（材料加工工程专业论文）面向注塑模cae的特征造型、变密度网格划分及中面抽取.pdf

摘要 摘要 针对注塑模c a e 技术实用化中急需解决的关键问题，重点研究了注塑模中面 模型的特征造型、中面模型的自适应变密度网格生成及实体模型向中面模型的自 动转化技术，并将其集成到注塑模c a e 软件，初步实现c a d c a e c a m 软件的无缝 拼接，使c a e 软件更方便、更快捷，为实现c a e 技术的集成化和智能化奠定必要 的基础。主要工作包括： ( 1 ) 通过形体的特征分类及其相互之间的联系，给出了基于特征的注塑模中 面模型造型方法。此模型集成了中面模型的造型信息、网格划分信息和数值模拟 计算有关的几何信息，从而实现了中面模型造型和有限元网格划分一体化，使得 中面模型的造型、网格划分及其修改更加方便、快捷。 ( 2 ) 对于任意平面区域，基于推进波前法，通过引入新的网格尺寸动态控 制方法，提出了高质量变密度三角形网格的生成方法。本算法生成的三角形质量 高，并且能保证不同尺寸三角形的光滑过渡。对于平面区域，只要给定点、线或 者某个区域的网格划分尺寸，系统会自适应生成疏密光滑过渡的变密度网格。 ( 3 ) 对于曲面区域，给出了利用参数域生成均匀网格和变密度三角形网格 的方法。从网格划分实例来看，本算法生成的三角形质量好，计算效率高，且算 法简单有效，适合大部分曲面的三角形网格划分，从而可满足一般情况下有限元 计算的需要。 ( 4 ) 基于商用c a d 软件生成的用s t l 文件表示的薄壁注塑件实体模型， 给出了表面有限元网格模型的生成方法。该方法生成了质量较高的表面三角形网 格，一方面可直接用于双面流动分析，另一方面，在此基础上抽取中面网格模型 用于中面流动模拟分析。 ( 5 ) 基于实体的表面网格模型，提出了中面模型的抽取方法，生成中面网 格模型供注塑模流动模拟分析用。采用该技术可以直接利用c a d 生成的实体模 型进行中面流动分析，初步实现了商用c a d 软件和注塑模c a e 软件的无缝拼接。 ( 6 ) 针对基于中面模型的注射模c a e 模拟分析结果，给出了利用彩色等值 线图、彩色云图以及计算机动画显示网格模型及计算结果数据场的可视化方法， 对于更好地理解和处理注射成型数值模拟计算产生的大量数据，分析成型过程中 各种物理量的分布特征提供了一个形象直观的方法。 关键词：注塑模c a e ，中面模型，特征造型，变密度网格划分，中面抽取，数据 场可视化 塑塑! 查兰堕主兰篁笙塞 一一 a b s t r a c t i no r d e rt os o l v es o m ek e yp r o b l e m sf o ru s i n gp l a s t i c si n j e c t i o nm o l dc a e t e c h n i q u e s ，t h er e s e a r c ho f f e a t u r e - b a s e dm o d e l i n g ，g r a d e dm e s h i n g ，a n dm i d - p l a n e m o d e le x t r a c t i o na r es t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e s ew o r kh a v eb e e np r o g r a m m e d a n di n t e g r a t e di n t oa p l a s t i c si n j e c t i o nm o l dc a e s o f t w a r e ，w h i c hm a k e st h eu s i n g o fc a es o f t w a r ec o n v e n i e n ta n df a s t t h em a i nr e s u l t si sf o l l o w i n g ： ( 1 ) am e t h o do ff e a t u r e b a s e dm i d - p l a n em o d e l i n gi sp r o p o s e db ym e a n so f f e a t u r ec l a s s i f i c a t i o n t h i sm o d e li n c l u d e st h ei n f o r m a t i o na b o u tg e o m e t r i cm o d e l i n g ， m e s h i n g ，a n ds i m u l a t i o n ，w h i c hp u tm i d - p l a n e m o d e la n df e m m e s h i n g i n t oab o d y 。 