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复习上次课内容 模具cam主讲本次课内容 模具cae 简介 第一节 有限元分析概述第二节 金属塑性成形模拟第三节 塑料成型模拟分析 第七章模具cae 现代成形加工与模具正朝着高效率 高速度 高精度 高性能 低成本 节省资源等方向发展 因此传统的设计方式已远远无法满足要求 20多年来 随着计算机技术和数值仿真技术的发展 出现了计算机辅助工程分析 computeraidedengineering 这一新兴的技术 该技术在成形加工和模具行业中的应用 即模具cae cae所涉及的内容非常丰富 泛指运用科学的方法 以计算机软件的形式 为工程领域提供一种有效的辅助工具 帮助工程技术人员对产品 加工工艺 工模具 以及制造成本等进行反复的评估 修改和优化 直到获得最佳的结果 由于所开发cae软件的种类 功能都较有限 系列化与集成化都难以实现 cae应用还远未达到所定义范围 目前 模具cae的主要内容和目的 对工件的可加工性能作出早期的判断 预先发现成形中可能产生的质量缺陷 并模拟各种工艺方案 以减少模具调试次数和时间 缩短模具开发时间 对模具进行强度刚度校核 择优选取模具材料 预测模具的破坏方式和模具的寿命 提高模具的可靠性 降低模具成本 通过仿真进行优化设计 以获得最佳的工艺方案和工艺参数 增强工艺的稳定性 降低材料消耗 提高生产效率和产品的质量 查找工件质量缺陷或问题产生的原因 以寻求合理的解决方案 第一节有限元分析概述 对于一般的工程受力问题 获得整个问题的精确解一般几乎是不可能的 随着20世纪五六十年代计算机技术的出现和发展 以及工程实践中对数值分析要求的日益增长 并发展起来了有限元的分析方法 有限元法自1960年由clough首次提出后 获得了迅速的发展 首先只是应用于结构的应力分析 但很快就广泛应用于求解热传导 电磁场 流体力学 成形工艺等连续问题 一 有限元法的基本概念 对于连续体的受力问题 可以假想地将整个求解区域离散化 分解成为一定形状有限数量的小区域 即单元 彼此之间只在一定数量的指定点 即节点 处相互连接 组成一个单元的集合体以替代原来的连续体 只要先求得各节点的位移 即能根据相应的数值方法近似求得区域内的其他各场量的分布 这就是有限元法 有限元法的实质就是将一个无限的连续体 理想化为有限个单元的组合体 使复杂问题简化为适合于数值解法的结构型问题 且在一定的条件下 问题简化后求得的近似解能够趋近于真实解 由于对整个连续体进行离散 分解成为小的单元 有限元法可适用于任意复杂的几何结构 也便于处理不同的边界条件 在满足条件下 如果单元越小 节点越多 有限元数值解的精度就越高 随着单元的细分 需处理的数据量非常庞大 采用手工方式难以完成 必须借助计算机 计算机具有大存储量和高计算速度等优势 同时由单元计算到集合成整体区域的有限元分析 都很适合于计算机的程序设计 可由计算机自动完成 随着计算机技术的发展 有限元分析才得以迅速的发展 二 有限元法分析的基本过程 结构的离散化 就是将结构划分成为有限个单元体 假定位移是坐标的某种简单函数 称为位移函数 分别导出单元的应变 应力和刚度矩阵 求单元的应变能求结构的总应变能求结构的总势能根据势能极小原理求上述函数极小值得到引入几何边界条件求得所有的未知节点位移根据求得的节点位移 计算出各单元的应变和应力 有限元软件并不直接体现以上的过程 一般只是根据相应的功能分为前处理 分析计算和后处理三大部分 前处理模块的主要功能是构建分析对象的几何模型 定义属性以及进行结构的离散划分单元 分析计算模块则对单元进行分析与集成 并最终求解得到各未知场量 后处理则将计算结果以各种形式输出 