（材料加工工程专业论文）注塑冷却数值分析方法的研究与应用.pdf

摘要 注塑冷却分析c a e 技术在模具制造业越来越受到重视 应用越来越广泛 但它的工程实用性仍然有限 主要受两方面因素的制约 一是分析规模 二是 计算速度 由于目前冷却分析模型多为三维稳态边界元模型 采用的算法是耦 合迭代算法 即联立求解模具温度场边界积分方程组和塑件一维热传导有限差 分方程组 因为边界元方程组的系数矩阵为满阵 规模较大时 耦合迭代算法 极易发散 另外耦合迭代算法花费大量时间计算中间结果 且难以对算法采取 优化措施 因此计算效率低 这两个因素严重制约了冷却分析的工程实用性 针对这两个问题 本文对上述分析模型和算法进行了较大的改进 改进后的模 型在计算规模和速度方面都有较大的突破 原来规模大难以计算的模型现在都 能顺利进行分析计算 采用快速算法时 计算时问仅为原方法的十分之一左右 有效提高了冷却分析c a e 的分析能力和工程实用性 主要工作包括 1 推导了第一类非对称边界条件下平板塑件一维瞬态热传导方程解析解 进一步将模具型腔表面热流处理为模具型腔表面温度的线性关系表达式 再将 这一线性关系引入冷却分析边界元方程组 形成了新的边界元迭代模型 它只 用迭代计算边界元方程组 取代原来的边界元方程组与塑件导热有限差分方程 组耦合迭代的模型 提高了计算效率 扩展了计算的规模 且新的模型将模具 外表面当作有限大非绝热球面处理 取代原来的当作无限大绝热球面的处理方 法 由于考虑了模具外表面的传热 新的模型较原模型更接近于实际 2 在管网分析中 应用 图论 知识 提出一种管网基本圈优化的方法 应用该方法可以找出管网中包含的一组最小基本圈 有利于提高管网分析中冷 却剂流量分配计算的精度 3 对于管道单元的积分 本文推导并应用了冷却管道高阶椭圆积分计算 公式 在此基础上 进一步采用降维处理的方法 将二维管道单元简化为一维 线单元 简化了计算 达到了提高计算速度 缩短计算时间的目的 4 应用最小二乘原理优化松弛因子 在计算过程中动态调整松弛因子的 大小 使得每一步迭代以较快的速度趋近于真解 提高计算速度 5 基于注塑冷却边界元矩阵方程组系数矩阵为满阵的特点 采用单元虚拟 合并的方法 将原模型由一个大型矩阵分解为一个小型的合并矩阵和数个小型 的分解矩阵 大量缩短了计算时间 该方法同时减少了内外存之间数据交换的 次数 在提高计算速度 缩短计算时间上效果显著 6 针对模内复膜这一新的成型技术 本文利用注塑冷却分析将模具型腔表 面离散为平面三角单元的特点 将薄膜和塑件视为两层具有良好接触的平板 郑州大学博士学位论文 对于每一层平板 建立第一类非对称边界条件下一维瞬态导热模型 并将该传 热模型应用到冷却分析中 完成了模内复膜冷却分析的建模 关键词 注塑冷却 数值模拟热传导 边界元模内复膜 i i a b s i r a ci a b s t r a c t m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt oc o o l i n ga n a l y s i sc a et e c h l l o l o g yi n t h ei n j e c t i o nm o l d i n gi n d u s t r ya n di t sp r a c t i c a lu s a g ei nt h i sn e l di sa l s oi nt h er i s i n g h o w e v e li ts t i i lh a ss o m e1 i m i t a t i o nd u et ot w om a i nf a c t o r s t h en r s to n ei st h a t t h es c a l eo fm o d e lt ob ec a l c u l a t e dc a nn o tb et o ol a 堰e t h eo t h e ri s 也a tt h e c a l c u l a t i n gs p e e di st o os l o ws o m e t i m e s t h es t a t i cm r e e d i m e n s i o n a lb o u n d a r ye 1 e m e n tm e t h o d b e m f o rm o l da n d t r a n s i c n to n ed i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls 0 1 u t i o nf o rp a na r ec u r r e n tw i d e l yu s e df o r t h e c o o l i n ga r l a l y s i s i nt h i sm e 也o d t w oc a l c u i a t i o n sa r ei t e r a 把du n t i lt h ed e s i r e dr e s u i t i s a c q u i r e d i ng e n e r a l b e mf 0 咖sm l l m a t r i xe q u a t i o n s a sar e s u l t i ti sv e r y d