i tm a k e s m i d p l a r l em o d e l i n g ，m e s h i n g ，a n dc o r r e c t i o nt ot h em o d e l m o r ec o n v e n i e n t a n df a s t e r ( 2 ) t h ea d v a n c i n g f r o n tm e t h o di sa d o p t e dt og e n e r a t eg r a d e dm e s ho n a r b i t r a r y p l a n eu s i n gan e w m e s hs i z ed y n a m i c a l l yc o n t r o l l i n gm e t h o d t h er e s u l tt r i a n g l e s h a v e h i g h e rq u a l i t ya n d s m o o t ht r a n s i t i o nt od i f f e r e n ts i z e s i f t h em e s hs i z ea to n e p o i n t ，o n e l i n e s e g m e n t ，o r o n e r e g i o n i s d e f i n e d ，t h ep r o g r a mw i l lg e n e r a t e a u t o m a t i c a l l y a t r i a n g u l a t i o ni sf i n i s h e do n ap a r a m e t r i cf i e l df o rac u r v e dr e g i o n ，a n d ag r a d e dm e s hc a r lb eg e n e r a t e df o rs o m e o r d i n a r y o n e s ( 3 ) am e t h o d sf o rg e n e r a t i n gu n i f o r mm e s ha n dg r a d e dm e s h i sp r o p o s e do na p a r a m e t r i cf i e l df o rs o m ec u r v e dr e g i o n s ，t h i sm e t h o di se f f i c i e n ta n dt h er e s u l t a n t t r i a n g l e sh a v eg o o dq u a l i t y b e c a u s et h em e t h o d s a r es u i t ef o rm a n yc u r v e dr e g i o n s ，i t c a nm e e tt h er e q u i r e m e n to f f e m c o m p u t a t i o n i no r d i n a r yo c c a s i o n s ( 4 ) b a s e do n as t lf i l eo f t h i n w a l lp a r t ，w h i c hc a nb e p r o d u c e db ya l m o s te a c h c o m m e r c i a lc a ds o f t w a r e ，a na l g o r i t h mi s p r o p o s e df o rm i d p l a n em e s hm o d e l e x t r a c t i o n b yt h i st e c h n i q u e ，ah i g h e rq u a l i t a t i v es u r f a c et r i a n g l em e s hs u i t e df o r f e mi sa t t a i n e da f t e rr e m e s h i n g n o to n l yt h em e s hc a nb eu s e dt ot w o - d o m a i n f l o w i n ga n a l y s i s ，b u ta l s ou s e dt o e x t r a c tt h em i d - p l a n em o d e lf o rt h em i d - p l a n e f l o w i n gs i m u l a t i o n ( 5 ) b a s e d t h es u r f a c em e s ho fas o l i d ，am i d - p l a n em o d e li se x t r a c t e d w h i c hi ss u i t e df o rp l a s t i ci n j e c t i o ns i m u l a t i o n b yt h i st e c h n i q u eas o l i dm o d e lo u to f c a ds o f t w a r ei sd i r e c t l yu s e dt of l o wa n a l y s i s ，w h i c hm a k e si tp o s s i b l et oi n t e g r a t e c a e 、v i m c a d ( 6 ) av i s u a l i z a t i o nm e t h o di sp r o p o s e dt o d i s p l a y t h em e s hm o d e la