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c a i = 并行冷却分析技术 在模具设计中的应用与研究 摘要 现今社会中，塑料越来越多地成为金属的代替品。而在塑料成型周期中，3 4 时间用于模具冷却，一个高效和均匀的冷却系统能够显著地减少冷却时间和提高 制品质量。注塑模c a e 技术通过虚拟制造、数值模拟分析来预测制品成型中的 缺陷，为制品一次试模成功提供科学依据；克服了传统设计方式周期长、成本高 和产品的质量难以保证的缺陷。目前，c a e 技术在国外已经得到广泛的应用和 研究，国内在这方面开发比较晚，尚未成熟。为加速c a e 技术在我国模具行业 的发展，对c a e 技术在注射模冷却分析应用进行研究是完全有必要的。 基于传统c a e 冷却分析技术的缺陷，本文提出了c a e 并行冷却分析观点。 以模具为研究对象，对冷却分析优化产品和模具冷却系统进行了基础性应用和研 究，并通过对冰箱前饰条预变形分析和洗衣机底台c a e 冷却效率优化，着重阐 述了c a e 并行冷却分析技术在模具设计中的应用与研究。 本课题的研究为c a e 冷却分析重要性和应用提供了一个较为完善的应用背 景和理论基础，并在实际模具设计过程中，优化产品造型和模具冷却系统确定大 体思路和方法，具有较强的实际意义。特别是c a e 并行冷却技术的应用与研究， 具有一定的创新性和实用性。 关键词：冷却分析模具设计并行应用c a e c o l l a t e r a la p p l i c a t i o na n ds t u d yo nc a e c o o l i n gt e c h n i q u ei nm o l dd e s i g n a b s t r a c t p l a s t i ci n s t e a do ft h em e t a lh a sb e e nw i d e l yu s e dn o w a d a y s h o w e e ri nt h e c o m p l e t ec o n f e e t i o n i n gc y c l e ，h i g he f f i c i e n ta n dw e l l p r o p o r t i o n e dm o u l dc o o l i n g s y s t e me v i d e n t l yr e d u c ec o o l i n gt i m ea n de n h a n c et h eq u a l i t yo ft h ep a r t s ，w h i c h t a k e su pt o3 4o fa c o m p l e t ec o n f e c t i o n i n gc y c l e b y m e a n so fd u m m ym a k i n ga n d n u m e r i c a ld u m m ya n a l y s i s c a et e c h n o l o g yo ni n j e c t i o nm o u l dc a nf o r e c a s tt h e q u a l i t yd i s f i g u r e m e n to ft h ep a r t sw h e nm o u l d e d ，w h i c hp r o v i d es c i e n t i f i cg i s tf o r t h e p a r t s so n e 一0 f rm o u l d i n g ；m e a n w h i l e ，i to v e r c o m et h ed i s f i g u r e m e n to fl o n gt e r m 、 h i g hc o s ta n dh a r dt oa s s u r et h eq u a l i t yo ft h ep a r t s ，w h e nu s i n gt r a d i t i o n a lw a y so f d e s i 粤a n o wc a et e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e da n dr e s e a r c h e do v e r s e a s ，b u t