（机械设计及理论专业论文）塑料注射成型中充模阶段熔体流动的研究.pdf

摘要 摘要 充模阶段是整个注射成型周期中最重要、最复杂的阶段，它决定着制品的物理性能 及质量。因此对该阶段熔体的流动行为进行研究，对提高产品质量具有重要意义。 对聚合物熔体在薄壁矩形型腔和浇注系统中充模流动过程进行了详细的分析，根据 其流动特点作了一系列假设，根据流体力学和热力学知识，建立了熔体充模流动的控制 方程，并给出了边界条件。求解得到熔体前沿平均速度，它是以温度、压力、速度梯度、 压力梯度及材料性质为变量的函数，对这些变量的影响从理论上作了分析。然后采用有 限元法求解压力场和速度场，采用有限差分法求解温度场，并用控制体积法得到熔体的 前沿位置。 采用矩形型腔模具，用聚丙烯和高密度聚乙烯为实验材料，在保持其他工艺条件不 变的情况下，通过单独改变熔体温度、注射压力和注射速度，测量模腔内特殊点的压力 和温度变化，并测定充模时间。结合实验结果对这三个参数对充模时间的影响作了分析， 结果表明，随着熔体温度、注射压力、注射速率的增大，充模时间变短。但注射压力在 增大到一定值时对充模时间影响不明显。然后模拟得到温度场、速度场、压力场、剪切 速率及凝固层分布，作了理论上的分析与讨论。实验结果与模拟结果基本吻合，说明本 论文所采用的数学模型可用于薄壁制品充模过程的流动分析。 关键词：注射成型 充模流动有限元法 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i l l i n gs t a g ei st h em o s ti m p o r t a n ta n dc o m p l i c a t e ds t a g ei nt h ew h o l ej n j e c t i o nm o l d i n g c y c l e i td e c i d e st h ep h y s i c a lp e r f o r m a n c ea n dq u a l i t yo ft h ep r o d u c t s t h e r e f o r e ，t os t u d yt h e f l o wb e h a v i o ro ft h em e l ti nt h i ss t a g eh a sg r e a ts i g n i f i c a n c et o i m p r o v et h eq u a l i t yo f p r o d u c t s d e t a i l e da n a l y s e sa f em a d ef o rt h ef i l l i n gf l o wo ft h em e l ti nt h et h i nr e c t a n g u l a rc a v i t y , t o g e t h e rw i t hd e l i v e r ys y s t e m as e r i e so fa s s u m p t i o n sa r em a d eo nt h eb a s i so ft h e c ba ：r a c t e r i s t i c so ff l o w a c c o r d i n gt ot h ek n o w l e d g eo fh y d r o m e c h a n i c sa n dt h e r m o d y n a m i c s ， c o n t r o le q u a t i o n so fi n j e c t i o nm o l d i n gf i l l i n gf l o wi s e s t a b l i s h e d ，i n i t i a la n db o u n d a r y c o n d i t i o n sa r ep r o p o s e d t h ea v e r a g ev e l o c i t yo fm e l tf r o n ti so b t a i n e db yc a l c u l a t i o n ，a n di t i saf u n c t i o n o ft e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，v e l o c i t yg r a d s ，p r e s s u r eg r a d sa n dm a t e r i a l s t h e i n f l u e n c eo ft h e s ev a r i a b l e si sa n a l y z e di nt h e o r y ，t h e nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d sa r eu s e df o r t h ep r e s s u r ea n dv e l o c i t yc a l c u l a t i o nw h i l ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d sa r eu