n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t a n td a t af i e l d so f p l a s t i c si n j e c t i o nm o l dc a e ，w h i c hi n c l u d ec o l o r l l a b s t r a c t i s o g r a r n s ，c o l o rn e p h o g r a ma n dc o m p u t e rc a r t o o n t h e s ep r o v i d es o m ev a l i dt o o l st o b e t t e ru n d e r s t a n d i n ga g r e a td e a lo f d a t aw h i c hc o m e sf r o mf e m c o m p u t a t i o n k e yw o r d s ：p l a s t i c si n j e c t i o nm o l dc a e ，m i d - p l a n em o d e l ，f e a t u r e b a s e d m o d e l i n g ，g r a d e dm e s h i n g ，m i d p l a n ee x t r a c t i o n , d a t av i s u a l i z a t i o n i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 注塑模c a e 技术研究现状 计算机辅助工程( c a e ) 的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并 进行计算机仿真分析。一方面，c a e 技术的应用，使许多过去受条件限制无 法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答：另一方面，计算机辅 助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的 时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。在产品的设计、分 析、新产品的开发等方面发挥了重要作用，同时c a e 这一新兴的数值模拟分析 技术在国内外得到了迅猛发展，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用 科学的进步。 1 1 1 注塑模c a e 基本理论 在模具工业领域，精密、复杂模具的设计和制造是个富有挑战性的工作。 尤其在竞争日益激烈的今天，快速地设计和制造满足市场需求产品的能力事关一 个企业的兴衰成败。传统的注射模设计开发是以尝试法完成的，模具需要经过反 复的调试修正才能正式投产，这实际上是一种实验方法。数值模拟应该理解为用 计算机来做实验，通过计算将计算结果显示出来，使人们通过视觉从计算机看到 熔体在模腔内的流动行为，包括流动状态、压力分布、温度分布及其随时间的变 化等1 2 】。注射成型数值模拟包括以下几个步骤：第一步，建立反映注射成型过程 本质的数学模型。第二步，确定高效率、高精确度的算法。第三步，编制程序和 进行计算。第四步，显示分析结果。第五步，对结果进行评估，给出建设性意见。 注射成型数值模拟具有耗费少、时间短、省人力等优点，便于优化设计，比 实验室修模更自由灵活，并且还能对实验难以测试的量做出估计。同时，数值模 拟还具有很好的重复性，条件易于控制，在模具投入制造之前，运用数值模拟技 术对注射成型的充填流动、保压、冷却进行分析，可以评估产品的成型加工性、 优化模具结构与成型工艺参数、预测应力与翘曲变形等，其应用效果是显而易见 的。 c a e 技术的核心内容是计算机模拟与仿真，它是c a d 技术的深化与发展， 随着相关领域的发展，现行的c a e 技术正日益成熟。注塑模c a e 技术是根据 塑料加工流变学、传热学、计算力学及计算机图形学等基本理论，建立塑料成型 过程的数学和物理模型，构造有效的数值计算方法，实现成型过程的动态仿真分 析，并形象的模拟出实际成型过程中熔体的动态流动、冷却及保压过程，预测设 计中的潜在缺陷。使用注塑模c a e 软件，可使设计人员利用计算机模拟功能对 郑州大学博士学位论文 初步设计构思进行模拟，发现问题立即修改设计，直至整个注塑成型过程满意为 止。它改变了传统的设计方法，缩短了模具设计制造周期，从而降低成本，提高 产品的质量。 在注射模c a e 技术中，可作充模流动、保压、冷却及翘曲变形等分析。充 模流动分析口，4 】主要可以完成以下工作：优化浇注系统，包括在平衡流动的基础 上确定合理的流道尺寸、分布及最佳的浇口数量、位置和形状；优化注射工艺参 数；流动前沿的分析；熔接线和气穴位置的分析；压力场、温度场和速度场的分 析等。 保压过程在充模完成之后，通过压力的保持将额外的熔体压入模具内以弥补 由于冷却而引起的收缩。保压分析主要研究熔体的p v t 行为，考察由密度差异 引起的熔体内部运动扣j 。保压分析主要用于预测熔体在型腔补料与压实过程的压 力场、温度场，计算体积收缩和型腔壁剪切应力及密度变化的情况。 