i m c u l tt om a k et h ei t e r a t i o nc o n v e r g ew h e nt h es c a l eo fc a l c u l a t e dp r o b l e mi st o o 1 a r g e i na d d i t i o n t h ep r o c e s s i n go ft h i 8m e t l l o di sv e r yt i m ec o n s u m i n ga n di sh a r d t ob eo p t i m i z e d t h e r e f o r e i t se 师c i e n c yi sv e r yl o wt h e s et w op r o b l e m ss t r i c n y r e s t r i c tt h e 印p l i c a t i o no fc o o l i n ga 1 1 a l y s i s t h ep r e s e n tr e s e a r c he f 传c t i v e l ys o l v e dt h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e t h e c o o l i n ga n y s i sm o d e lg e n e r a t e di nt h i ss t u d yd r 眦a t i c a l l yi m p r o v e st h ea b i l i t yt o d e a lw i t ht 1 1 e s ep m b l e m s s o m et a s k s w l l i c hw o u l db ed i m c u l tt oc a l c u l a t e 丽t 1 1t h e o l db e mm o d e lb e c a u s eo ft h el a 增es c a l e c a nb es i n l p l ya n a l y z e dw i t ht h en e w m o d e l f u r t h e 肌o r e t h e r ci s as i g n i f i c a n tr e d u c t i o ni nt h ec o 瑚p u t i n gt i m e w i t h r a p i dc a i c u l a t i n gm e m o d a b o u tt e nt i m e sf a s t e rt h a nb e f o r e t h es i xm a j o rw o r k s a r ea sf o l l o w 1 d e v e do u tt h ea n a i y t i c a ls o i u t i o nf o ro n e d i m e n s i o n a it r a n s i e n th e a t c o n d u c t i n ge q u a t i o no fp a r tu n d e rf i r s tt y p eo fu n s y m m e 订yb o u n d a r yc o n d i t i o n s t h e nh e a tn u xw a se x p r e s s e dl i n e a r l yw i t ht e m p e r a t u r eo nc a v i t ys u r f a c e w i t ht h e s o l u t i o n b e me q u a t i o nb e c a n l et 1 1 eo i l l ye q u a t i o nw h i c hn e e d st ob es o l v e dr a t h c r t h a nt 1 1 e o r i g i n a lc o u p l i n g i t e r a t i o nb e t w e e nt w oe q u a t i o n s w h i c hs i g n i f i c a i l y e n h 肌c e dt h ec a l c u l a t i n ge f i c i e n c y ii na d d i t i o n t h eo u t e rs u r f a c eo fm o l dw a s c o n s i d e r e da st h es u r f a c eo faf i n i t es p h e r ew i t ht h et h i r db o u n d a r yc o n d i t i o n c o n t r a s t e dt ot h eo l dm e t h o dt h a tc o n s i d e r e do u t e rs u r f a c ea sai n f i l l i t eh e a t i s o l a t e d s p h e r e b e c a u s et h en e wm o d e l t a k e st h eh e 8 tt m s f c ro nm 0 1 