c o r r e s p o n d i n g l yi t i s d e v e l o p e dl a t e l y ，w h i c hi ni t si n f a n c ya th o m e i no r d e rt o a c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to fc a et e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y sm o d di n d u s t r y , i ti s v e r yn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h ea p p l y i n gc a et e c h n o l o g yt oc o o l i n ga n a l y s i so n i n j e c t i o nm o u l d b a s eo nt h ed i s f i g u r e m e n ti nt r a d i t i o n a lc a ec o o l i n ga n a l y s i st e c h n o l o g y , t h i s p a p e rp u tu pv i e w p o i n to fc o l l a t e r a lc o o l i n g i td e s c r i b e st h ec a e c o l l a t e r a lc o o l i n g a n a l y s i st e c h n i q u ea n dc o n d u c t e dr e s e a r c ha n db a s i ca p p l i c a t i o no nm o u l ds t r u c t u r e a n do p t i m i z e dc o o l i n gp r o d u c t ，v i ad i s t o r t i o na n a l y s i si na d v a n c eo ff r o n to r n a m e n t o fr e f r i g e r a t o ra n do p t i m i z i n ge f f i c i e n c yc a ec o o l i n gt e c h n o l o g yo nb o t t o mp l a t eo f w a s h i n gm a c h i n e ，t h ec o l l a t e r a la p p l i c a t i o na n ds t u d yo fc a ec o o l i n ga n a l y s i s t e c h n i q u eo nm o l dd e s i g n i n g t h es t u d yo ft h i ss u b j e c tp r o v i d e sap e r f e c ta p p l yb a c k g r o u n da n dt h e o r e t i cb a s e f o rc a e c o o l i n ga n a l y s i sa n di t sa p p l i c a t i o n a l s o ，i th e l p sal o ti no p t i m i z e dp r o d u c t d e s i g na n dm o u l dc o o l i n g ，e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o na n ds t u d yo nc a e c o l l a t e r a l c o o l i n gt e c h n i q u e ，w h i c hi so fi n n o v a t i v ea n dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：c o o l i n ga n a l y s i sm o l dd e s i g n c o l l a t e r a la p p l i c a t i o nc a e 