s e df o rt h e t e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o n a n dac o n t r o lv o l u m ea p p r o a c hi su s e df o rt h ea d v a n c e m e n to ff l o w f r o n t af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e m o l d f l o wi su s e dt os i m u l a t et h ef i l l i n gf l o w am o l dw i t hr e c t a n g u l a r c a v i t y i s u s e d p o l y p r o p y l e n e ( p p ) a n dh i g h d e n s i t y p o l y e t h y l e n e ( h d p e ) w e r em o l d e di nt h es a n l ec o n d i t i o n sb u tt h em e l tt e m p e r a t u r e ，i n j c c t i o n p r e s s u r ea n dr a t ea r em o d i f i e dr e s p e c t i v e l y t h e nt h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eo fs p e c i a l p o i n t sa r em e a s u r e da n dt h ef i l l i n gt i m ei sd e t e r m i n e d t h ei n f l u e n c eo ft h et h r e ep a r a m e t e r s o nt h ef i l l i n gt i m ei s a n a l y z e db yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tw h e nt h e m e l tt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o np r e s s u r ea n dr a t ei n c r e a s e s ，t h ef i l l i n gt i m ew i l ls h o r e n b u tw h e n t h ei n j e c t i o np r e s s u r ei n c r e a s e st oac e r t a i nd e g r e e ，t h ef i l l i n gt i m ec h a n g e sal i t t l e t h e nt h e t e m p e r a t u r e ，v e l o c i t y , p r e s s u r ef i e l da n ds h e a rr a t ef i e l d ，a sw e l la sf r o z e nl a y e rf r a c t i o na r e g a i n e db ys i m u l a t i o n t h er e s u l t sa r ea n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r es a t i s f a c t o r yw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i ts h o w e dt h a tt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n t r o d u c e di nt h ep a p e rc o u l db e u s e di nt h em o l df i l l i n gf l o wa n a l y s i so ft h i np r o d u c t s k e y w o r d ：i n j e c t i o nm o l d i n g m o l d f i l l i n g f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i j 华南理j 二大学硕士学位论文 物理量名称及符号表 传力杆的受力面积 上一时刻温度值及与对流传热和粘性热相关的热源项 浇口 内嵌件边界 t 时刻熔体的前沿面 聚合物的定压比热容 随体导数 流体的内能 充填因子 单位质量流体的质量力 凝固层厚度 模腔半厚度 聚合物的热传导率 单元刚度矩阵系数 流体稠度 熔体的熔融指数 流动指数 面积坐标表示的线性插值函数 熔体压力 单元的节点压力 型腔的入口压力 两个测压点 单位时间内传入单位质量流体的热量 入口流率 流通率 时间 熔体温度 零剪切粘度对温度的敏度 入口温度 熔融温度 模具温度 两个测温点 x 方向上的速度分量 v i 砂 + 乇 n 2 a c g钟。