ds u r f a c ei n t oa c c o u n t i ti sm o r ea c c u r a t et h a nm e0 l do n e 2 at e c h n i q u ef o ro p t i m i z i n gt 1 1 eb a s i cc i r c l ei n p i p en e ta n a l y s e sw a s p r o p o s e db a s e do nt h ek n o w l e d g eo fg r a p h i ct h c o r y t h em i n i m u mb a s i cc i r c l e c o u l db ei d e m i f i e dw i t ht h i st e c h n i q u e w h i c hi nt u r ne n h a n c e dt h ea c c u r a c vi nt h e i i i 郑州大学博士学位论文 c a l c u l a t i o no ft h en o w r a t ed i s t r i b u t i o no fc o o l a n ti nc o n d u i t s 3 f o ri n t e g m lo np i p ee l e m e n t t h ep r e s e n tr e s e a r c hd e r i v e da n da p p l i e d h i 曲一o r d e re l l i p t i ci n t e g r a lf o m u l a f l l n h c m o r e t h ep i p ew a ss i 埘 p l i 矗e d 丘o mt w 0 d i m e n s i o n a lc o n d u se l e m e n t st oo n ed i m e n s i o n a l l i n ee l e m e n t s t h eo b j e c t i v e sf b r a c c e l e r a t i n gt h ec a l c u l a t i o na n ds h o r t e n i n gt h ec o m p u t i n gt i m ew e r ea c h i e v e d 4 t h er e l a a t i o nf a c t o ri nt h ei t e r a t i v es 0 1 v e ro fb e me q u a t i o nh a sb e e n o p t i m i z e db a s e do nt h el e a s t s q u a r em e t h o d t h ev a l u eo ft h er e l a x a t i o nf k t o rc o u l d b ea d j u s t e dd l 王r i n gm ec a l c u l a t i o np r o c e s s w i t t lt h em c t h o d 也ec o n v e 略e n c ew a s s p e e d e du p 5 s i n c eb e mf b r m s 舢 m a t r i xe q u a t i o n e l e m e m g r o u p i n gt e c q u e 啪s e m p l o y e di n 恤ea i l a l y s e s t h eo r i g i n a le l e m e n t s v e r ed i v i d e di n t os o m eg r o u p s w h i c hc o u l db ec o n s i d e r e da sl a r g ee l e m e n t sa n db e m v a su s e do nt h e m i nt h i s w a y t h eo r i g i n a ll a 培eb e mm a t r i xb e c a m eas m a l le l e m e m g r o u pb a s e db e m m a t r i xa 1 1 ds o m es e t so fe q u a t i o n sd e r i v e df r o me l e m e n tg r o u p s c o n s e q u e n t l mt h e c a l c u l a t i n gt i m ea n dt h en 哪b e ro fd a t ae x c h a n g eb e t w e e nm e m o r ya n dh a r dd i s k w e r ed r 锄a t i c a l l yr c d u c e d t h o s ea p p r o a c h e sh a das i 印i f i c 姐ti m p a c ne n h a t l c i n g t h ec a l c u l a t i o ne f f i c i e n c ya i l ds h o r t e n i