塑料成型CAE.ppt

潘晓涛PanXiaotao,塑料成型过程模拟分析,塑料成型原理（PlasticmoldingTheory）,先修课(Prep:course),塑料注射工艺及模具设计（PlasticInjectionProcessandMoldDesign）,特种塑料成型工艺及模具设计（SpecialPlasticmoldingProcessandMoldDesign）,塑料流变学（PolymerRheology）,申长雨等著塑料模具计算机辅助工程河南科学技术出版社1998,唐志玉编著塑料挤塑模与注塑模优化设计机械工业出版社,吴崇蜂主编实用注塑模CAD/CAE/CAM技术中国轻工业出版社,王国中主编注塑模具CAD/CAE/CAM技术北京理工大学出版社,单岩王蓓编著Moldflow模具分析技术基础清华大学出版社2004.9,王刚单岩编著Moldflow模具分析应用实例清华大学出版社2005.6,主要参考书（MainReferencebooks）,第一章绪论,塑料成型计算机模拟技术的基本概念,塑料成型计算机模拟技术（ComputerSimulationAnalysisforPlasticMoldingProcess）主要是利用高分子流变学、传热学、数值计算方法和计算机图形学等基本理论，对塑料成型过程进行数值模拟，在模具制造之前就可以形象、直观地在计算机屏幕上模拟出实际成型过程，预测模具设计和成型条件对产品的影响，发现可能出现的缺陷，为判断模具设计和成型条件是否合理提供科学的依据。,概念设计,产品设计,模具设计,开模,试模,生产,更改,塑料模具的传统做法,（以塑料注射）模为例,概念设计,产品设计,模具设计,生产,开模,试模,CAE,塑料模具的CAE做法,（以塑料注射）模为例,塑料成型计算机模拟技术的应用,其他塑料成型方法中的计算机模拟技术,气体辅助注射成型计算机模拟技术,塑料挤出成型计算机模拟技术,塑料注射成型计算机模拟技术,注射模具充填过程模拟分析浇道系统分析：确定合理的流道尺寸、布置以及最佳的浇口数目、位置和形状；型腔充填分析：得到合理的型腔形状及最佳的注射压力、注射速率等参数。注射模具冷却系统模拟分析,塑料注射成型计算机模拟技术,Fig.1BestGateLocation,Fig.2Confidenceoffill,Fig.3FillTime,Fig.6FreezeTimeVariance,Fig.5ClampingTonnage,Fig.4InjectionPressure,Fig.9QualityPrediction,Fig.8weldinglineandair-bubble,Fig.7SinkMarkEstimate,口模流动分析挤出胀大分析冷却定型分析,塑料挤出成型计算机模拟技术,对于给定的挤出口模，可以利用POLYFLOW来分析不同工艺条件下的挤出成型，以此来确定挤出的最优条件。,根据挤出制品的形状，利用POLYFLOW来进行口模的设计。,对挤出机的单螺杆、双螺杆进行模拟，得到温度场、压力场以及塑料熔体的粘度、螺杆转速对挤出量的影响等结果，从而优化挤出机的设计。,图是给定挤出口模，模拟挤出涨大的结果。,图是给定挤出制品，需要的挤出口模形状。,中空吹塑成型模拟,吹塑制品的壁厚分布和拉伸后型坯的拉伸比是判断制品质量的主要因素;,能够模拟挤出吹塑、挤出拉伸吹塑等成型过程；,主要的输出结果包括，成型时间，厚度分布，应力分布及塑料流动过程等，其有助于优化模具设计和成型工艺参数的设置。,图、是某饮料公司饮料瓶的中空吹塑模拟结果,塑料成型计算机模拟技术的发展历史与研究现状,注塑成型过程模拟的发展历史与研究现状,挤出成型过程模拟的发展历史与研究现状,其他成型过程模拟发展历史与研究现状,注塑成型过程的模拟的发展历史与研究现状,1、注塑成型过程的模拟的发展历史,2、目前注射成型研究的模拟热点,3、我国的注射成型模拟研究状况,一、注塑成型过程的模拟的发展历史1/5,英国、美国、加拿大等国的学者60年代完成了一维流动和冷却数值分析70年代完成了二维分析程序80年代开展了三维流动与冷却数值分析并把研究扩展到保压和纤维取向、分子取向以及制品翘曲预测等领域。,始于20世纪60年代,美国K.K.Wang领导的Cornell大学CIMP研究小组自1974年开始，在美国政府的资助下，在注塑成型模拟研究方面取得了令人瞩目的成就，他们在非牛顿、非等温熔体流动的流变模型，冷却过程的热传导模型，保压和翘曲的分析的粘弹性模型以及数值计算方面都取得了实质性的成果。