肋。，一f州矗。b k 柳。m p b绁日s，r死死k酗。 物理量名称及符号表 ix 方向上的平均速度 v y 方向上的速度分量 一vy 方向上的平均速度 y 控制体积的体积 控制体积已被熔体充填的体积 圪 轴向流速 w z 方向上的速度分量 w加权函数 b ，t b ，b ，t五参数c r o s s 模型的材料常数 p聚合物的密度 t 剪切应力 。剪切速率 叩。剪切速率为零时的粘度 r 。剪切速率为无穷大时的粘度 n熔体的粘度 时间常数 工膨胀粘性系数 e 变形率张量 中 流体的粘性发热 v i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名：磐老离灸 日期：西年月盯日 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 学校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。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：瑾西分弘 刷磁轹易主妈，呷 日期：疗年占月断 日期k 夕年6 月，r 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在注塑加工中，由于制品形状复杂、聚合物材料本身的特性以及复杂的边界条件和 不确定因素，使材料成型过程经历了相当复杂的变形历史和相态变化，如固体输送、熔 融、熔体输送、流动、压实、固化、相变、结晶、分子取向、纤维取向、翘曲变形等， 模具设计及成型工艺条件对成型过程中材料所经历的受力状态和热状态有着重要的影 响，直接关系到制品的力学性能和成型效率等。 长期以来，塑料成型加工过程的工艺参数的设定和模具设计与制造主要依赖于工艺 人员和模具设计人员的经验和技术，设计的合理性只能通过试模来判断，制造的缺陷也 主要靠修模来纠正，导致模具及制品的设计与制造周期长、成本高、档次低。随着新材 料和新成型方法的不断出现，问题更加突出。我国模具技术水平大约落后于国外2 0 年。 每年需进口的精密复杂模具高达数亿美元m 。 随着计算机技术的发展和人们对计算力学、流体力学、聚合物加工流变学、传热学 等学科研究的深入，成型模拟( c a e ) 技术与注射成形技术相结合，为改变这种状况提 供了新的手段。c a e 技术通过建立聚合物成型过程的物理和数学模型，采用有效的数值 计算方法，借助于计算机模拟来确定加工条件的变化规律、预测制品的结构和性能、确 定塑料制品和模具设计参数及工艺条件的最佳方案，使聚合物成型加工及模具设计建立 在科学分析的基础上，为优化模具设计和控制产品成型过程提供了科学依据和设计分析 手段。塑料成型c a e 技术对缩短产品的开发周期、提高塑料制品的质量、降低生产成 本具有很重要的意义 3 1 。 整个注射成形过程可分为：充模阶段、保压阶段与冷却阶段，其中充模阶段是整个 注射模塑周期中最重要、最复杂的阶段，熔体在这期间的行为决定着成型速率、制品的 物理性能及质量。 充模流动是一个相当复杂的物理过程，非牛顿的高温塑料熔体在高压的驱动下通过 流道、浇口向较低温度的型腔充填，一方面熔体由于模具传热而快速冷却，另一方面因 高速剪切产生热量，同时伴随有熔体固化、体积收缩、分子取向及可能的结晶过程。随 着塑料熔体压力、温度、剪切速率等物理量在充模过程中的发展变化，熔体的流动行为 将直接影响塑件的最终形状、内部结构、取向和残余应力。这是一个不可压缩的非牛顿 流体的非等温、非稳态流动的过程，其中涉及到高分子材料学、流变学、传热学、计算 力学和计算机图形学等多个科学和工程方面的学科知识。正确的模拟首先需要建立数学 模型，考虑到聚合物材料性质和充模流动特点，可进行一系列假设来简化模型，并给出 华南理工大学硕士学位论文 图l 一1塑料注射工艺过程计算机模拟分析总流程图 f i g 1 - 1a no u t l i n eo ft h es t e p so fa n a l y s i si n v o l v e di nc o m p u t e rd e s i g no f t h ep l a s t i c 2 第一章绪论 所有初始条件和边界条件，最后进行计算机求解，动态模拟出在给定工艺参数条件下塑 料熔体填充模腔过程中流体前沿、压力场、温度场、速度场、剪切应力和速率场等参数 的变化。如图1 - 1 所示是计算机分析过程的总流程图。 1 2 注射成型充模流动模拟研究的发展 注射成形充模流动过程一直是模拟研究和发展的重点。其模拟主要是基于粘性流 动，用数值方法模拟成型过程中温度场、压力场、速度场及熔体流动前沿的变化，预测 制品的可成型性和成型效率。对充模过程进行模拟涉及到对控制方程、材料模型、物性 参数和数值求解等理论和方法。 1 2 1 塑料注射充模过程的模拟研究 由于注射充模过程的复杂性及其对最终成型制品的质量重要性，许多国家的科研机 构和高等院校都对这方面进行了大量研究。 