以便于了解结构的状态 对结构进行数值分析 三 通用有限元软件简介 有限元法自1960年代提出后 由于其强大的功能 获得了迅速的发展 但有限元法的应用离不开计算机和有限元应用软件 随着有限单元法理论的发展和完善 国内外先后开发出了msc nastran ansys aska adina sap等诸多大型通用有限元软件 abqus ls dyna msc marc等非线形分析有限元软件 及其他各种功能的有限元应用软件 这些软件一般都具有结构静动力分析 大变形和稳定分析 各种非线形 以及热分析 流体分析和多物理场耦合分析等功能 有比较成熟 齐全的单元库 并提供二次开发的接口 有限元软件msc nastran nastran有限元分析系统是由美国国家宇航局 nasa 在20世纪60年代中期委托msc公司和贝尔航空系统公司开发 发展至今已有多个版本 其系统规模大 功能强 在70年代初期 msc公司对原始的nastran进行改进和完善后推出了msc nastran 作为世界最流行的大型通用结构有限元分析软件之一 msc nastran的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域 并为用户提供了方便的模块化功能选项 主要分析功能模块有 基本分析模块 动力学分析模块 热传导模块 非线性分析模块 设计灵敏度分析及优化模块 超单元分析模块 气动弹性分析模块 dmap用户开发工具模块及高级对称分析模块 第二节金属塑性成形模拟一 塑性有限元的基本概念 金属塑性变形是一种典型的非线性问题 由于塑性变形区中的应力与应变关系为非线性的 为了便于求解非线性问题 必须用适当的方法将问题进行线性化处理 塑性问题的应力与应变关系不一定是一一对应的 塑性变形的大小 不仅取决于当时的应力状态 而且还决定于加载历史 塑性变形中 金属与工模具的接触面不断变化 因此 必须考虑非线性接触与动态摩擦问题 塑性理论中关于塑性应力应变关系与硬化模型有多种理论 材料属性有的与时间无关 有的则是随时间变化的粘塑性问题 于是 采用不同的理论本构关系不同 所得到的有限元计算公式也不一样 1 弹塑性有限元 在塑性变形过程中 如果弹性变形不能忽略并对成形过程有较大的影响时 则为弹塑性变形问题 如典型的板料成形 在弹塑性变形中 变形体内质点的位移和转动较小 应变与位移基本成线性关系时 可认为是小变形弹塑性问题 而当质点的位移或转动较大 应变与位移为非线性关系时 则属于大变形弹塑性问题 相应地有小变形弹塑性有限元或大变形 有限变形 弹塑性有限元 由于在弹塑性变形中 应力应变关系为非线性的 变形体的最终形状变化通常不能如线弹性问题一样能够一次计算得到 因此 在有限元分析时 一般只能按增量理论进行求解 即将整个载荷分解成为若干增量步 逐渐施加在变形体上 2 刚 粘 塑性有限元 在塑性加工的体积成形工艺中 变形体产生了较大的塑性变形 而弹性变形相对很小 可以忽略不计 此时可认为是刚塑性问题 如锻造 挤压等 相应地则可以用刚塑性有限元法分析 刚塑性有限元法是在马尔可夫 markov 变分原理的基础上 引入体积不可压缩条件后建立的 二 金属塑性成形有限元模拟软件简介 金属塑性成形一般可分为体积成形和板料成形两大类 在板料成形模拟方面 国际上主要有美国的dynaform 德国的autoform 法国的pam系列软件 在体积成形方面 有美国的deform msc superforge 法国的forge3等 1 板料成形模拟软件dynaform dynaform是由美国eta公司和lstc公司联合开发的用于板料成形模拟的专用软件包 dynaform具有友好的用户界面 良好的操作性能 包括大量的智能化自动工具 