冷却分析主要是利用热力学原理和有限元及有限差分、边界元等数值方法对 塑料的冷却系统进行分析扣】，计算冷却回路的热效率，优化冷却回路的布置及 结构尺寸，缩短冷却循环时间，避免过热点，减少塑件的残余应力和变形。 翘曲变形分析是应用力学的基本原理及有限元、有限差分等数值算法，计算 塑件的成型尺寸及变形量r “9 1 。 由于模具设计生产企业多属中小企业，c a e 软件并非其核心业务，但应用c a e 软件对提高产品质量、减少试修模费用与时间具有十分重要的意义，企业应用 c a e 技术势在必行。模具设计的过程一般是这样的：从用户那里接到塑料制品图 ( 可能是二维的，也可能是三维的) ，模具设计工程师根据产品的类型、特点以及 形状考虑采用合适的结构进行设计，即采用什么样的模具结构可以成型出该塑料 件。在此过程中，结构设计工程师还要根据制品的某些特定要求结合自己的经验 选择流道类型、尺寸，浇口类型、数量、尺寸、位置并确定分流道的数量、尺寸 等，以保证所设计的模具除了结构上合理外，在浇注和冷却系统方面也是可行的。 显然，模具设计对于结构设计工程师的要求是十分高的。他不仅要具有结构 设计的经验，还要具有成型材料、成型工艺方面的诸多知识，或者说，设计的成 败在很大程度上依赖于模具设计者的经验。即使一个设计工程师具有很好的模具 设计经验，但是他仍然面临许多新的问题，因为实际中的产品往往是千变万化的。 有时候一个细微的变化或者特定的产品要求可能使得已有经验不可用，或者即使 可用但在实际试模之前，也无法进行有效的验证。因此，模具设计过程是一个从 设计到修改再回到设计的不断重复的过程，如何有效地减少循环次数，使设计能 尽快地满足用户需要，是模具设计工作的迫切需要【2 】。 c a e 分析正是解决上述问题的理想工具。原因是：该工具建立在相对准确的 第1 章绪论 数学模型基础之上，从而可以近似获得实际指导生产实践的结果，此外，计算的 快捷性使得在实际试模前，可以对于多个浇注系统和冷却系统进行评估直至优 化，从而达到缩短设计和制造周期，提高质量的目的。 总而言之，模具行业是一个高新技术密集型，而且又重视经验的产业。特别 是随着近代工业的飞速发展，塑料制品用途日益广泛，注塑模具工艺空前发展， 依靠人工经验来设计模具已经不能满足需要，企业越来越多地利用注塑模c a e 分析技术来辅助塑料模具的设计。利用此类c a e 软件，设计人员可以仿真出塑 料成型过程中的充填、保压、冷却及脱模后的翘曲变形等过程，准确预测塑料熔 胶在模腔内的流动状况，温度、压力、剪切应力、体积收缩等变量在整个充填过 程中某瞬间的分布情况。利用注塑模流动分析技术，能预先分析模具设计的合理 性，减少试模次数，加快产品研发，提高企业效率。 1 1 2 注塑模0 a e 软件的组成 现行的注塑模c a e 软件所包含的软件模块主要有： ( 1 ) 前置处理模块。主要功能是几何造型、网格划分等。 ( 2 ) 有限元分析模块。主要包括流动、保压、冷却、翘曲等分析程序，以及 材料数据库、工艺及加工条件数据库等。 ( 3 ) 后置处理模块。主要包括数值模拟结果数据场的等值线、云图以及动画 充填模拟等的生成程序。 ( 4 ) 用户界面。主要包括窗口、菜单、工具条、对话框等。 影响有限元法在实践中应用的主要因素是有限元前、后置处理功能强大与 否。有限元的前置处理包括：建立几何模型，选择所采用的单元类型，单元的划 分，确定各节点和单元的编号及坐标，确定载荷类型、边界条件、材料性质等。 这些工作不但繁琐、费时，也容易产生错误。所以，一个好的有限元分析程序应 能够自动地或在人的控制下完成这些工作。其中最重要的是网格划分，在划分完 网格后，应将结果显示出来，以供操作者检查其正确性。如果操作者认为有必要 修改，系统应能够提供修改功能，并能对修改后的网格划分的有效性进行检查， 指出错误所在。在进行有限元网格划分时，网格划分的密度是个重要的问题，太 密则会大大增加计算时间，但计算精度却不会成比例地增加。因此，存在一个最 佳网格密度问题，这个问题往往需要多年工作经验的积累。如果前置处理程序能 够自动确定网格密度，对节省机时的意义非常大。另外，在网格划分时，对应力 集中采用局部网格加密的办法是十分必要的。 在有限元分析结束后，由于节点数目非常多，输出的数据量非常大。如果 靠人工来分析这些数据，不仅工作量巨大，容易出错，而且也很不直观。所以， 郑州大学博士学位论文 一个优秀的有限元分析程序都有一个后置处理器来自动处理分析结果，并根据操 作者的要求以各种方式将结果显示出来。例如，它可以显示在载荷作用下零件的 变形，零件各部分的应力、应变或温度场的分布等情况。 11 3 注塑模0 a e 常用数值模拟算法研究现状 有限元分析技术是最重要的工程分析技术之一。它广泛应用于弹塑性力学、 断裂力学、流体力学、热传导等领域。注塑模c a e 更是把有限元方法作为最主 要的数值算法。目前，有限元法仍在不断发展，理论上不断完善，各种有限元分 析程序包的功能越来越强大，使用越来越方便。 有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复 杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。 由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。