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ( 注；堑遗直基丝益要壁型虚塑 的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月同 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，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期：年月 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签字： m 饥绨 签字f ：_ 1 期：时，) 年占月t t 日 ， 电话： 邮编 青岛科技大学研究生学位论文 前言 在注塑成型中，模具的温度直接影响到制品的质量和生产效率。通过温度调 节，保持适当的模具温度，可减小制品的变形、增强制品力学性能、改善制品的 表观质量、提高制品尺寸精度。同时，缩短占整个注射循环周期约8 0 的冷却时 间是提高生产效率的关键。因此，设计合理的冷却系统，对模具温度进行有效调 节是十分必要的。 冷却系统的设计在2 0 世纪6 0 年代就已引起了人们的重视，并进行了大量研 究，得到了一些简化公式或经验公式，但由于实际制品的形状往往十分复杂，因 此，这些公式的应用范围存在着很大的局限性。m p i c o o l 通过分析模具冷却系 统对模具和制品温度场的影响，优化冷却系统的布局，以达到使塑件快速、均衡 冷却的目的，从而缩短注塑成型的冷却时间，提高生产效率，减少废品，增加经 济效益。 目前，国内外市场上对冷却分析过程进行模拟的软件很多，其中具有较强竞 争力的是由澳大利亚m o l d f l o w 公司开发的m p i c o o l 软件。在国内，冷却分析成 型技术也得到广泛的应用，冷却分析过程模拟的研究也越来越深入华中理工大 学模具技术国家重点实验室开发的注塑模c a d c a e c a m 集成系统h s c 3 0 系统对 于冷却可以进行较为深入准确的模拟分析。 本课题研究目的是将c a e 冷却技术应用于实际模具设计生产中，通过模拟塑 料冷却系统流动过程，预测制品缺陷，提出合理的解决方案，优化产品造型和水 路布局，并在计算机上完成修模、试模的仿真过程，避免由于缺乏经验而花费大 量的精力和财力进行试模和成型实验，最终达到降低成本、提高成型质量的目的， 使冷却分析技术得到重视和广泛应用。其中在c a e 冷却分析过程中，提出了c a e 并行冷却分析观点，大大提高了c a e 分析的效率和质量，具有一定的创新性和实 用性。 c e 并行冷却分析技术在模具设计中的应用与研究 第一章文献综述 本章介绍了注塑模c a e 技术概况，及其在注塑模冷却分析方面的理论基础和 商品化软件。阐述本课题使用的分析软件m o l d f l o w 概况及其在注塑模分析领域 里的应用。 1 1 注塑模o a e 技术概况 1 1 1o a e 技术在注射成型领域的应用 塑料是当今世界新发展起来的三大合成材料之一。它具有密度小、质量轻、 比强度高、绝缘性好、介电损耗低、化学稳定性高、耐磨性好、减震隔音性能好、 成形工艺好、成形生产率高和价格低廉等优点，因而在国民经济和人民生活的各 个领域得到了日益广泛的应用。在机电、仪表、化工、汽车和航天航空等领域， 塑料已成为金属的良好代用材料，出现了金属材料塑料化的趋势。作为最有效的 塑料成型方法之一的注射成型具有以下优点：可以一次成型各种结构复杂、尺寸 精密和带有金属嵌件的制品，制品表面和用于成型的模具型腔一样平滑光亮，或 者有同样的纹理或镌刻，只需少量修整或完全不需修整，成型周期短，可以一模 多腔，生产率高，大批生产时成本低廉，易于实现自动化半自动化生产，因此在 塑料加工行业中占有 非常重要的地位。但 传统的注塑成型开发c i 。理e 方法主要是尝试法，依( u s a ) 据设计者有限的经验 和比较简单的计算公 式进行产品和工艺开 发。在注射成型生产实 际中，塑料熔体流动性 t u n e ( w e e k ) f i g u r e1 - 1t i m ev s c h a r g eo fc o v e ro fb i go a r 图1 - 1 大型汽车车身覆盖件的开发周期和费用示意图 2 青岛科技大学研究生学位论文 能千差万别，制品和模具结构千变万化，工艺条件各不相同，仅凭有限的经验和 简单的公式难以对这些因素作全面的考虑和处理，而且设计者经验的积累和公式 的总结也往往跟不上塑料材料的发展和制品复杂程度及精度要求的提高，因此开 发过程中要反复试模和修模并一再调整工艺参数，才能正式投产。