n gm ec a l c u l a t i o nt i m e 6 f o rt h en e wi n m o l dl a b e l i n gt e c h n o l o g y t h e1 a b e la n dp a r tw a sc o n s i d e r e d a st w ow e uc o n n e c t e dp l a t e s t h eo i l ed i m e n s i o n a lt r a n s i e n th e a tc o n d u c t i o nm o d e l f o rm et w op l a t e sw a sc o n s t m c t e d u s i n g i nb e me q u a t i o n t h ec o o l i n ga n a i y s i s m o d e lf o ri n m o l dl a b e l i n gw a sa c c o m p i i s h e d k e y w o r d i n j e c t i o nm o l d i n gc o o l i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o n h e a tc o n d u c t i o nb e mi n m 0 1 dl a b e l i n g 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的 学位论文没有剽窃 抄袭等违反学术道德 学术规范的侵权行为 否则 本人愿意承担由此产生的 一切法律责任和法律后果 特此郑重声明 学位论文作者 签名 夕磊 矿年 l 嘶 月 5日 注塑模具的温度主要靠冷却系统进行调节 冷却系统设计的合理与否对产 品质量 生产效率具有直接的影响 传统的模具设计方法难以在设计阶段发现 冷却系统存在的问题 需要多次试模和修正 这不仅难以保证模具的质量 而 且使模具的设计与制造周期长 成本高 特别对大型 精密 复杂的中高档模 具 问题更为突出 注塑冷却数值模拟技术作为一种有效的模拟工具 可阻在 计算机上对冷却系统设计方案进行仿真分析 能够预先发现冷却系统设计的缺 陷 为设计人员修改设计提供科学依据 这一优点使它在现代模具设计制造业 得到广泛应用 国际上对注塑冷却分析技术的研究始于二十世纪六十年代 美国 西德 日本等国的学者在六十年代完成了一维冷却数值模拟 七十年代完成了二维分 析程序 八十年代开展了三维冷却分析 进入九十年代以后开展了流动 保压 冷却 应力分析等注塑全过程的集成化研究 目前国际上最著名 应用最广泛 的冷却分析软件为m o l d f l o w 公司开发的m fc 0 0 l 它的数学模型是三维稳态 边界元模型 几何模型主要是中面模型 该软件在理论上和算法上都有一定的 先进性 除了中面模型之外 m fc 0 0 1 也有表面模型 但表面模型只不过使几 何建模变得容易 并不利于冷却分析计算 这是因为表面模型理论同中面模型 一样 但不同于中面模型的是它无法准确给出型腔面的边界条件 因而影响计 算的精度 我国于上个世纪八十年代初开始注塑冷却模拟研究 在国家 八五 科技 攻关项目的支持下 冷却模拟技术取得了长足的进展 在某些方面达到了国际 9 0 年代初的水平 这些研究成果己集成到计算机软件上 开发出实用的分析软 件 目前国内具有代表性的软件有华中理工大学的h s c 一3 和郑州大学的z m 0 1 d 3 o 二者的数学模型都是三维稳态边界元模型 几何模型以中面模型为 主 由于冷却分析模型对模具的复杂传热现象进行了简化 而且有些理论问题 还没有彻底解决 需要进一步完善 这些因素不同程度地影响着冷却分析软件 的工程实用性 目前冷却分析面临的两个主要问题是计算规模小和计算效率 低 时间长 例如z m o l d 的计算规模小于l 万个单元 m o l d f l o w 的m fc o o l 常规计算的规模极限约为1 万6 千个单元左右 另外由于边界元法形成线性方 程组的系数矩阵为满阵 当计算规模大的时候容易导致计算不收敛 台湾清华 大学张荣语等人因此改用有限元法进行冷却分析 本人在前人工作 z m o l d 的基础上 进 步对冷却分析进行理论上的 郑卅i 大学博士学位论文 研究 建立了新的冷却分析边界元模型 并采用 s u a lc 完成软件编制 与 原模型相比主要做了三方面的改进 一是对冷却分析理论做了进一步完善 包 括推导部分理论公式 对管网分析进行优化以及将模具外表面的传热引入分析 模型 原来的模型忽略了模具外表面的传热 等 二是为冷却分析增加了新的 功能 如快速计算方法以及模内复膜模型等 三是在算法上采取了优化措旌 如采用最小二乘法优化松弛因子等 新的冷却分模型在计算速度和计算规模上 都有较大程度的提高 有效地解决了冷却分析计算规模小和计算效率低 时间 长的问题 v i i i 兰 兰丝堡 第一章绪论 随着科学技术的进步 经济的发展已不再单单依赖于开发 利用现有的自 然资源 而是立足现在 着眼于未来 采用先进的科学技术 用有机合成材料 代替日趋减少的不可再生自然资源 减轻对自然资源的依赖 减少对自然环境 的破坏 塑料材料作为三大合成材料之 具有密度小 重量轻 强度高 