这种方 法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情 况无限接近的解。有限元方法的基本理论要用到数学、力学方面的各种知识。 在采用有限元法对结构进行分析计算时，依据分析对象的不同，采用的单 元类型也不同，常见的有以下几种单元： ( 1 ) 杆、梁单元。这是最简单的一维单元，单元内任意点的变形和应力由 沿轴线的坐标确定。 ( 2 ) 板单元。这类单元内任意点的变形和应力由x y 两个坐标确定，这是 应用最广泛的基本单元，有三角形单元和矩形板单元。 ( 3 ) 多面体单元。它可分为四面体单元和六面体单元。 ( 4 ) 薄壳单元，这是由曲面离散而成的壳单元。 现有注塑模c a e 常用数值模拟有以下几种： ( 1 ) 中面流动分析 中面流动分析技术 10 ”】是传统技术，称为2 5 d 分析技术。该分析理论基于 h e l e s h a w 流动【h 】理论。其原理是将3 d 几何模型简化成2 5 d 中间面几何模型，简 称为中面模型，利用所建立的中间面进行流动分析，即以平面流动来仿真三维实 体流动。此技术假设塑件为薄壁件，即塑件尺寸与壁厚比在1 0 以上，因此与平 面流动相比较而言，塑料在壁厚方向的流动可以忽略，故可利用薄壁假设将计算 模型予以简化。该理论模型在应用时须将几何模型的实体简化成以厚度作为单元 属性的中面薄壁模型，因此称为2 5 d 模型。 此分析技术发展至今已相当成熟稳定，其优点为分析速度快、效率高，且对 于大部分塑料件流动分析皆可得出准确的结果，特别是塑料薄壁件。因此广为人 们所使用，目前是所有注塑模c a e 软件都提供的主要技术手段。虽然这种分析 4 第1 章绪论 技术受到相当肯定，但由于受到分析理论的限制，仍然存在许多缺点，影响分析 的精确度与效率，如中面几何模型不容易生成，造成造型困难，以及不适应厚壁 塑料件的流动模拟等。 ( 2 ) 双面流动分析技术 双面流动分析技术【l 1 6 是近年来发展起来的，它采用实体的表面网格作为分 析模型，同时于两侧进行流动分析。此方法可采用通用c a d 软件建立的几何模 型经网格划分后进行流动分析，免除了用户专门建立2 5 d 中间面几何模型的麻 烦，进一步，其数据场的后置处理也更具真实感。但它和中面分析技术一样，只 适合于薄壁件的流动分析，也不适合厚壁件的流动分析。 ( 3 ) 真三维实体流动分析 真三维实体流动分析技术1 8 1 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模型进行流动分析。与中面流动分析或双面流 动分析相比，由于其控制方程要复杂得多，相应的求解过程也复杂得多，虽然既 适合于薄壁件也适合于厚壁件，但计算量大、计算时间过长。而且在薄壁件应用 时，如果网格质量差会引起数值收敛性问题。这是基于实体流动的注塑模c a e 软件目前所存在的最大问题。 3 d 实体流动模拟分析技术具有不需简化模型从而可以提高预测准确性的优 点，但3 d 的计算量大，计算稳定性较差，而2 5 d 薄壁中面模型具有计算快速 及预测结果准确性高的特点，非常适合薄壁注塑制品的流动模拟分析。由于8 0 以上的塑件均属于薄壁结构，它们大半可利用2 5 d 流动分析取得准确的预测。 因此，2 5 d 流动模拟方法仍为注射成型流动模拟分析的重要方法；而3 d 流动 分析在应用上应是弥 b 2 5 d 计算的不足。如何提高3 d 流动模拟技术的可靠性 以及计算效率，并与2 5 d 流动模拟分析技术有机的结合，以两者之长互补其短， 是注射成型c a e 技术研究的发展方向。 其中，从注塑制品或型腔的实体几何模型中抽取中性面，得到用壳单元和梁 单元表示的中面模型，以及由c a d 模型向c a e 模型转换并得到高质量网格划分 的注塑模c a e 前置处理技术是进行注射成型c a e 分析和计算的关键技术。 1 1 4 前置处理技术 前置处理的实现方法主要包括： ( 1 ) 三维造型采用自己开发的软件系统，并在此基础上进行网格划分。这类 前处理方法的优点是成本低，用户不需购买额外的c a d 造型软件，网格划分准确 可靠；缺点是造型过程中用户操作繁琐，界面不直观，造型功能也比商品化的 c a d 软件差。因此这种方法很难建造复杂的模型，目前采用此种方法的c a e 系统 郑州大学博士学位论文 己越来越少。 ( 2 1 利用商品化的c a d 软件造型，自己二次开发接口软件进行网格划分。此 方法的优点易于被用户接受，而且应用广泛，用户基础较好，容易掌握。缺点是 只能选择对二次开发提供支持的软件。 ( 3 ) 用中、高档的c a d 软件系统造型，利用系统提供的接口文件获得几何模 型，然后将模型输入自己开发的网格划分软件进行网格划分。随着计算机技术的 飞速发展，基于工作站及微机的中、高档三维造型系统，如s o l i d w o r k s 、p r o e n g n e e r 、u g 、i - d e a s 、c a d d s 5 、e u c l i d 等大量涌现，这些三维造型系 统的造型功能强大，而且界面友好，使用方便，因而用户数量逐步增长。他们提 供的接口文件类型很多，如s t e p ，i g e s ，a c i s ，s t l ，d x f 等。 