,90年代，开展了流动、保压、冷却、应力分析的注射全过程的集成化研究。,一、注塑成型过程的模拟的发展历史2/5,美国AC-Tech.公司直接利用和推广Cornell大学的科研成果而研制开发的C-mold软件无论是数学模型、程序编制，还是用户界面、软件接口都具有很高的水平，而且在美国和世界各地得到广泛应用。,一、注塑成型过程的模拟的发展历史3/5,一、注塑成型过程的模拟的发展历史4/5,另外美国的AT&T.Bell实验室，美国和意大利的Plastics&computer公司，澳大利亚的Moldflow公司，德国的Ikv研究所和Aachen大学，美国的SDRC公司McdonellDouglass飞机公司等在注射成型模拟和注射模专家系统方面都进行了深入的研究。,澳大利亚Moldflow公司于1976年发布了世界上第一套塑料注射成型流动分析软件MoldflowPlasticinsight(MPI)。二十世纪八十年代初期，美国AC-Tech公司也发布了注射成型分析软件C-Mold)。2000年4月，Moldflow公司收购了AC-Tech公司，并于2001年发布了集MPI2.0和C-Mold2000优点于一体的MPI3.0。2003初，推出了4.0版。MPI软件一直主导塑料注射成型CAE软件市场。,一、注塑成型过程的模拟的发展历史5/5,二、目前注射成型研究的模拟热点,真三维的精密注射数值模拟,联机分析成型过程的控制系统研究。,将实际注射成型与计算机模拟结果进行实时比较，然后利用专家系统自动调整成型工艺参数，以实现注射成型机的优化控制。,气体辅助注射成型模拟,三、我国的注射成型模拟研究状况,我国注射成型模拟研究始于80年代，特别是在“八五”期间，在国家“八五”科技攻关项目的支持下，我国在注塑流动模拟、冷却模拟等方面都取得了长足的进展，并在某些方面达到了国际先进水平。,注射成型模拟软件的主要功能,优化塑料制品可以优化制品结构，降低材料成本，缩短生产周期，保证制品能全部充满；,优化模具结构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；,优化注射工艺参数可以确定最佳的注射压力、保压压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间和冷却时间，以注射出最佳的塑料制品。,三个发展阶段,基于中性层模型的模拟,基于表面模型的模拟,基于实体模型的模拟,在开发注射成型模拟软件的过程中，经历了三个技术发展阶段。,）基于中性层模型的模拟,首先将薄壁塑料制品抽象成近似的平面和曲面，这些面被称为中性层，在这些面上划分二维平面网格，采用有限元计算温度场、压力场，同时在中性层两侧用有限差分计算厚度方向上的温度，用控制体积法追踪流动前沿，并将结果在中性层上显示出来。,其最大缺点是构造中性层十分困难，而且不能从其他CAD软件转换，因此，在相当长的时期内，阻碍了软件的发展和推广使用。,）基于表面模型的模拟,在制品的表面（制品的表面即构成了模具的型芯、型腔）划分网格并进行有限元计算，厚度方向上的有限差分仅在表面的内侧（从模壁至中性层）进行。,20世纪90年代发展起来的新技术,技术关键是网格的配对算法，由于网格不能百分之百的配对，因而分析结果不如中性层的准确，,最大优点是模型准备时间大大缩短，而且可以从其他CAD软件导入，该技术的使用，使得注射成型模拟软件得到了迅速的推广使用。,）基于实体模型的模拟,采用三维网格，考虑厚度方向的速度分量。但这样一来，网格划分技术要求更高，控制方程变得更加复杂，计算量大，时间长。,以上两种方法都忽略了厚度方向的速度分量，因而结果不十分准确。,MPI4.0虽然有三维流动、冷却、翘曲分析模块，但网格划分困难，计算时间长，因此，真正实用化，还有一段时间。,MoldflowMPI软件的主要模块,）模型输入与修复）塑料材料与注射机数据库）流动分析）冷却分析）翘曲分析）纤维填充取向分析）优化注射工艺参数）结构应力分析）确定合理的塑料收缩率）气体辅助成型分析）特殊注射成型过程分析,MPI有三种分析方法，基于中性层的分析、基于表面的分析与三维分析。,HSCAE3D软件1/3,HSCAE3D软件是华中科技大学模具技术国家重点实验室经过10多年的努力开发的，是国内真正实现商品化销售的注射成型模拟软件。