这种开发方法 生产周期长、费用高，产品质量难以得到有效保证，不利于新产品的研制和开发， 特别是成型大型制品和精密制品时，问题更加突出。图i - i 为大型汽车车身覆盖 件的开发周期和费用示意图，可见试模和修模的时间占整个开发周期的三分之二 以上，并增加一倍以上的费用o 】。 解决上述问题的有效的途径和手段是将计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助 工程( c a e ) 和计算机辅助制造( c a i ) 技术应用于注塑成型领域m 1 。 运用c a d 技术能帮助广大模具设计人员从繁琐、冗长的手工绘图和人工计算 中解放出来，将精力集中于方案构思、结构优化等创造性工作。运用c a m 技术 能将模具型腔几何数据转换为各种数控机床所需的加工指令代码，提高模具加工 的精度及生产管理的效率。 c a e ( c o m p u t e r a i de n g i n e e r i n g ) 即计算机辅助工程“1 。它是用计算机来 生成新产品的模型，并由计算机来预测产品的性能，也就是利用计算机进行分析 和仿真的过程。具体而言，c a e 包括了采用各种不同的能模拟塑料注塑部件的工 艺条件，以决定其注塑条件，预测塑料部件的最终性能即尺寸精度。工程技术人 员还可通过该系统，对注塑制件各种性能进行全面分析，实现优化塑料品种选择 和模具设计参数及制造工艺的目的。通过大量实践证明，在注塑工艺及加工中引 入c a e 技术，大大缩短了模具设计和制造周期，同时又为工艺条件的选择开辟了 广阔的前景。 c a e 技术借助于有限元法、有限差分法和边界元法等数值计算方法，分析型 腔中塑料的流动、保压和冷却，计算制品和模具的应力分布，预测制品的翘曲变 形，由此分析工艺条件、材料参数及模具结构对制品质量的影响，达到优化制品 和模具结构、优选成型工艺参数的目的。注塑成型c a e 软件主要包括流动保压模 拟、流道平衡设计、冷却模拟、模具刚度强度分析和应力计算、翘曲预测等功能。 其中流动保压模拟软件能提供不同时刻熔体的温度、压力、剪切力分布，其预测 结果能直接指导工艺参数的选定及流道系统的设计；流道平衡设计软件帮助用户 c e 并行冷却分析技术在模具设计中的应用与研究 对一模多腔模具的流道系统进行平衡设计，计算各个流道和浇口的尺寸，以保证 塑料熔体能同时充满各个模腔：冷却模拟软件能计算冷却时问、制品及模腔的温 度分布，其分析结果可以用来优化冷却系统；刚度强度分析软件能对模具结构进 行力学分析，帮助用户对模腔壁厚和模扳厚度进行刚度和强度校核；应力计算和 翘曲预测软件计算制品的收缩和内应力分布，预测制品出模后的变形情况州。 应用c a d c a e c 舢技术从根本上改变了传统的产品开发和模具生产方式，可 大大提高产品质量，缩短开发周期，降低生产成本，强有力地推动了模具行业的 发展。本课题就是要借助c a d c a e 先进软件进行注塑模具的冷却系统分析。 1 1 2 注射模o a e 技术的发展概况 1 一维流动分析 对一维流动分析的研究始于六十年代，主要是计算塑料熔体在等直径圆管、 中心浇口的圆盘或半圆盘以及端部浇口的矩形型腔中的流动过程。 一维流动分析采用有限差分法求解，可得到熔体的压力、温度分布以及所需 的注射压力。一维流动分析计算速度快，流动前沿位置容易确定，但只能用于简 单、规则的几何形状，在生产实际中的应用很受限制。( 澳大利亚m o l d f l o w 公司在 1 9 7 8 年推出的基于有限差分方法的m f 0 ，就属于一维商品化流动分析软件。) 2 二维流动分析 对二维流动分析的研究始于七十年代。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，即如何确定每一时刻的熔体前 沿位置。 b r o y e r 、g u t f i n g e r 和t a d m o r “”运用流动网络分析法( f l o wa n a l y s i s n e t w o r k ) 对= 维等温流动进行了计算，并对保压、固化及分子取向问题进行了有 益的探讨，其数学模型为： 一要一冬：o 防瞎 一霉一纽：o 彦 庞 鲁+ 等= 。 