目前，利用接口技术生成基于2 5 d 流动模型的有限元网格是当今研究的热 点，主要工作包括： ( 1 ) 表面网格生成技术 此类技术直接读入3 d 实体模型，如s t l 模型( 应用于快速原型技术的一类 c a d 文档格式) ，利用表面网格即可进行分析。此类技术在概念上应用有限元法， 将塑件的两个对应面找出来，以两个薄壳面及半厚度近似原有实体模型，这种以 厚度为属性的c a e 网格技术将大幅缩短构造c a e 分析模型的时间，使注射成型 流动模拟技术的实现更为可行，目前已有将此技术延伸至冷却及翘曲分析的研 究。但此类技术以表面流动取代真实的3 d 流动，以概略的厚度来近似真实塑件 厚度，对于壁厚变化较大产品的误差，以及应力计算的适用性，仍有相当大的研 究讨论空间。 ( 2 ) 中面抽取技术 将c a d 产生的薄壁实体模型以自动或半自动的方式转换成进行c a e 分析 所需的中面模型。也就是说，从实体模型中抽取出中性面，并确定面的厚度，然 后进行中面流动分析。 1 1 5 后置处理技术 随着计算机辅助设计和制造技术的日趋成熟，设计人员迫切需要一种对所做 的设计进行精确评价和分析的工具，而不再仅仅依靠以往积累的经验和知识去估 计。鉴于这种目的，人们希望将工程领域里广泛应用的有限元分析方法与c a d 技术相集成，共同实现“设计一评价一再设计”任务的自动化，以提高设计的精确 程度和效率。但在c a d 与有限元分析技术的集成中，目前存在的主要困难是： 一是如何实现从几何模型到有限元分析模型的自动转换；二是如何从有限元分析 的结果出发评价和修改设计。在以往的工作中，必须花费大量的时间和精力去建 第1 章绪论 立分析模型。产生一个分析模型总是要经过几何模型简化、网格划分、载荷和约 束的定义、材料定义等步骤。而这种模型抽象化的过程常常要依赖于有经验的分 析人员。因此，有必要将先前积累的知识和经验加入到c a d 与有限元分析集成 系统中，在“机器专家”的指导下，自动完成有限元分析模型的建立。分析和解释 有限元计算结果以及评价和修改设计也是一项繁琐的工作。目前，各种有限元分 析软件的后处理器充分发挥了优异的图形图像功能，以等值线、云图、动画、图 表、表格等方式来表现分析结果。 1 1 6 注塑模c a d c a e c a m 的系统集成 现代模具工业正逐步成为国民经济的主要行业。各模具厂都广泛采用新技 术，竞争非常激烈。模具型腔形状和模具结构越来越复杂，模具精度要求越来越 高，生产周期要求越来越短。为了适应这种发展趋势，塑料模具设计与制造就必 须采用c a d c a e c a m 技术 1 9 2 0 1 ，而三者之间的有效集成是关键因素之一。因 此，注塑模c a d c a e c a m 技术的集成化、一体化是当前国内外注塑成型数值模 拟技术研究的热点之一。而特征造型是特征技术在设计阶段的具体应用，它被认 为是解决c a d c a e c a m 接口问题的关键技术2 1 ，2 2 1 。在模具设计和制造中采用 c a d c a e c a m 技术，可以缩短设计和制造周期，降低生产成本，提高模具质量， 使模具设计人员从繁琐的计算和绘图中解放出来，从事更具创造性的工作。尤其 是基于知识的智能化模具c a d 技术【2 3 矗5 1 更是极大地方便了设计工作。目前，塑 料模具设计、制造一般都采用通用机械的c a d c a m 软件与专用塑料模具c a e 软 件相结合的方法，因此三者的有效结合对模具设计工作具有重要意义。 1 2 注塑模c a e 相关技术研究现状 本文所谓的注塑模c a e 相关技术指的是与其前置处理和后置处理有关的通 用图形图象处理技术，包括几何造型( c a d 技术的主要组成部分) 、网格划分、 网格简化和科学计算可视化技术等。 1 2 1 注塑模c a d 技术 注塑模c a d 一般是基于通用c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 软件进行二次开 发而成，因此通用c a d 技术的发展基本上反映了注塑模c a d 的发展状况。从 通用c a d 技术的发展历程来看，大致可分为电子绘图技术、曲面造型技术、实 体造型技术三个发展阶段。电子绘图技术属于二维计算机绘图技术，是用传统的 三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，其代表性软件有a u t o c a d 和c a x a 等。曲面造型技术是为了解决制造业中遇到的大量自由曲面问题而发 展起来的。它是以计算机辅助几何设计c a g d ( c o m p u t e r a i d e dg e o m e t r i cd e s i g n l 郑州大学博士学位论文 作为理论基础，重点解决工业产品的形状设计问题( 2 “。曲线曲面造型技术主要包 括以下几种【2 7 】：弗格森( f e r g u s o n ) l 柱l 面、孔斯( c o o n s ) 曲面、贝赛尔( b e z i e r ) 面、 b 样条曲面和n u r b s 曲面，如采用贝赛尔( b e z i e r ) 曲面造型技术开发的三维曲面 造型系统c a t i a 。实体造型技术主要是为了适应c a e 计算的需要而发展起来的。 利用实体造型技术可以准确表达产品的物理特征，如体积、质量、重心、惯性矩 等。目前，随着实体特征造型技术1 2 8 】和实体参数化造型技术1 2 9 】的出现，使得零 部件设计更加简单易行，准确可靠。