耐 腐蚀 绝缘性好 易成型加工 生产效率高 成本低等优点 已广泛应用于各 行各业 成为国民经济和人民生活中不可或缺的新型材料 以塑代钢 以 塑代木 已成当今世界发展的趋势 1 1 注塑加工原理及注塑模设计 塑料加工的方法包括压塑 传塑 注塑 挤塑 吹塑和压延等 其中所占 比重最大 发展速度最快的加工方法是注塑成型 目前世界上注塑制品约占塑 料制品总量的6 0 较1 0 年前 2 0 3 0 翻了两番 与其它方法相比 注 塑成型具有一些明显的优点 一是能一次成型外形复杂 尺寸精确并可带有各 种金属嵌件的塑料制品 制品品种之多 花样之繁是其它任何成型方法无法比 拟的 二是可加工的塑料种类繁多 除了聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯等极 少数品种外 几乎所有的热塑性塑料 通用塑料 纤维增强塑料 工程塑料 热固性塑料等都能用该方法生产 三是成型过程自动化程度高 其成型过程的 合模 加料 塑化 注射 开模和制品顶出等全部操作均由注塑机自动完成 1 2 1 注塑成型的原理是 将固态塑料送入注塑机的加热筒内 经加热使之熔化 然 后将其注入闭合模具型腔 再经冷却固化为塑料制品 3 弓 这是一个周期循环过 程 整个循环操作可分为图1 1 所示的几个主要阶段 6 图1 1 注塑循环过程 f j g 1 1 p r o c e s so f e c t i o nm 0 1 d i n g 郑州大学博士学位论文 从传热学角度讲 注塑加工循环过程实质上是一个热交换过程 高温熔融 态的塑料在模具型腔内冷却固化 当塑件冷却到出模温度时 开启模具 由顶 出机构将塑件顶出模具型腔 而其中的冷却过程指的是从浇口凝固到制品从模 具顶出这一阶段 约占整个注塑循环周期的6 0 8 0 f 8 9 是注塑加工过程 中的一个重要环节 它的主要作用是 第一 将塑件释放的热量带到模具外 成型过程中 熔融塑料温度降低并 发生固化 固化过程中释放的大部分热量通过模具由冷却介质带走 第二 控制和调节模具温度 由于模具型腔温度的高低及均匀性直接影响 到注塑件质量 对质量的影响 一是表面光洁度 模具温度会影响塑件的外观 质量 当模具温度变化时 塑件表面的光洁度也随之变化 高的模具温度能够 使得塑件表面更具光泽 二是残余应力和翘曲变形 当模具温度上升 冷却速 率变慢时 则塑件释放更多的应力 减小了翘曲变形 当塑件两侧的温度不同 的时候 由于非均匀收缩将导致塑件翘曲或弯曲变形 第三 提高生产效率 塑件生产厂家总希望尽可能缩短成型周期以降低生 产成本 好的冷却系统能有效缩短冷却时间 这通常意味着制品可在较高温度 较短时间内出模而不产生大的翘曲 且总体变形能维持在规定的误差范围内 冷却系统作为注塑模具的重要组成部分 其配置的好坏直接影响着模具的 实用性 故在进行模具设计时 应尽量科学 合理的设计 配置冷却系统 以 有效缩短冷却时间 提高产品质量和生产效率 1o 但是传统的模具设计技术 很难及时发现模具存在的问题 通常采用被动的事后校验法 即先设计制作模 具并在注塑机上试模 在试模中若发现问题再对模具进行修改 重复该过程直 到修改合格为止 该过程不仅繁琐复杂 也造成了人力 物力 财力的极大浪 费 随着塑料制品复杂程度和精度要求的提高以及生产周期的缩短 这种亡羊 补牢式的模具设计方法已不能适应生产的要求 激烈的市场竞争不仅迫使生产 厂商在提高产品质量上下功夫 而且要尽量缩短研发时间 以便能捷足先登 占据市场先机 因此 在模具设计过程中 如何能预先发现模具设计存在的缺 陷 预测出这些缺陷在生产中可能产生的问题并及时予以修改就成为工程实际 应用中迫切需要解决的技术难题 注塑模数值模拟分析技术 c a e 的出现解 决了这一难题 运用数值模拟技术可在模具制造之前 通过在计算机上对模具 设计方案进行仿真分析和模拟 能够发现模具设计的缺陷 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了科学的依据 在实 际应用中可以减少试模 修模次数 降低模具报废率 缩短模具设计制造周期 降低成本 提高产品质量i l2 j 目前我国的模具设计制造技术和世界先进水平存在较大的差距 就模具设 第一章绻论 计技术而言 c a d c a e c a m 技术的研发和应用是薄弱环节 因此加大 c a d c a e c a m 技术开发的力度 推广普及c a d c a e c a m 技术的应用对注 塑模具设计具有重大实际意义 是有效提高我国模具设计水平的关键因素 表 1 1 列出了我国在模具设计技术与发达国家和地区的差距雌16 1 表1 1 模具设计技术 t a b 1 1m o i dd e s i g i l i n gt e c h n o l o g y 发达国家中国 技术名称 美国曰本德国香港 台湾大陆 c a d 应用 7 5 7 5 7 0 5 0 4 0 5 1 0 c a e 应用 5 0 5 0 5 0 4 0 3 0 l 5 f l o w 软件普及普及普及7 0 5 0 开始起步 c o o l 软件普及普及普及 7 0 5 0 开始起步 砌 d 方法已编入c a d c a e 分析软件已有并开始应用 l m d 方法已商业化已有理论著述发表 s p d 方法已商业化已经应用 1 2 国内外注塑模c