帮砷 4 青岛科技大学研究生学位论文 f a n 方法的基本思想是：先对整个型腔划分矩形网格，并形成相应于各节点 的体积单元，随后建立节点压力与流入节点体积单元的流量之间的关系，得到一 组以各节点压力为待求量的方程，求解方程组得到压力分布，进而计算出流入前 沿节点体积单元的流量，最后根据节点体积单元的充填状况更新流动前沿位置。 重复计算过程，直至型腔充满。 h i e b e r 和s h e n 将h e l e s h a w “”流动推广到非牛顿流体的非等温流动情况， 得到了描述二维流动的数学模型： 委( 1 7 刍一罢：o 善( 印尝) 一霎；o 日 o y 要( 6 玎) + 车( 6 订= 0 m o y p c p c 鲁+ “罢+ v 雾，= 七害+ 叩归 并分别采用有限差分法和有限元有限差分混合法求解。s h e n 还尝试了用边界元 法求解这一问题。两位学者采用网格扩展法( m e s he x p a n s i o ns c h e m e ) 确定熔体 流动前沿位置，并对其中的计算稳定性问题进行了研究。h i e b e r 和s h e n 提出的 数学模型比较符合塑料注射成型实际情况，又兼顾了实施数值计算的可能性，因 此被许多研究者沿用，是目前公认较好的数学模型。然而他们采用的网格扩展法 虽然能较准确地确定熔体流动前沿的位置，但在计算过程中需要人工干预，无法 实用( 美国a c _ t e c h 公司在1 9 8 6 年推出的基于有限元方法的cf l o w l 0 就属于二维商品 化流动分析软件。) 3 二维半流动分析“” 两维半模型是将型腔简化为一系列具有定厚度的中性面片，每个中性面片 本身是二维的，但由于其法向可指向三维空间的任意方向，因此组合起来的整个 中性面可用于近似描述三维薄壁制品。这种模型的实质是将二维面在三维空间中 组合起来，是介于平面、柱面、参数曲面等单纯二维面模型和真正的三维实体模 型之间的一种模型，因此称为二维半模型。进行二维半分析的关键问题是如何将 适用于单个中性面片的一维或二维算法推广到具有三维空间坐标的整个中性面。 解决这一问题的方法主要有以下三种： c e 并行冷却分析技术在模具设计中的应用与研究 ( 1 ) 二维展开法：将三维制件展开在二维平面上，然后用二维分析方法进 行分析，t a k a h a s h i 和m a t s u o k a 采用这种方法，考虑熔体温度的变化，实现了 对三维制件的非等温流动分析。 ( 2 ) 流动路径法：这种方法以一维流动分析为基础，先将三维制件展开在 二维平面上，然后将展平后的制件分解为一系列先定义好的一维流动单元，如圆 管、矩形平板、内径为零和内径不为零的扇形平板等，得到一组流动路径，每条 流动路径由若干流动单元串联而成。在分析过程中，通过迭代计算，在满足各流 动路径的流量之和等于总的注射流量的条件下，使各流动路径的压力降相等。这 种方法算法简单，所需计算时间短，但难以分析形状复杂的制件。对展平后的制 件进行分解往往要依靠分析人员和模具设计者的经验，数据准备工作量很大。 ( 3 ) 有限元有限差分混合法“”：这种方法沿用h i e b e r 和s h e n 提出的数 学模型，充分利用有限元方法本身的特点，即单元刚度矩阵可在单元局部坐标系 中计算，然后再组装成整体剐度矩阵的特点，通过制件三维空间坐标系与中性面 片二维局部坐标系之间的变换，处理三维制件的流动分析，避免了三维制件的二 维展开。这种方法还通过定义三角形单元的节点控制体积，将确定熔体流动前沿 的f a n 方法改造为控制体积法。此外，这种方法中采用了c r o s s 粘度模型，能在 实际注射成型的剪切速率范围内描述粘度，7 与剪切速率产、温度r 和压力p 的关 系，并能对流道、浇口和型腔进行整体分析。这种方法在计算过程中能自动更新 熔体流动前沿，不需人工干预，计算精度高，被许多商品化流动分析软件所采用。 4 三维流动分析 三维流动分析是在三维实体模型基础上，用三维有限元方法取代二维有限元 与一维有限差分耦合算法来分析流动过程的压力场和温度场。这是目前注塑成型 领域的一个热点，但由于数值方法的限制，还没有研制出成熟的算法和实用化软 件。 1 1 3c a e 技术的商品化软件 目前国外主要有以下注塑模c a e 商品化软件含有或配有充填模拟模块“2 1 “”： 1 美国a ct e e h 公司的c - m o l d 软件。