先进实体造型软件的主要特点是基于特征、 全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动等。实体造型的代表性软件有i - d e a s ， c a d d s 5 ，p r o e n g i n e e r ，s o l i e d g e 等。 随着计算机技术在模具制造业的不断应用，模具的设计和制造正从经验型、 传统型向科学型、定量分析与处理以及自动化方向发展【3 0 j 。模具图的生成与处理 是模具设计工作的重要内容之一，传统的模具图大部分是二维平面图，但用二维 图形来描述三维空间的模具，可视性差，缺乏立体感，不容易理解，而且难于向 非专业人员展示自己的设计，因此迫切需要建立三维实体模型。随着特征概念的 引入和信息技术的发展，模具产品造型进入了面向特征的阶段，基于特征的造型 方法可以有效地描述模具设计活动所需要的局部信息，同时能较好地模拟模具的 形态，特征模型一旦形成，可以任意剖切、投影，可以在任意角度观察实体，制 作三维工程图，从而可大大提高模具设计的速度和质量。因此，研制实用的模具 三维实体模型造型方法是当前模具c a d 发展的主流。 传统的造型技术是以几何造型为基础的，如构造几何法( c s g ) 、参数化方法 或约束方法。这些造型方法能获得浇注系统、冷却系统、模具结构方案、注射工 艺条件等初始数据，为成功地实施注射创造良好的条件，但一般都是建立在二维 模具设计平台之上，流动过程模拟数学模型仍然是二维模型，只是记录了零件的 点、线、面及它们之间的拓扑关系，而对c a m 系统中所需的零件结构形状、材 料、精度等信息却无法描述【3 们。特征造型技术能从根本上解决上述问题，该技术 把低层次的几何信息和高层次的工艺信息融为一体，可随时定义实体的特征，为 c a d c a m 信息的真正集成提供了保证，并为进一步实现智能化的集成系统创造 了良好的条件。 当前c a d 与c a e 还是相对独立的两个部分，虽然目前的商用软件对这个 难题做出了各自的改进工作，但总的来说问题还没有根本的解决，存在诸多困难， c a e 的能力并未充分发挥。由于注塑件大多属于厚度均匀的薄壁零件，故其实 体几何形状可以用一张具有厚度属性的曲面来表示。在注塑件的有限元分析中， 常用中面来代替实体模型进行网格划分和分析计算。所以，注塑件的中面在造型 和分析中都非常重要。现有的c a d 造型系统中，由于不是专门针对注塑件等薄 第1 章绪论 壁零件进行系统功能开发，所以中面信息常常在零件造型完成之后丢失，给注塑 件c a d 与c a e 的集成带来困难。本文将中面作为注塑件几何模型的核心，着 重通过对基于中面表示的注塑件特征几何拓扑结构模型和基于中面表示的形状 特征组合操作等关键技术的研究，论述实现基于中面表示的注塑件特征造型技 术。 对有限元计算结果做出分析之后，就可以对模具的设计进行评价和修改。在 特征造型的基础上，对模具的修改就等同于对特征的修改，包括几何形状的修改 和非几何形状的修改。例如，通过分析发现某圆角特征处产生应力集中，这将引 导系统对该圆角设计特征进行修改，这样通过特征这个载体自动建立起c a d 与 c a e 之间的双向信息反馈。概括起来，基于特征的修改措施有： ( 1 ) 删除几何特征； ( 2 ) 增添几何特征； ( 3 ) 修改几何特征的参数( a 括定形和定位参数) ； ( 4 ) 改变材料特征； ( 5 ) 修改分析特征； 特征造型是几何造型技术的自然延伸，它是从工程的角度，对形体的各个组 成部分及其特征定义，使所描述的形体信息更具工程意义。特征模型既包含了低 层几何信息，又能为下游的加工、分析提供高层语义信息。因此，实现c a d 特 征造型与有限元数值计算技术的集成，既是技术上的需要，也是集成发展的方向。 扩充c a e 软件的功能，提高其性能，是c a e 软件求得生存和发展的根本。 其主要发展变化会体现在以下方面，即真三维图形处理与虚拟现实技术、并行的 c a d c a e c a m 系统及网络化。 1 2 2 网格划分 有限元方法现已成为工程领域数值分析的重要工具，被广泛应用于电磁场计 算、流场计算、力学计算等诸多领域，其中网格生成是实现有限元计算方法的先 决条件。对于尺寸很大或几何形状复杂的计算域，建构一个有效的网格是一项费 时、烦琐、甚至极其困难的工作。网格自动生成技术不但节省了大量的时间，而 且减少了差错，带来了计算的高效性和可靠性。 有限元网格划分技术随着有限元技术的发展而发展。最早的有限元网格自动 划分出现于2 0 世纪7 0 年代初1 3 l 。3 3 1 ，网格自动划分一直是国内外有限元研究和应 用的热点，也产生了很多不同的算法。对于平面域而言，现有的三角形网格生成 算法大致可分为以下几类： ( 1 ) 映射法 9 郑州大学博士学位论文 映射法f 3 4 。6 1 的基本思想是：根据形体边界的参数方程，利用映射函数，把 参数空间内单元正方形或单元三角形( 对于三维问题是单元立方体或单元四面体) 的网格映射到欧氏空间，从而生成实际的网格。这种方法的主要步骤是，首先人 为地把分析域分成一个个简单可映射的子域，每个子域为三角形或四边形，然后 根据网格密度的需要，定义每个予域边界上的节点数，再根据这些信息，利用映 射函数划分网格。