g i l m o r e 和s p e n c e r t ”j 在2 0 世纪5 0 年代初期对注塑成型进行了研究，利用圆盘形模 腔及可视化方法，发表了有关充模过程方面的最早的文献，提出了等温充模模型，对熔 体流动机理、熔体前沿位置、充模压力损失、接缝线的形成进行了研究，并导出相关的 经验公式。通过对充模过程的预测，创立了可视化研究方法。b e m h a r d t 6 j 对2 0 世纪5 0 年代聚合物加工模拟方面的成果进行了详细的总结。 t o o r , b a l l m a n 及c o p p e r t t j 于1 9 6 0 年首先采用数值方法对塑料熔体的充模过程进行了 分析。随后，许多研究者对一维流动进行了大量的研究，如h a r r y 和p a r r o t t f s i 对矩形平 板的充填过程进行了模拟；r o t h e t g j 计算了塑料熔体流经圆管的过程；k a m a l 和k e n i t q 在基于幂律流体的蠕变流动理论上建立了一维径向流动的数学模型。在假设模腔入口处 压力随时间的变化关系为已知的前提下，计算了幂律流体充满中心浇口的半圆形模腔的 流动过程，并进行了实验研究，理论预测与实验结果基本吻合。w i l l i a m s 和l o r d l l l , 1 2 对 塑料熔体在圆管中一维流动进行了详尽的研究，建立了有限差分计算模型，数值分析与 实验结果吻合较好。s t e v e n s o n t 等人对塑料熔体在矩形和中心浇口圆盘薄壁型腔中的流 动行为进行了详尽的研究，建立了熔体一维流动的数学模型。一维流动分析只能用于计 算流道或简单形状的型腔的流动，但因为其分析时间短，经常作为三维流动分析前处理 器的一个组成部分，用来优选注射温度、模具温度和注射时间等工艺参数。 从2 0 世纪7 0 年代中期起，人们开始对熔体充填过程进行二维分析。在二维流动分 析中，除数值方法本身的难点外另一个新的难点是对移动边界的处理，即如何确定新时 刻的熔体流动前沿位置。b r o y e f “l 等人运用f a n ( f l o wa n a l y s i sn e t w o r k ) 法对二维等温流 动进行了计算，并对压实、固化及分子取向问题进行了有益的探索。a u s t i n l n 首次对真 实塑件的成型过程进行了研究，并采用l a y f l a t 技术处理复杂的几何形状。但注塑件的 结构复杂，熔体在模具型腔中的流动是非等温非稳态过程，且表现出很强的非牛顿特性， 3 华南理工大学硕士学位论文 无法对此过程进行真实分析，必须进行适当的简化。h i e b e r 和s h e n i t 6 , ”- 将h e l e s h a w 流 动推广到薄壁型腔的充模分析中，第一次提出利用有限元有限差分耦合法和移动网格法 来求解压力场和温度场。由于有限元法能够处理复杂的几何形状以及复杂的边界条件， 而有限差分法能够准确描述非常大的梯度变化，因此该方法成为目前流动模拟最主要的 数值计算方法。w a n g 和h i e b e r f 沿用h i e b e r 和s h e n 提出的数学模型，并采用流动分 析网络( f a n ) 的基本思想，采用控制体积法确定充模时熔体流动前沿位置。这种方法 减小了所需数值分析的计算时间，使之更容易用于分析复杂型腔。 利用h e l e s h a w 模型对充填过程进行分析可以得到近似的前沿位置及充填时间、压 力分布等。但该模型忽略了熔体在厚度方向上的流动，亦没有考虑熔体的弹性的影响， 因此存在许多问题。特别是对于厚壁制件，当熔体在模腔厚度方向上的流动不能忽略时， 结果存在较大误差。另外除了在薄壁型腔中高速流动的聚合物呈现较弱的弹性行为外， 其他情况聚合物均表现出一定粘弹行为，h e l e s h a w 模型中忽略弹性行为的简化在这些 情况下是不正确的。因此，人们在研究新的模型希望能对塑料熔体充模过程作出更准确 的描述。k a m a l 和l a f l e u r i 2 0 l 等人认为，一个真实模拟熔体充模过程必须满足以下三个方 面： 1 ) 能够描述注射成型过程中的材料的热机械历程和可成型参数，如充模过程中流 道系统、模腔以及熔体前沿的温度场、压力场和速度场； 2 ) 能够描述制品的微观结构，如结晶分布、晶体组织、残余应力和分子取向等； 3 ) 能够预测制品的性能，如机械性能、光学性能等。 总之，一个完整的模拟过程既要判断塑料制品能否成型，又要能预测产品的质量。 目前对充模过程的数学描述，主要集中在粘弹模型、三维流动和熔体前沿位置确定这几 个方面。 1 。2 ，2 粘弹模型的研究 为了分析充模过程流动应力的发展，以及冷却过程中应力的松弛，必须采用粘弹性 本构模型口”。 对注射成型过程粘弹模型的研究始于2 0 世纪8 0 年代早期。聚合物成型中最重要的 非牛顿性质是剪切变稀，为了描述这一特性，出现了不同的粘度模型f 2 2 】。主要是幂律粘 度模型和c r o s s 模型。但纯粘性模型无法描述剪切流动中产生的法向应力及增长和松弛 现象，需用粘弹性本构模型对这类现象进行描述。i s a y c v 和h i e b e r l 2 3 j 用l e o n o v 模型分析 熔体充模过程产生的剪切应力和法向应力，忽略保压影响，计算冷却过程应力松弛，并 将流动应力与双折射联系起来。