该软件具有三个层次：第一层次的软 6 青岛科技大学研究生学位论文 件( p r o c e s ss o l u t i o n s ) 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、减小注射压力、平衡流道系统、优化成型时阃、预定成型工艺参数、 布置冷却管道、诊断注塑缺陷和成本估算等；第二层次( p r o d u c t i v i t ys o l u t i o n s ) 为流动模拟软件c - f l o w 、保压分析软件c - p a c k 和冷却分析软件c - c o o l ，实现平 衡流动、预测熔合纹及气穴位置、评价浇口位置及流道尺寸、获取最佳冷却效果： 第三层次( p e r f o r m a n c es o l u t i o n s ) 为流动、保压、冷却耦合分析，其结果用于 塑料制品的应力和翘曲分析。a c - t e c h 公司的软件来自于美国c o r n e l l 大学 k k w a n g 教授领导的c i m p 科研组2 0 多年的科研成果，因此该软件无论是在数 学模型、程序编制，还是在用户界面和软件接口方面都有较高水平。目前a c t e c h 公司已经于m o l d f l o w 公司合并，c m o l d 软件也与m o l d f l o w 软件进行合并升级。 2 澳大利亚m o l d f l o w 公司的注塑模c a e 软件m p i “”。它主要包括流动模拟 程序( 盯f l o w ) ，冷却分析程序( m f c 0 0 l ) ，翘曲分析程序( m f w a r p ) 和应力分析 程序( m f s t r e s s ) 。澳大利压m o l d f l o w 公司是世界上最早( 1 9 7 8 年) 推出商品化 流动模拟程序的软件公司，因此该公司的流动模拟程序在世界上有较多用户。目 前m p i 软件已经升级至5 0 版本，分析的准确程度大为提高，操作日益简捷，应 用也愈为广泛。 3 德国i k v 研究所的c a d c a e 软件c a d 删l d 。该软件包括模架方案构思和 设计( l a y o u t d e s i g n ) 、二维流动分析( 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 l l a y o u to fm o u l d s ) 。该所推广和应用的是德国a a c h e n 大学的科研成果。 4 加拿大m c g i l l 大学用于注塑过程( 流动、保压、冷却) 分析的m c k a m 一2 系 统。 5 美国s d r c 公司的i d e 矗s 系统。i d e a s 系统原为通用机械c a d c 矗e 系统， 近几年来s d r c 公司陆续开发出塑料注射成型流动、冷却和翘曲分析程序，并将 这些程序与i d e a s 系统集成，在国际市场上推出适用于注塑模的i d e a s 软件包。 6 美国和意大利p c ( 塑料与计算机) 公司的c a d c a e c a m 软件t m c o n c e p t 。 该软件主要包括材料选择( t m c m s ) 、注塑工艺条件和模具费用优化( t m c - m c o ) 、 流动模拟( t m c f a ) 、冷却分析( t m c m t a ) 和模具型腔设计( t m c c s e ) 共五个程序 包。 7 c e 并行冷却分析技术在模具设计中的虑用与研究 7 美国g r a f t e k 公司的注射模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 舢f l 0 霄、三维流动分析软件s i m u f l o w3 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 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 e l l 大学c i 肝研究组的科研成果。 8 美国p r i m e c v 公司、美国p r i 舵一c a l m a 公司、法国c i s i g r a p h 公司、英 国d e l t a c a m 公司和美国m c d o n n e i id o u g l a s 公司的注塑模设计制造软件包。