映射法由于概念明确，方法简单，单元性能较好，对规则均一 的区域，适用性很强。但该法不是完全面向几何特征的，难于完成自动化。 ( 2 ) d e l a u n a y 三角化法 许多三角划分方法都是首先在分析域内产生节点，然后连接这些节点形成三 角划分网格。就有限元分析而言，d e l a u n a y 三角划分是最佳的。d e l a u n a y z 角化 最基本的特性，在2 d 物体中，就是尽可能产生等边三角形。最流行的一种d e l a u n a y 三角划分网格是根据单元外接圆内不包含其它点的准则，即空外接圆法来生成三 角形网格的m 3 8 1 。此外，还有生成d e l a u n a y 三角形的v o r o n o i 图法 39 1 ，以及对角 线交换算法1 4 们。从边界约束情况来看，又可分为离散点集的d e l a u n a y 算法h 1 ，4 2 】 和约束d e l a u n a y 算法【4 3 。4 7 】。l o 4 8 1 还对非凸区域的d e l a 岫a y 三角化进行了研究。 总之，d e l a u n a y - 一角化法在平面区域网格划分方面取得了巨大的成功，其应用非 常广泛，但该法存在着出现退化现象的不足。 ( 3 ) 子域分离法 基于子域分离的网格自动生成方法【4 9 】的主要思想是，每次对分析域分离出一 个子域，直到分析域剩下最后一个可按受的子域块。基于这种思想的算法，一般 可以分为两类：一类是每次分离出一个单元；另一类是每次分离出一个大的、但 拓扑简单的子域块，然后利用三角划分程序划分这些子域块。这种网格自动生成 方法，在分离被分析物体的过程中，主要是利用分析域的边界拓扑连接关系，描 述几何特性的顶点表、边表和面表等必须时刻得到维护。该算法每一步移去操作 比较费时，因此计算效率不高。 ( 4 ) 推进波前法 推进波前法最初是由l 0 1 5 0 1 提出并用于平面区域三角形网格自动生成，稍后 p e r a i r e t s l l 及l o h n e 9 5 2 1 把这种技术推广到了任意形状三维域的四面体网格生成 中。推进波前法采用递归的方法对区域进行分割、搜寻和判断，自动化程度较高 垆卫5 4 】。由于推进波前法简单、可靠，是一种比较有前途的方法。 对于曲面网格划分也产生了很多算法，这些算法大致可分为以下两类： ( 1 ) 参数空间三角化法 参数域三角化法首先将曲面表示成参数形式，然后对二维参数域进行三角 化，再将参数坐标换算成物理坐标即可完成曲面的三角化。参数域的三角化也有 第1 章绪论 两种途径，一种是近似平面分割法【5 5 。8 1 。该方法将曲面按照一定的平面度要求 进行细分，直到获得一组满足平面度要求的子域，然后按照平面三角化方法对子 域进行三角化。近似平面分割法的优点是简单易行，且三角形尺寸能随曲率变化 而变化，即进行白适应网格划分，曲率大处网格较密，曲率小处网格较稀。但区 域细分必然生成许多边界，使得三角形的质量受到很大影响，对有限元分析不利。 另一种是参数域直接三角化法f 5 9 - 6 6 。该方法直接在参数域内进行三角化， 但同时也考虑生成三角形与原始曲面的误差，以及三角形的质量。这类方法虽然 算法复杂、计算时间长，但生成的网格质量较高，是最有前途的方法。 ( 2 ) 物理空间三角化法 物理空间三角化法【6 7 7 0 】不论曲面是否采用参数表示形式，其三角化是在三 维物理空间进行，参数空间( 如果采用参数表示的话) 仅起辅助作用。 1 2 3 网格简化 近年来计算机图形学硬件有了突飞猛进的发展，但是仍然无法跟上大规模 模型复杂性的发展速度。随着三维激光扫描仪等仪器的广泛使用，生成的物体模 型越来越逼真，但是相应的模型也越来越复杂。许多大规模的模型，一个模型的 面片数就达几十万甚至几百万之多。对复杂网格模型的快速显示问题就成为一个 急待解决的问题了。除此之外，在许多计算机图形的应用中需要复杂的高精确模 型来保证现实可信度。为了满足这个精度需要，产生或获取的模型应具有很高分 辨率。然而全部的复杂细节在一定的条件下并不都用得着，也就是说，其中的一 些细节是冗余信息。例如，在显示物体时，距离视点较远的细节对人的视觉作用 较小，为了加快显示速度就可以对这些细节进行简化，去掉这些冗余信息，从而 得到该模型的一个简化体。 从有限元计算的角度来看，由于c a d 模型往往含有成百甚至数以千计的面 片，许多表示细节特征的面片的尺度常常远小于网格划分尺寸。在这种情况下， 多数细节特征对有限元计算的结果影响不大，但它们的存在使网格划分过程更加 复杂化，生成的网格数量巨大，同时还降低了网格的质量。因此，从有限元分析 的角度，希望减少甚至去掉小的细节特征，以便节省计算时间，提高生成网格的 质量。事实上，网格简化不仅局限于网格划分，复杂模型的图形操作和显示也需 要首先对模型进行简化，因此出现了许多模型简化的算法。 网格简化( m e s h s i m p l i f i c a t i o n ) 的目的是把一个用多边形网格表示的模型用 一个近似模型来代替。近似模型基本保持了原模型的几何特征，但顶点数目少于 原网格的顶点数目。网格简化是为了加快绘制速度，以达到实时图形生成，并有 利于数据存储的经济性和数据传输的快速性。当然，模型的简化不是简单地减少 郑州大学博士学位论文 几何元素的数目，而是根据对原模型的逼近精度要求，删除