a d c a e c a m 发展概况 注塑模具c a d c a e c a m 技术是模具技术发展的一个里程碑 这 技术 开始于2 0 世纪6 0 年代 英 美 加拿大等国的学者开展了一系列塑料熔体在 模具型腔内流动与冷却的基础研究 建立了一维流动 冷却分析数学模型 并 开发了模拟程序 7 0 年代完成了二维分析模型建模及程序开发 8 0 年代则开 展了三维流动与冷却分析 并把研究扩展到保压 纤维取向 分子取向以及制 品翘曲预测等领域 进入9 0 年代 开展了流动 冷却 保压 应力分析等注 塑全过程的集成化研究 美国c o m e l l 大学c i m p 研究小组自1 9 7 4 年开始 由 美国政府资助 在注塑成型模拟研究方面取得了令人瞩目的成就 他们先后在 建立熔体流动的流变模型 冷却过程的热传导模型 保压和翘曲分析的粘弹性 模型等方面都取得了实质性的成果盼1 9 j 自上个世纪8 0 年代开始 注塑模c a d c a e c a m 进入实用阶段 在国际 上出现了许多商品化注塑模c a e 软件 比较著名的有 l 澳大利亚m 0 1 d f l o w 公司研制的注塑模c a e 系统 该系统包括流动分 析软件f l o w 冷却分析软件c o o l 翘曲分析软件w a r p 和应力分析软件s t r e s s 它是世界上最早的c a d c a e c a m 软件 也是目前国际上应用最广泛 最权 威的软件 2 美国p s p 公司的i m e s 专家系统 能帮助模具设计人员用专家的知识 郑州大 学博士学位论文 库解决注塑模的质量问题 3 美国a c t c c h 公司推出的注塑模c a e 系统c m o l d 包括c d e s i g n 在模具初始设计阶段优化设计参数 如优选塑料材料 预测锁模力 减小注 射压力 平衡流道系统 预定成型工艺参数以及成本估算等 c f l o w 流动 分析 c c o o l 冷却分析 c p a c k 保压分析 c p a c k w 保压及翘 曲分析 等 可以进行流动 保压 冷却耦合分析 其结果用于纤维取向 应 力 翘曲分析等 由于a c t e c h 公司直接利用和推广了c o m e u 大学的科研成 果 因此无论是数学模型 程序编制 还是用户界面等都具有很高的水平 并 且在美国乃至世界各地都得到广泛应用口o 2 l l 4 加拿大m c g i l l 大学m c k a m 一 系统 能模拟注塑过程的流动 保压 和冷却等 5 i b m 公司和达索公司共同推出的新一代工业先进水平软件c a t i a 6 美国e d s 公司集设计 工程及制造系统于一体的u g 软件 已广泛应 用于航空航天 汽车 通用机械等领域 7 美国s d r c 公司 s t r u c t u f ed y n a m i c sr e s e a r c hc o 印o r a t i o n 的i d e a s 系统 它本来是通用机械的计算机c a d c a m 系统 上世纪9 0 年代初陆续开 发出注塑流动 冷却和翘曲分析程序 8 美国g r a f t e k 公司的注塑模c a d c a e c a m 系统 该系统包括二维 流动分析软件s i m u f l o w 三维流动分析软件s i m u f l 0 w 3 d 冷却分析软件 s i m u c o o l 及几何造型和模具结构设计软件o p t i m o l d 其中 二维和三维 流动分析软件直接利用了c o r n c l l 大学c i m p 的科研成果 9 美国和意大利的p c p l a s t i c c o m p u t e r i n c 开发的c a d c a e c a m 软件t m c o n c e p t 专家系统 该系统包括材料选择f t m c m s 成型工艺参 数和模具费用优化 t m c m c o 流动模拟 t m c f a 型腔设计 t m c c s e 及冷却分析f t m c m t a 等五个程序包 1 0 美国p r i m e c a l m a 公司的注塑模设计制造软件包 该系统是以几 何造型设计为主 集成了流动和冷却分析软件 模架选择软件p o l y m o l d 以及 多轴曲面数控软件d d m n c 1 1 德国i k v 研究所的c a d m o u l d 系统 可用于注塑模流动分析 冷 却分析 模具强度刚度分析等 捌 1 2 法国c i s i g r a h 公司的注塑模设计制造软件s t r i m 一1 0 0 该软件以 几何造型为主 其中集成了二维流动分析程序2 dr h e 0 1 0 9 y 1 3 英国d e l t a c a m 公司的注塑模设计软件包u d c t 5 以几何造型设计为 主 配有其它公司的流动和冷却分析软件 4 第一苹绪论 目前 国外注塑成型模拟研究的重点转向了气体辅助注射成型模拟和真三 维的精密注射成型数值模拟以及联机分析成型过程的控制系统 我国在该领域起步较晚 2 0 世纪8 0 年代后期才开始 早期的开发工作仅 限于注塑模具c a d 和二维c a e 的研究 到9 0 年代受国外先进c a e 技术的影 响 才开始复杂的三维成型 冷却分析c a e 研究 八五 期间 由北京航空 航天大学 