这 些软件包都是以某种几何造型系统或通用机械c a d c a m 系统为主，集成流动模拟 软件、冷却分析软件和模具设计软件而成的。 国内的商品化软件以华中理工大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验 室开发的h s c 系统为代表“”。这是我国自行开发的第一个注塑模c a d c a e c a m 集 成系统，其中的流动保压模块是“八五”科技攻关项目“塑料注射模流动仿真 和交互计算系统”的研究成果，达到国外九十年代初期的先进水平。 1 1 4c a e 技术的研究趋势 尽管注塑成型充填模拟已有许多商品化软件，但在如下几方面仍需进一步完 善和发展： i 数学模型和算法的进一步完善。 目前的商品化充填模拟软件一般采用二维半方法，虽然考虑了制品中性面在 三维空间的几何位置，但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。随着注塑成型工艺的发展，能够制造的 注塑制品的结构越来越复杂，壁厚差异越来越大，物理量在壁厚方向上的变化逐 渐变得不容忽视，为进一步提高软件的分析精度和使用范围，必须对目前的分析 模型和算法做进一步完善，例如对充填过程进行真正的三维分析，目前，澳大利 亚的m o l d f l o w 公司已经将三维分析应用于m p i 软件中，研究更加深入。 2 充填过程与注塑成型其它过程的耦合分析。 目前的注塑模c a e 软件包括充填模拟、保压分析、冷却分析、应力分析、翘 曲分析以及模具强度刚度分析等，各软件的研制与开发都是基于各自独立的数学 模型，忽略了相互间的影响，而在实际注射成型过程中，这些过程是交织在一起 8 青岛科技大学研究生学位论文 互相影响的，因此必须将各部分有机地结合起来，进行耦合计算分析，才能获得 精确的分析结果。澳大利亚m o l d f l o w 公司的m p l 4 0 版本已将流动、保压、冷却 和气辅结合起来。 3 模拟软件与c a d c a i i 软件的集成化。 模拟软件可以利用c a d 系统的几何模型，c a d 系统则根据模拟的结果来评价 其设计方案，并运用c a m 技术生成加工指令。这样的一体化集成系统能独立完成 整个模具的设计、优化及制造。美国的s d r c 公司、u n i s y s 公司、m d 公司、c v 公司、i n t e r g r a p h 公司、法国的c i s i g r a p h 公司和英国的d e l t a c a m 公司都推出 了这样的集成系统。华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的注塑模 c a d c a e c 从系统h s c 3 0 也是这样的集成系统。 4 人工智能技术在充填模拟软件中的应用。 高层次智能化的充填模拟软件应具有思维和推理能力，能完成一系列需要设 计人员经验的过程，如自动提供工艺条件的初始参数，根据模拟结果诊断制品缺 陷等。目前，国外已有不少公司致力于这方面的研究，并相继展示了他们的成果， 如美国a c t e c h 公司的流动模拟软件c f l 0 w 3 1 版本使用了启发式知识来自动判 断融合纹和气穴的数目和位置，并给出一些解释和建议；澳大利亚的m o l d f l o w 公司最新推出的一套用于联机分析处理成型过程的控制系统i p c ( i n t e l l i g e n t p r o c e s sc o n t r 0 1 ) 能将模拟结果和实时工艺参数的测量结果进行比较，并运用专 家系统j i 螽测产品的质量，调整成型参数。国内上海交通大学在这方面进行了较深 入的研究。 5 新的注塑成型工艺的充填模拟。 近年来，注塑成型技术出现了许多新工艺，如气辅成型和夹心成型等。这些 新工艺拓宽了注塑成型技术的应用，能生产出质量更高，结构更复杂的制品，有 巨大的经济效益。 1 2 冷却分析的理论基础 1 2 1 数模理论的基本假设及控制方法 9 c a e 并行冷却分析技术在模具设计中的应用与研究 注射模冷却的实际物理过程十分复杂，在建立其控制方程时须做适当简化， 其基本假设为： ( 1 ) 模具在稳定状态下工作，忽略模壁温度的周期性变化。 ( 2 ) 塑件较薄，型腔内的热流仅沿型腔表面法线( 即厚度) 方向传播。 ( 3 ) 塑件与模壁完全接触，塑件表面温度与模壁温度相等。 