可方便地求解各类板成形问题 dynaform专门用于工艺及模具设计涉及的复杂板成形问题 如弯曲 拉深 成形等典型板料冲压工艺 液压成形 滚弯成形等特殊成形工艺 可以预测成形过程中板料的裂纹 起皱 减薄 划痕 回弹 评估板料的成形性能 从而为板成形工艺及模具设计提供帮助 2 体积成形模拟软件deform deform系列软件是基于工艺过程模拟的有限元系统 fem 可用于分析各种塑性体积成形过程中的金属流动以及应变应力温度等物理场量的分布 提供材料流动 模具充填 成形载荷 模具应力 纤维流向 缺陷形成 韧性破裂和金属微结构等信息 并提供模具仿真及其他相关的工艺分析数据 第三节塑料成型模拟 塑料成型是制造业中的一个主要组成部分 而流动模拟对塑料成型具有重要意义 运用塑料流动模拟能帮助设计人员优化成型工艺与模具结构 指导设计人员从成型工艺的角度改进产品形状结构 选择适合的塑料材料和成型设备 评判不同材料采用同一工艺与模具成型的可行性 分析可能出现的问题 达到降低生产成本 缩短模具开发周期的目的 对于一般简单的塑料制品的成型 只进行流动模拟分析即可 对于复杂精密塑件的成型 不仅要对流动过程进行模拟分析 还需要对充模 保压过程中塑件与模具的冷却进行分析 甚至需要分析开模后塑件的残余变形与应力等 一 塑料流动过程模拟的基本原理 塑料成型过程中 由于塑料熔体的粘度高 雷诺数低 故熔体流动可简化为不可压缩的层流 符合牛顿流动定律 由于塑料制件一般都是薄壁零件 厚度方向尺寸远小于另两个方向的尺寸 注射成型时熔体在三维模具型腔中的流动状态可看作是类似于无限大平板间局部完全发展的平面流动 即简单剪切流动 熔体在型腔内流动的数值模拟分析分为一维 二维和三维分析 一维分析是二维分析的基础 二维分析是将任意形状的三维塑件模型展平成二维模型后 并分解成许多一维流动的基本单元进行一维分析 三维分析是在三维模型及其有限元网格的基础上进行的 二维分析主要用于确定塑料熔体和成型工艺参数的可行范围等以及成型过程技术上的可行性 三维分析则用于完整的成型过程数值模拟与仿真分析 1 一维与二维流动分析 所谓一维流动 是指塑料熔体在流动过程中任意质点的运动可用单方向的流速来表征 一维流动的基本形式a 圆管流动b 矩形板流动c 径向流动 常用的一维流动单元a 圆流管b 具有中心浇口的圆板c 具有边缘浇口的平板d 具有中心浇口的圆环板 由于二维流动单元是由一维单元串联组合而成 故二维分析在实质上与一维分析相同 只是需要处理不同流动路径的熔体流量和填充时间 而且还需要一定的经验 但当确定好流动路径和流动单元后 通过分析即可获得任一时刻熔体流动前沿位置及其温度 速度 压力的分布以及熔接缝位置等 2 三维流动分析 三维流动分析是对熔体在三维结构上的流动进行模拟分析 一般可以在二维流动分析的基础上进行 分析时必须首先将塑件的三维结构展平 并划分流动路径和单元 实际分析中造成诸多的不便 且需要设计人员的经验 采用有限元法分析熔体在型腔内的流动过程 则不必预先确定流动路径与单元 且甚少依赖设计人员的经验 因此 随着有限元法的发展 有限元模拟已成为分析熔体流动过程有效手段 二 塑料成型模拟软件简介 由于塑料成型数值模拟越来越重要的作用 以及实际的需要 国内外相继开发了相应的商品化软件 主要有 澳大利亚moldflow公司的moldflow系列软件 美国sdrc公司的polyfill和polycool ii 德国ikv研究所的cadmould系列 法国cisigraph的strim100 我国华中科技大学的华塑cae3drf5 0等 1 华塑cae3drf5 0软件 华塑cae3drf5 0软件是由华中科技大学开发 该cae软件与华塑cad模具结构设计与计算校核软件进行集成 