华中理工大学 四川大学等单位联合进行了国家重点科技攻关课题 注塑模c a d c a e c a m 研究和应用 在国家 八五 科技攻关项目的支持 下 我国在注塑流动模拟 冷却模拟等方面取得了长足进展 在某些方面达到 了国际9 0 年代初的水平 华中理工大学是国内较早自行开发研究注塑模c a d c a e c a m 系统的单 位 自2 0 世纪8 0 年代中期开始 就在注塑模流动分析模拟和冷却分析模拟的 研制方面进行了多年的研究与开发工作 目前推出了塑料注塑模 c a d c a e c a m 系统h s c 3 该系统包括塑件三维造型 流动模拟 冷却分析 型腔强度与刚度校核等功能 在一些企业单位应用 取得较好结果 现已实现 商品化 东南大学于1 9 9 5 年开发了一套注塑模具s e i m x c a d 系统 具有全面的 c a d c a e 功能 北京华正模具所与美国a c t e c h 公司合作开发了面向注塑模分析软件 c a x a i p d 郑州大学模具所从19 8 7 年开始研制橡塑模具成型过程模拟及模具优化设 计软件z m o l d 该系统是目前国内处于领先地位的实用化 商品化c a e 软 件 z m o l d 3 0 为该软件的最新版本 其国产化程度高 从图形建模 网格剖 分到分析计算都是自主开发的 可较准确的进行流动 冷却分析 预测温度场 应力场 熔接线以及气穴位置等 上海交通大学于1 9 8 3 年开始进行注塑模具的计算机应用研究 在国内首 次把人工智能技术引入注塑模具c a d 系统中 1 9 8 7 年开发了注塑模具c a d 系统 现在在工作站u g i i 平台上进一步开发智能c a d ca e c a m 系统 浙江大学从1 9 9 4 年起开发了一套精密注塑模c a d c a e 系统 该系统主要 针对录像带盒塑料模具的国产化而解决精密注塑模设计和制造问题 它基于 u g i i 图形支持平台 以m o l d f l o w 实现c a e 过程 其特点主要是通过特征 造型来构造产品模型 有效的将工艺信息加入到几何造型系统 是一个较完整 的c a d c a e 系统 中国科技大学1 9 9 5 年开发了注塑模具c a d 系统 它基于a u t o c a d 和s a p 有限元计算模块的支持 较好的解决了浇注系统设计 冷却系统设计 型芯型 郑州大学博士学位论文 腔曲面造型设计等方面的问题 在部分生产厂家投入应用 除了模具c a d c a m c a e 技术之外 计算机辅助工艺设计 c a p p 技术也 有了一定的发展 但由于大部分模具都是单件生产而非批量生产 以及模具本 身具有多样性 复杂性的特点 很难有适应于各类模具和不同模具企业的c a p p 软件 因此应用c a p p 技术难度较大 尽管如此 这也是一个发展方向 另外 基于知识的工程技术 k b e 近年来已越来越受到重视 它是面向现代设计决策 自动化的重要工具 已成为促进工程设计智能化的重要途径 k b e 技术作为一 种新型的智能设计思想 将对模具的智能 优化设计产生重要的影响 计算机 和信息网络的发展正使虚拟技术成为现实 虚拟技术可以形成虚拟空间环境 可实现企业之间虚拟合作设计 制造 合作研究开发 及至建立虚拟企业 1 3 注塑冷却分析技术发展概况 1 3 1 冷却分析数值算法简介 注塑冷却分析的本质是求解模具的导热微分方程 由于模具传热是复杂的 三维瞬态传热 形成的是三维瞬态导热微分方程 难以求得它的理论解 工程 中只能采用近似方法求其数值解 即便如此 受数值算法水平及计算机速度的 制约 还需要对它作适当的简化 以便于将计算时间缩短到可接受的程度 工 程中通常将其简化为一维至三维的稳态传热 常用的数值方法有有限差分法 有限元法和边界元法 它们都以加权残值法为基础的 稳态传热微分方程属于 泊松方程 其加权残值方程分为 1 原始方程 膨2 h m 弘一孑炳一弘一i 豢订 nnn 2 弱公式 庶毒q2 订 g 解 弘一五层订 3 逆变公式 擎2 砖尥一p 硒一j 删西 p 篙d r 乎篙西 nr n n n 式中 v 一拉普拉斯算子 一沂似甬粒 1 1 1 2 1 3 第一章绪论 z 一边界上积分点的外法线方向 g 娑 近似函数 在力方向上的梯度 h p 一权函数 q 一空间积分区域 它的边晁为r r i r 2 分别表示在边界上给定第一类 第二类边界条件 和g 带有一 表示 或g 为已知的 弱公式中的搬是域内积分点 且 采用了爱因斯坦约定求和标记 有限差分法 有限元法和边界元法的起始表达式都来源于这三个公式 只 是由于近似函数和加权函数的基函数不同而派生出各种方法 图l2 给出一种 分类方法 圈1 2 数值计算方法分类 f 培1 2s o no f n u m e r i c a lm e t l l o d 1 有限差分法 f d m 通常这种方法对 和w 具有不同的基函数 而后者 取狄拉克一a 函数的形式 大多数有限差分格式是建立在 i 的基础之上 但 其中有些 如能量形式 采用了方程 i i 有限差分法的特点是直接求解基本 方程和相应边界条件的近似解 一个有限差分问题的求解步骤是 首先将求解 域划分为网格 然后在网格节点上用差分方程近似微分方程 该方法不适用于 几何形状复杂的问题 郑州大学博士学位论文 2 有限单元法 