,HSCAE3D软件2001年获中国高校科技进步一等奖，2002年被评为2002年度中国机械工业五项重大科技进展发布项目之一。,HSCAE3D软件,HSCAE3D软件采用了先进的基于表面网格模拟技术，并把人工智能技术引入到系统的开发中，一方面应用人工智能技术对成型方案进行分析和评价，另一方面通过“机器专家”对分析结果进行评价，为用户提供工程化的分析结果和技术指导，将仿真软件由传统的“被动式”提升为“主动式”。,HSCAE3D软件2/3,HSCAE3D软件,由于资金、开发人员等方面的原因，与MoldflowMPI相比，在模块、CAD接口方面有一定的差距，但算法的先进性、分析结果的准确性是不相上下的。由于高的性价比，国内市场占有率不断提高，对Moldflow软件产生了很大的冲击。,HSCAE3D软件3/3,HSCAE3D软件,塑料挤出过程的模拟的研究现状与发展趋势,塑料挤出过程的模拟的发展历史目前挤出成型研究的模拟热点我国的挤出成型模拟研究状况,挤出成型过程的模拟的发展历史1/3,挤出成型基本理论研究起步较早，由于挤出成型过程复杂的流变形态，使得挤出成型模拟的研究更富挑战性。,R.T.Fenner,M.J.Crochet,R.I.Tanner等学者在挤出模拟理论研究方面开展了大量的工作，并取得了可喜的成绩。,挤出成型过程的模拟的发展历史2/3,在基础模拟软件开发方面，美国ScientificProcess&Research公司开发的CAE软件，可以模拟物料在单螺杆挤出机中的输出情况，给出沿螺杆轴向各点物料的温度和压力以及熔融区和固态区的分布。同时模拟模头结构及成型工艺对熔体流动状态的影响。,加拿大AdvancedPolymerProcessingandDesign中心开展了物料在单螺杆挤出机中的流动，熔体在平缝式模头中的流动，熔体在鱼尾式和衣架式挤出模头中的流动等的数值模拟研究。,Werner&Computer正在研究双螺杆挤出机的挤出成型过程的模拟。,美国和意大利的Plastics&computer公司、加拿大的Rheotek公司等都在挤出成型模拟研究方面取得了许多应用性成果。,挤出成型过程的模拟的发展历史3/3,国内挤出成型过程的模拟的发展,近年来也开展了大量的工作，特别是在挤出模头内流动和出模胀大分析方面已取得了一些成果，并正在向应用领域拓展。,其他成型过程的模拟的发展,纤维纺丝、吹塑、线缆包覆等成型模拟也在世界各地普遍开展。例如比利时的PolyFlow软件可以模拟挤出与共挤出、纤维纺丝、薄膜挤出、吹塑、包覆、热成型等成型过程，并且可以进行三维非等温、非牛顿、可压缩模拟等。,POLYFLOW软件,POLYFLOW是基于有限元法的用于粘弹性流体的模拟软件，1982年由比利时的Louvain大学开发，1988年成立了POLYFLOW公司，1997年被世界著名的流体分析软件公司FLUENT收购。,POLYFLOW的软件结构,个主要模块,计算的数据来源。工程模型性质的确定、计算区域的划定、网格重置、流体参数、边界条件设定、数据的保存和输出,读取实验数据、粘弹性模型选择、一些参数的设置以及拟合用户模型所需的参数,计算分析加工流场的共混效果,图形前处理模块，既可用软件的造型功能建立几何模型，也可从其他软件读入几何模型。,POLYFLOW的主要特点,用于复杂的流变及粘弹性流体，数学模型包括广义牛顿模型、屈服应力模型、粘弹性模型，除了经典的模型外，用户还可以添加自己建立的模型；,先进的网格生成技术，非共形网格，几块尺度不同的网格装配到一起，网格交接面处各块网格点不须重合，因而简化了网格的生成，不同区域的网格可以单独生成，如图4所示，这特别适应于模具与成型机械同时模拟的情况。在发生大变形或者计算结果的精度与网格质量有关时，可以采用网格自适应的方法，即在某些部位细分网格，这特别适合于中空吹塑成型、热成型、模压成型等，如图5所示的双螺杆网格划分即为网格自适应。,先进的网格生成技术，非共形网格，几块尺度不同的网格装配到一起，网格交接面处各块网格点不须重合，因而简化了网格的生成，不同区域的网格可以单独生成，如图4所示。,在发生大变形或者计算结果的精度与网格质量有关时，可以采用网格自适应的方法，即在某些部位细分网格，这特别适合于中空吹塑成型、热成型、模压成型等，如图5所示的双螺杆网格划分即为网格自适应。,POLYF