用了一系列相关 的算法，将沿中面流动的单股熔体演变为沿上下表面协调流动的双股流。目前 基于双面流技术的注塑模拟软件主要是接受三维实体表面模型的s t l 文件格 式，该格式记录的是三维实体表面在经过离散后所生成的三角面片。现在主流 的c a d c a m 系统，如u g 、p r o e 、s o l i d w o r k s 等，均可输出s t l 格式文件。 借助于s t l 格式文件，注塑模拟软件可以自动将该s t l 文件转化为有限元网格 模型提供注塑模拟分析。 实体流技术在实现原理上仍与中面流技术相同，所不同的是数值分析方法 有较大差别。在实体流技术中熔体的厚度方向的速度分量不再被忽略，熔体的 压力随厚度方向变化，这时只能采用立体网格，利用这些三维立体网格进行有 限元计算，不仅获得实体制品表面的流动数据，还获得实体内部的流动数据， 计算数据完整。因此，实体流技术能够产生更加详细的关于流动特征的信息和 应力分布；许多在中面和双面技术中不能预测的充模过程中的微观行为，如熔 体前沿的“喷泉流动 形态在实体流技术中都可以得到很好的体现。实体流技 术克服了中面和双面流技术的不足，为注塑流动全过程模拟打下了基础。但是， 与中面流或双面流相比，由于实体流模型考虑了熔体在厚度方向上的速度、压 力分量，所以其控制方程要复杂得多，相应的求解过程也复杂得多，计算量大、 计算时间过长，这是基于实体流的注塑流动模拟软件目前所存在的最大问题。 诸如电视机外壳或冰箱空调等大型塑料制品，用现行软件，在目前配置最好的 微机上仍需要数百小时才能计算出一个方案。 从模拟的准确性来讲，采用实体流技术可以得到最接近真实情况的模拟结 果，然而目前计算机硬件还跟不上要求，使运行时间过长，并且该技术还尚未 成熟，所以一般很少采用实体流技术。在目前条件来讲，大多数情况对制件选 用中面流或者双面流进行模拟分析。 4 # 女幸w 幸位论t 3 2 2 网格密度的选择 网格的密度直接影响分析结果利分析时m ，删格密度的选取要综合考虑这 些塘闲，做合理的选择。 1 ) x 1 分析结果的蟛响：迟滞效府、熔接痕、气穴 熔体流绎畦部较j 9 的区域时，流动阻力比较小，流动的速度就比较的快，熔 体流经啦部较薄的区域时，流动阻力比较大流动速度比较慢。迟滞效应即是 薄壁【趸熔体前沿的流速相对十厚擘区减慢的效麻。存某些睛况下，为了引导熔 体流动或者人工平桶说道时，需要利用退滞效应。默制件剖j 蜘r 部厚度为 l m m ，顶部为2 m m ，底部为3 r a m ，采用不同的网格密度进o y 分析，观察迸滞效 应倾溅情况。如图3 - 4 对比了不同网格状况时迟滞效应的预测情况。当嗍格较 稀j i a t ；r 吲所示叫，迟滞效应没有被准确的预测，而当州格较密叫如j 图所吓 时，避滞效应则被准确的预测出来。所以为了准确地】 页测迸滞效应，网格就需 要足够的密。 箧羹 幽34h 的网格密度影响迟滞效麻的预测 熔接痕的产生是来自两个或者多个流向的熔体相遇叫形成的，而熔接痕的 预删是在州格的节血处形成的。在两个或更多的相连的节点处能够孙删到熔接 江苏大学硕士学位论文 痕，节点越多，熔接痕的预测越接近实际情况。所以熔接痕对于网格的密度也 是非常敏感的。取一带有两个孔的制件进行熔接痕位置预测，如图3 - 5 对比了 该制件在不同网格状况时熔接痕的预测情况。当网格稀疏时，熔接痕的预测与 实际不符，而网格较密时，熔接痕的预测较准确，与实际情况较为一致。因此， 要准确预测熔接痕分布的情况需要较密的网格，粗糙的网格通常会得到错误的 熔接痕分布。 气穴的产生常常是由于厚度的改变发生迟滞效应而产生的。所以气穴的预 测也和网格的密度密切相关。取具有两个不同厚度的区域的制件进行气穴的预 测，其正常的壁厚是2 5 m m ，薄的壁厚是1 2 5 r a m ，如图3 6 所示。可以看出， 当网格较密时，气穴能正常的被预测。这是因为当网格粗糙时，薄壁部分没有 预测到迟滞现象，气穴也