k a m a l 和l 丑f l e u l 州利用w h i t e - m e t z n e r 粘弹本构方程对 熔体在带状型腔中的流动过程进行了分析。w a n g 例等人利用上风法技术对粘性发热项和 对流项进行了处理，解决了在粘弹模型在数值求解中可能出现的不稳定现象。对聚合物 粘弹性的分析仍然存在着许多未解决的问题，即使对材料粘弹行为表征的粘弹本构方程 4 第一章绪论 的研究也不太理想，粘弹分析是目前的一个研究热点。 1 2 3 三维流动的研究 对注塑成型过程进行三维数值分析，需要解决两个问题：对熔体流动前沿喷泉效应 的描述；数据存储优化和计算效率的提高。m a v r i d c s m j 等人运用有限元法对喷泉效应进 行了分析，得到了熔体前沿处的速度场。f r i e d r i c h s t 2 ，i 用2 5 d 模型模拟注射充模过程： 在三个速度分量都很重要的喷泉流区域，将熔体的流动作为三维流动，用压力一泊松公 式求解；在非前沿区域，用2 dh e l e s h a w 模型进行分析，用有限差分法在非交错网格 上求解控制方程。y u 等人1 2 8 用有限元法求解3 d 和2 d 域的流动问题，并对3 d 域和2 d 域的衔接作了很好的处理。 2 5 d 模型是基于制件的几何中面，模拟的物理背景是在整个充模过程中占主导地位 的完全发展区，模拟的几何背景是薄壁无三维特征( 如肋、凸台) 等近似平板类制件。 对于充模过程的数值模拟，采用2 5 d 模型可以得到充填时间、型腔压力、温度、剪切 应力、注射压力等的正确分布。但它无法描述一些三维流动现象，如考虑惯性项、重力 项及采用非对称温度边界条件下高速注射浇口区域的复杂流动、熔体流动前沿的喷泉流 动现象等。在2 5 d 模型基础上发展起来的表面模型流动模拟克服了几何模型的重建问 题，大大减轻了用户建模的负担、降低了对用户的技术要求，但它仍无法解决中面模型 无法解决的问题，而且会给中面模型计算方法带来一些困难。 采用3 d 模型的三维流动模拟技术一方面能真实地描述熔体在型腔中的流动现象， 另一方面可以更方便地实现与c a d 技术的无缝拼接。但与二维相比，需要更多的计算 时间。因此，很多研究者做了大量研究来提高其运算速度和运算效率。h 6 t u m j 等人用三 维模型去描述充模过程中的压力场、速度场，并用拟密度法跟踪熔体前沿，用p e t r o v g a l e r k i n 法求解了控制方程。在此基础上，i l i n c a 【3 0 喇用s t r e a m l i n e u p w i n d p e t r o v g a l e r k i n 法模拟了三维复杂制品等温条件下的紊流情况。r a j u p a l e m t 3 】发展了全3 d 的充填模拟方 法，利用有限元求解所有有关的控制方程。 目前对充模过程中的一些三维流动现象如喷射、纤维取向的形成机理还不是很清 楚，如何建立描述这些现象的物理和数学模型仍然是研究的重要课题：另外，目前影响 三维模拟使用的是算法，特别对于薄壁或几何形状复杂的型腔时，计算量很大。发展一 种高效、准确的计算方法也是研究的重要课题。 1 2 4 熔体前沿面位置的确定 熔体前沿面位篝确定是对充填过程进行分析的重要部分。本文将对该部分数值模拟 工作进行详细的分析求解。 确定熔体流动前沿面位置的算法很多，大致可以分为以下几类：欧拉法、拉格朗日 法和欧拉一拉格朗日混合法。欧拉法属于固定网格法，其使用的坐标系或者是静止，或 华南理1 _ = 大学硕士学位论文 者按照某一规则的方式运动来描述求解域形状的连续变化。在该方法中，熔体在不同的 计算单元之间运动，即使网格移动时也是如此。拉格朗日法属于移动网格法，在该方法 中，弼格结点与流体一起移动，网格不断发生变化，两格边界与自由面相吻合，每个计 算单元内的流体单元都不发生变化。欧拉一拉格朗日混合法吸收了两者的优点而避免了 缺点，因此比纯欧拉法和纯拉格朗同法更为优越。 移动网格方案通常可以给出流动前沿位置的准确描述，但是由于在计算域上每个时 间步都要被重新划分网格，在计算上非常耗时，对于有嵌件或多点浇口的模具计算非常 困难。因此拉格朗日法应用并不广泛，主要用于网格不发生畸变的情况。欧拉法的坐 标系是静止的或为了适应求解域的变化以某一确定的方式运动，其网格的移动独立于流 体的运动，可以容易处理自由面发生很大变形的流体。在目前的商品化软件多采用这种 方法。 c o u l t e r 和g u c e dp 3 】，g a u v i n 和t r o c h u t 删提出采用在边界上有限差分的数值模拟。 u m 和l e e p q ，y o o 和l e e t 3 6 l 在充模过程中发展了边界元方法。c h a n 和h w a n g p t , 3 s l 建议采 用基于有限元方法的数值模拟，使用四边形网格来研究等温和非等温填充情况，但是应 用只限于矩形模腔。以上这些数值方法都是建立在移动网格方案的基础上。t r o c h u 等 人发展了使用非一致性有限元法的计算机程序来模拟填充过程，在其方法的流动发展是 使用固定网格方案。