实现了塑料成型工艺与模具的cad cae cam一体化 主要技术特点和功能有 几何模型的输入 自带几何造型系统 先进的图形和结果显示功能 实现模型及分析结果三维显示 快速旋转 平移 缩放 流动分析结果可随意按时间步显示和回溯 操作方便 系统具有良好的中文界面 支持相关的中国国标 优良的设计操作性能 采用可折叠的目录树管理操作进程和分析数据 让用户能有效的控制整个分析过程的实现 先进的流动分析技术 采用三维真实感注射成型流动分析 强大的分析功能 准确地分析流动前沿 温度场 压力场 剪切力与剪切速率场 自动预测熔接缝和气穴的位置等 开放的数据库 支持国内外塑料数据库 并可以测试并添加新获得的塑料流变数据 图华塑cae3drf5 0软件分析的实例 2 moldflow系列软件 moldflow系列软件根据功能差别分为mpa moldflowplasticsadvisers 和mpi moldflowplasticsinsight 其中mpi功能非常强大 包括流动分析 冷却分析 翘曲分析 收缩分析 结构应力分析 气体辅助注射成型分析 注射工艺参数优化等 mpi的主要技术特性和功能 mpi flowbasemodules 基本模块模型及几何建模 能够对各种复杂的产品曲面进行造型 并能对模具冷流道 热流道及冷却管道方便的进行造型 并能自动进行有限单元网格划分 结果显示 能够对计算机计算结果按等值线 光照或按照有限单元 单元节点等多种方式显示 并能方便的放大 缩小 旋转 平移显示结果 标准图形接口 能够将cad cam cae软件的iges格式造型文件方便地输入到moldflow造型模块 节省造型时间 方便产品分析 有限单元文件接口 能够将ansys patran i deas c mold软件产生的产品造型网格文件通过此接口直接传入到moldflow软件中 方便的用于分析 无须再对产品进行造型 材料 工艺参数数据库 moldflow材料 工艺参数数据库中包括近5000种树脂材料和各种常用的模具材料 冷却液 注塑机 方便的为您在模拟分析时提供选择 模块还可根据产品尺寸和所选材料为您提供初步的工艺参数 包括熔料温度 填充时间 锁模力 注塑压力等 实体模型网格自动生成 此模块可以将cad软件 如 ug pro e solidworks 中的三维几何产品造型通过stl格式直接划分成moldflow网格文件 进行moldflow分析 该模块使用户能更好的将已有的cad软件与moldflow软件配合使用 减少产品重复造型 方便快捷 是横跨其他cad软件和moldflow软件之间的一座天桥 流动分析 在产品造型 材料 工艺确定后 通过moldflow流动分析模块的模拟 您可以得到在注塑过程中 熔融树脂填充模具型腔时的各种结果及参数 如 型腔温度 压力 熔料推进过程 锁模力大小 熔接痕出现位置 气穴出现位置等 并能根据产品的几何形状优化注塑时注塑机的螺杆曲线 其他模块mpi fusion双层面网格前处理器 将iges面模型 stl格式文件 step格式文件 parasolid格式文件等直接划分有限元网格 即通过此模块可以直接将cad模型转为moldflow分析模型 无须再建模 mpi cool冷却分析 通过moldflow冷却分析模块 可以优化模具设计方案的冷却系统 包括 冷却管道的数目 位置 尺寸 冷却过程中的各项工艺参数等 优化后的方案可以减少动 定模温差 缩短生产周期 提高生产效率 mpi shrink收缩分析 了解制品各个部分及各个方向的收缩情况及其原因 并可预测缩痕 收缩翘曲情况等 mpi warp翘曲变形分析 能够精确的计算因冷却及收缩不均匀而产生的产品收缩和变形 并分析其原因 帮助模具设计师收放模具型腔尺寸 优化设计模具结