f e m 为了得到对称的矩阵 该方法通常对 和w 取相同 的基函数 有限单元格式是建立在弱公式 i i 基础之上的 有限单元法的基本 思想是将连续的求解域离散为一组有限个 且按一定方式相互联结在一起的单 元的组合体 由于单元能按不同的联结方式进行组合 且单元本身又可以有不 同的形状 因此可以模型化几何形状复杂的求解域 有限单元法不仅用于求解 稳态传热问题 而且可用于瞬态传热 方法是首先将空间域离散为有限单元体 在典型单元内温度可近似的用节点温度插值得到 此时节点温度是时间的函 数 由于插值函数只是空间的函数 具备差值函数的基本性质 然后构造边界 条件 最终将时间域和空间域的偏微分方程问题在空间域内离散为节点温度常 微分方程的初值问题 3 边界单元法 b e m 边界单元格式一般建立在逆变公式 j i i 基础上 对于加权函数w 边界元法采用能够消除区域积分并把问题简化为只有边界问 题的基函数集 这些基函数可能是在特殊点作用了狄拉克一 而产生奇异函数 或者可能是规则函数 如同由齐次方程所得到的基函数一样 边界元方法适用于求解那些能归结为拉普拉斯方程或泊松方程的问题 这 些问题都是位势问题 它的基本思想是把求解域和求解域边界上未知量的偏微 分方程转化为只与边界值有关的积分方程 然后求其数值解 它的基本步骤有 a 把边界离散为一系列单元 在单元上假定位势及其法向导数的插值函 数 这些单元的几何形状可以用直线 圆弧 抛物线等来模拟 b 利用配置法 在每个单元内对若干特定节点应用离散方程 而在这些节 点上联系着位势及其法向导数值 c 利用数值积分法在每个单元上进行积分 d 施加问题的给定边界条件 便可得到一个线性代数方程组 采用直接法 或迭代法求解这个方程组便得到边界上的未知数据 在注塑冷却cae 中应用bem 是因为它在求型腔表面温度场时只用到 边界参数 不需要求解模具内部温度场 因此b e m 需要计算的单元量大大少 于f e m 的单元量 这正是边界元法的显著优点 但它也有不足之处 f e m 形 成的系数矩阵是大型带状稀疏矩阵 可应用成熟的数值方法进行计算 而b e m 形成的满阵数值计算较困难 且随着模具材料种类的不同 各材料间产生附加 边界 计算量显著增加 1 3 2 国内外冷却分析技术发展概况 注塑冷却分析技术经历了从一维到三维 从稳态到瞬态的发展过程 最初 的冷却分析是以定性分析为主 定量分析受当时条件的限制 仅仅局限于简化 后的解析计算 第一章绪论 早在1 9 5 9 年 ba l l m a n 和s h u s m a n 2 3 根据模具材料的导温系数远大于塑件 材料的导温系数这一特点 并将薄壁塑件的传热过程简化为一维非稳态传热 应用一维非稳态传热近似解析解 最先建立了冷却时间的近似计算公式 铲篆 n h 特 f c 叫 式中 扛为塑件的厚度 m d 为塑件的导温系数 m 2 s 野一为塑料熔体注射温度 k 乃一为塑件的脱模温度 k 一为模具型腔温度 可近似取为冷却介质温度 k f 一为塑件中心温度冷却到开模温度所需的时间 s m e y r i c k 通过实验研究了冷却管道面积与塑件表面积的比值 冷却水温度 冷却水流量等参数对模壁温度的影响 w a t e r s 利用雷诺数分析法建立了冷却系 统优化设计的简单方法以及分析模具热传导的详细步骤 1 9 6 l 1 9 6 2 年 d u s i n b e r r e 2 4 2 5 1 采用有限差分法建立了求解一维非稳态传热温度场的数值计算 模型 k e i n g 和k a m a l 2 6 2 8 1 考虑压力降对能量平衡的影响 提出了非稳态传 热方程 采用有限差分法预测长圆柱形模具的温度场 压力场和聚合物熔体的 凝固层情况 d i e t z l 2 9 1 在k a m a l 研究的基础上考虑了能量平衡和压力降对传 热系数的影响 根据p v t 图计算不同温度下聚合物熔体比热的变化情况 对 冷却结晶问题进行简化处理 b r o y e r 于1 9 7 5 年将一维瞬态热传导的数学模型 引入注塑冷却分析 p c 罢 晏f k 罢1 1 5 a z 毋 其中 p 一为塑件密度 k g m 3 c 为塑件比热 根据工艺条件选择定容比热或定压比热 j k g k 岛一为塑件的热传导系数 k w m k 卜一维空间坐标分量 m r o b i c h a u d 将一维的有限差分方法扩展到二维 进行冷却分析 2 0 世纪8 0 年代以来 由于c a d 技术及有限元 边界元等数值计算方法的广泛应用 用 有限元法和边界元法分析计算注塑模温度分布和冷却时间等取得了较大进展 并在此基础上实现了对冷却系统的参数优化设计 如k k w a n g c o r e n k a m m i l l e r s i n 曲等 而且k k w a i l g 把数值模拟与图形结合起来 使冷 却系统的计算机模拟技术实用化f 3 0 3 h p w a n g 3 2 和c a u s t i n 3 3 等建立了冷 郑州大学博士学位论文 却分析的有限元法 自b r e b b i a 3 4 j 提出边界元方法以来 此种方法便在注塑冷 却分析中得到广泛应用 b a r o n e 3 5 和c a l l c 6 j 首先利用边界元方法对塑件的冷 却过程进行二维分析 r e z a y a t 刚和