这种方法无需重新生成网格，计算效率最高。 1 3 注射成型流动模拟技术的发展 注塑成型流动模拟技术的使用从根本上改变了传统的生产方式，大大提高了产品质 量，缩短了生产周期，降低了生产成本。经过二十多年的不断改进与发展，注塑成形流 动模拟技术经历了中面流技术、双面流技术、实体流技术三个重要阶段1 4 0 , 4 1 1 。 1 。3 ，1 中面流技术 中面流技术的应用始于2 0 世纪8 0 年代。基于中面流技术的注塑模拟软件应用时间 最长、范围最广，典型的有国外m o l d f l o w 公司的m f 软件、原a c - - t c c h 公司( 后被 m o l d f l o w 公司并购) 的c - - m o l d 软件，国内华中科技大学模具技术国家重点实验室的 h s c a e ，3 0 软件。 中面流技术的数值方法主要采用基于中面的有限元有限差分控制体积法。首先将 薄壁塑料制品抽象成近似的平面和曲面，称为中面，在这些中面上生成二维平面三角网 格，利用这些二维平面三角网格进行有限元计算，计算出各时间段的温度场、压力场， 同时用有限差分法计算出厚度方向上温度的变化，用控制体积法追踪流动前沿，并将最 终的分析结果在中面上显示。其模拟过程如图1 2 所示。 第一章绪论 b cd 图1 2 基于中面模型的模拟过程 a ) 3 维实体，表面模型；b ) 中面模型：c ) 中面模型网格划分；d ) 模拟结果显示 f i g 1 - 2s i m u l a t i o np r o c e s sb a s e do nt h em i d p l a n em o d e l a ) 3 - dm o d e l ；b ) m i d - p l a n em o d e l ；c ) g r i do fm i d - p l a n em o d e l ；d ) s i m u l a t i o nr e s u l t 1 3 2 双面流技术 双面流技术出现于2 0 世纪9 0 年代后期，其商品化软件的典型代表是我国华中科技 大学模具技术国家重点实验室的h s c a e3 d r f 5 0 ，称为三维真实感注塑成型流动分析 系统以及澳大利亚m o l d f l o w 公司的p a r ta d v i s o r ，称为注塑制品顾问。 双面流技术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 的表面而不是在中面产生，利用表面上的平面三角网格进行有限元分析。相应的，与基 于中面的有限差分在中面两侧f 从中性层至两模壁) 进行，不同厚度方向上的有限差分仅 在表面内侧( 从模壁至中性层) 进行。在流动过程中，上下两表面的塑料熔体同时并且协 调地流动，其模拟过程如图1 3 所示。 t bc 图1 3 基于双面流的模拟过程 3 维实体，表面模型( s t l 格式) ；b ) 表面网格划分；c ) 流动前沿显示 f i g 1 - 3s i m u l a t i o np r o c e s sb a s e do nt h ed o u b l es u r f a c ef l o w a ) 3 - dm o d e l ( s t lf o r m a t ) ；b ) g r i do fs u r f a c e ；c ) d i s p l a yo f f l o wf r o n t 但双面流技术也存在明显的缺点：由于它采用与中面流一样的2 5 维模型和简化假 设，其分析数据不完整。除了用有限差分法求解温度在壁厚方向的差异外，基本上没有 考虑物理量在厚度方向上的变化。随着塑料注塑成型工艺的发展，塑料制品的结构越来 越复杂，壁厚差异越来越大，各物理量在壁厚方向上的变化不容忽视。同时由于数据的 不完整，造成了流动模拟与冷却分析、应力分析、翘曲分析集成的困难。此外，熔体仅 沿着上下表面流动，在厚度方向上未作任何处理，与真实流动情况不符。 双面流技术只是一种从二维半数值分析向三维数值分析的过渡手段。要实现塑料注 7 华南理工人学硕士学位论文 射产品的虚拟制造，必须依靠实体流技术。 1 3 3 实体流技术 三维流动模拟是当今塑料注射成型领域中的研究热点，其技术难点多，目前还没有 真正成熟的软件问世。 实体流技术在实现原理上与中面流技术相同，但所采用的数值分析方法有较大差别。 在实体流技术中，熔体在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。 实体流技术直接利用塑料制品的三维实体信息生成三维立体网格，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。许多在2 5 维模型中不能预测的充模过程中的微观行为，如熔体前沿的 流动形态和推进方式，即“喷泉”效应在实体流技术中都可以得到很好的体现。实体流 技术完全克服了双面流技术的不足，为注塑流动全过程模拟打下了基础。 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。因此如何缩短其运行时间是 推广应用这项技术的当务之急。随着研究人员的不懈努力以及计算机硬件的飞速发展， 可以预见，基于实体流技术的三维注塑流动模拟软件会很快出现。 1 4 注射成型c a e 软件的概况 1 4 1 当前流行的注射成型c a e 软件 随着计算机图形学、数值技术的迅速发展以及人们对塑料熔体在模具中流动行为理 解的深入，从二十世纪八十年代起，注射模c a d c a e c a m 技术从实验室阶段进入实 用化阶段，出现了许多商品化软件i w 删。其主要代表有： 1 ) 美国a c t e c h 公司的注射模c a e 软件c m o l d 。该软件有三个层次。第一层次 的软件用于初始阶段的设计，如优选塑料材料、选择标准模架、预测锁模力、平衡流道 系统、优化成型时间、预定成型工艺参数、布置冷却管道、诊断注射成型中的缺陷等： 第二层次为三维流动模拟程序和三维冷却分析程序，可实现平衡流动、预测熔合线及气 穴位置、评价浇口位置及流道尺寸、获得最佳冷却效果；第三层次将流动、保压、冷却 分析合并在一起，可得到更为精确的分析结果，用于塑料制品的应力和翘曲分析。c - m o l d 软件无论是数学模型、程序编制，还是用户界面、软件接口都具有较高的水平。 2 ) 澳大利亚m o l d f l o w 公司的c a e 软件m o l d f l o w 。主要有m p a 、m p i 、m p x 三个系列模拟软件。m p a ( m o l d f l o wp l a s t i ca d v i s e r s ) 软件系列定位于“最佳塑料顾问专 家”，为塑料产品及模具设计提供最佳的c a d 整合方案：m p i ( m o l d f l o wp l a s t i cl n s i 【g h t ) 软件系列定位于“旗舰级专业模具流动分析工具”，是在原m o l d f l o wd y n a m i cs e r i e s 基 8 第一章绪论 础上发展的新一代真正结合不同业界需求的业分析软件；m p x ( m o l d f l o wp l a s t i cx p e r t ) 软件系列定位于“应用于成型机械的专家系统”，可直接配合生产现场注射机台及控制 器，将现场操作人员经验及分析结果应用至实际注射成型过程。 3 1 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 。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 wp a t t e r nl a y f l a t 、三维流动分析m e f 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 i c a ll a y o u to fm o u l d s 等。 其中的n e r m a ll a y o u t 模块通过能量平衡计算确定冷却装置的尺寸、位置，计算冷却介 质的压降，并对塑料与模具的传热系数作了较好的处理。 4 ) 美国s d r c 公司的i - d e a s 软件。该软件原来是通用的机械c a d c a m 软件， 9 0 年代初，开发出注射成形流动和冷却分析软件，并与i - d e a s 集成，推出了适合注射 模的i - d e a s ，其冷却分析软件对模具采用了三维“中面边界元法”分析，对制品采用 分层的处理方法，考虑模具、制品中、冷却介质三者间的热交换，以计算制品及模具的 温度分布。 5 ) 美国a n s y s 公司的有限元分析软件a n s y s 。a n s y s 可用来进行流场分析， 它是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。其 许多通用有限元分析程序将有限元分析、计算机图形学与优化技术相结合而形成完整的 计算机辅助分析系统。 此外，还有美国g r a f t e c k 、p r i m e c a l m a 公司、p r i m e c v 公司、意大利p & c 公司和英国的d e l t ac a m 公司的注射模设计制造软件包。 6 ) 国内在c a e 方面的研究起步较晚，从2 0 世纪8 0 年代初开始聚合物成型过程数 值模拟方面的研究，在若干关键环节上取得了不少成果。 华中科技大学模具技术国家重点实验室自行开发了国内第一个注射模g 捌c a e c a m 集成系统h s c3 d r f 5 0 ，该系统包括塑料制品三维图形输入、流动模拟、冷却分 析，型腔强度与刚度校核和模具图的设计、绘制等功能，已达到同期国外先进水平。 郑州大学橡塑模具国家工程研究中心开发了z m o l d 软件系统。该系统可以获取 诸如充填模式、熔接线和气穴位置、注射压力和胀模力大小等重要的设计参数，还可以 获得不同时刻、不同位置模具内的温度、压力、剪切速率等物理量的变化与分布，可以 分析保压工艺是否合理，冷却系统设计是否满足要求等。 大连理工大学在大型结构分析有限元程序j i f e x 的基础上，添加了可对注塑件的翘 曲变形进行分析的模块，通过残余应力计算和变形量计算实现了对注射件翘曲变形的模 拟：北京航空航天大学研制的注射模c a d c a e c a m 系统具有线框造型、曲面造型、 分析模拟和数控仿真与数控加工程序生成等功能；上海交通大学引入人工智能技术，开 发出集成化注射模c a d 系统。 另外华南理工大学、四川大学、合肥工业大学、北京化工大学、浙江大学等在注射 模c a e 研究方面都作了很多研究工作，取得了不少研究成果。目前，国内软件在流动、 9 华南理工大学硕士学位论文 保压、冷却等方面基本实现了国外同类软件的功能，但在计算结果精度及算法效率上还 有待进一步提高。 1 4 2 注塑c a e 的构成 目前，常用的注塑c a e 软件的结构如图1 - 4 所示，按注射成型工艺过程的特点， 分为流动、保压、冷却、残余应力及翘曲分析等模块。为了进行模拟计算，需要有前后 处理软件。前处理主要完成分析模块的数据准备，用来进行分析对象的形状定义、边界 条件的确定及网格离散；后处理主要完成计算结果的图形显示，以便让用户直观了解分 析结果。 1 4 3m o l d f l o w 的组成 m o l d f l o w 公司是注塑成型分析软件方面的旗手。其于1 9 7 8 年推出世界上第一套商 品化的c a e 软件m o l d f l o w ，主要有m p a 、m p i 和m p x 三个系列模拟软件。 m p a ( m o l d f l o wp l a s t i c a d v i s e r s ) 软件系列定位于“最佳塑料顾问专家”，为塑料产品 及模具设计提供最佳的c a d 整合方案；m p l ( m o l d f l o w p l a s t i c i n s i g h t ) 软件系列定位于“旗 图1 4 常用注塑c a e 软件的结构图 f i g 1 - 4t h ef l o wc h a r to f c o m m o nc a e s o f t w a r e 舰级专业模具流动分析工具”，是在原m o l d f l o wd y n a m i cs e r i e s 基础上发展的新一代真 正结合不同业界需求的业分析软件：m p x ( m o l d f l o w p l a s t i c x p e r t ) 软件系列定位于“应用 于成型机械的专家系统”，可直接配合生产现场注射机台及控制器，将现场操作人员经 验及分析结果应用至实际注射成型过程。 第一章绪论 1 、4 4m o l d f l o w m p i 软件简介 m p i ( m o l d f l o w p l a s t i c s i n s i g l l t ) 是一个专门用于模拟塑料注射成型过程的产品系列， 由一个公共组分m p i s y n e r g y 和一套分析产品组成，可以提供对塑料注射成型不同方 面的分析。m p i 由以下分析功能模块组成： m f f l o w 流动充填分析：熔体流动充填保压； m f ，c 0 0 l 模具冷却分析：模具冷却水道及温度变化； m f w a r p 翘曲变形分析：不同因素引起的变形翘曲预测； m f f i b e r 玻纤取向分析：内含玻璃纤维的流动形态及强度影响； m f s t r e s s 制品残余应力分析：制品线性及非线性应力应变分析； m f g a s 气辅中空成型分析：结合流动冷却的中空气辅成型： m f o p t i m 最佳化成型分析：最佳成型条件分析； m f c o i n j e c t i o n 共注射成型分析 m f i n j e c t i o n c o m p r e s s i o n 注射压缩模塑分析 m f r e a c t i v e m o l d i n g 反应注射成型分析 m f m i c m c h i pe n c a p s u l a t i o ni c 封装分析 m f u n d e r f i l le n c a p s u l a t i o n 未充满封装分析 与m p a 、m p x 相比较，m p i 系列软件与注射熔体充模流动行为的模型研究和相关 数值模拟算法的发展联系最为紧密，而且其提供的各个分析功能决定了具有实际的工程 预测价值。 m p i 在进行熔体充模流动分析时，采用的是基于粘性流体模型描述的控制方程( 用 偏微分形式表达) ，塑料熔体的粘度性质选用五参数c r o s s 模型，数值算法应用双面流技 术，即在流动平面( x 、y 轴方向) 上用有限元法和模腔厚度( z 轴方向) 上用有限差 分法的耦合，得到压力场、温度场等场函数的数值结果。由于注塑制品大多为薄壁产品， 使这种有限元有限差分耦合算法具有可行性。从数值方法来说，克服了进行完全基于有 限元法最终求解的总体刚度矩阵的奇异性。所以有限元有限差分耦合法成为当今注射成 型充模流动模拟的主流算法，为各商业化注射软件所普遍采用。 1 5 本文的工作及其意义 本文的研究工作主要包括以下几部分： 1 、详细介绍了对塑料注射成型充模过程研究的发展，并分别详细介绍前人对粘弹 模型、三维流动及前沿面位置的确定这几个充模过程模拟重点的研究，详述注射成型流 动模拟技术的发展及目前流行的c a e 分析软件，分析了一般c a e 软件的构成； 2 、详细阐述了塑料注射成型熔体的充模机理、各注射参数之问的相互关系及其对 注射充模过程的影响；