在上述基本假设下，模具冷却问题化简为一无热源的定常热传导问题，其控 制方程为： 等+ 窘+ 窘= 。 c x 伸z ，vm t ， 其中v 是由模具外廓表面s e 、型腔表面s p 和冷却孔表面s c 为边界围成的 区域( 见图1 2 ) 。 1 2 2 边界条件伍1 f i g u r e1 - 2t h es k e t c hm a po f m o l ds t r u c t u r e 图1 2 模具结构示意图 在模具型腔表面上有： k 。_ o t ：石( 1 - 2 ) k 一瓦2 q 其中u 为型腔表面的外法线方向，k n 为模具的热传导率，q 为循环平均热 流，由下式给出： 志( t ) d 。+ f t q 2 ( t ) d ， ( 1 - 3 ) i o 青岛科技大学研究生学位论文 其中t c 和l p 分别为冷却和开模时间，q l ( t ) 、q 2 ( t ) 分别是冷却和开模过程 的瞬时热流。冷却时间t e 和c 1 2 ( t ) 可通过求解塑件的一维瞬态热传导方程( 1 - 4 ) 得到： p c o 执r = 杀( 髟訇 c 川 方程( 1 - 4 ) 中t 为时间，t 为熔体温度，p 、k p 和c p 分别为熔体的密度、热 传导率和等效比热，s 是沿塑件厚度方向的局部坐标。在对塑件进行一维瞬态热 传导分析时，初始条件可取注射温度或充填分析结束时熔体的温度分布，边界条 件取塑件表面的温度作为型腔表面温度。 冷却孔表面s c 的边界条件为： 一瓦娶= h ( ，一乏) 0 - 5 ) 式中u 冷却孔表面的外法线方向 t c 冷却介质的温度 h 模具与冷却液之间的换热系数 h = 0 0 2 3 等r e o 8p r”0-6) 上式中雷诺数r e = 4q d v ，普朗特数p r = v a ，其中q 为冷却液的体积 流量。d 为冷却孔的直径，v 、a 和k e 分别为冷却液的运动粘度、热扩散系数和热 传导率。 模具外廓表面换热一般对型腔表面温度分布影响不大，精确计算模具外表 面的温度分布亦无太大意义，因此可将模具外表面看作一无限大的绝热球面。 1 2 3 数值求解方法伍冽 模具温度场的确定最终归结为对l a p l a c e 方程( 1 一1 ) 的求解，由于模具几何 形状的复杂性，一般情况下不可能用解析法来求解方程( 1 - 1 ) ，而必须采用数值 解法，目前普遍采用的是边界元法。边界元法的基本思想是把偏微分方程的边值 问题解析归结为边界上的积分方程，然后离散化数值求解，是一种解析与数值结合 c e 并行冷却分析技术在模具设计中的应用与研究 法。边界元法的主要优点是将所处理问题的空间维数降低一维，只需在边界上进 行离散化，而不象有限元法或有限差分法需将整个求解区域离散化数据准备工 作量和求解计算量较小。此外，由于边界元法引入微分方程的基本解，具有解析和 离散相结合的特点，因而具有较高的求解精度。注射模冷却分析关心的是模具型 腔表面( e p 边界) 的温度分布，因此利用边界元法求解注射模冷却问题具有其它 方法不可比拟的优越性。 1 2 3 1 边界积分方程 由g r e e n 积分第2 恒等式可导出l a p i a c e 方程( 1 一1 ) 的边界积分方程： c ( 尸) 丁( p ) = 。j 矿( p ，毛( q ) 一瓦( p ，q ) r ( q ) m ( q ) ( 1 - 7 ) i 1 c ( p ) 4 1 2 1 0 p e 矿 p e s p 芒v 式中p 、q 为空间的点，瓦= o t ( q ) o u ，u 是q 点向外的单位法线矢量，t 是l a p l a c c 方程( 1 1 ) 的基本解，t + ( 尸q ) = 1 4 万捌，巧= o t + 缸，s = s e + s p + s c 。 由于注射模结构的特殊性，模具型腔长、宽比厚度大几个数量级，即型腔为一 狭缝面，因此需对边界积分方程( 1 - 7 ) 进行修正，否则将导致系统方程奇异。为此采 用断裂力学中处理裂纹问题方法，将型腔表面s + 和s 。( s p = s + + s ) 用其中心 面r 来代替，设q + 和q 分别为中面r 上q 点在s + 和s 上的对应点，则有 1 和，q ) = t 和，q + 声- t 口，q ) t 。，q ) = t 。+ 口，q + ) ；t 。假q 。) 当p 点r 上时，将上式代入方程( 1 7 ) 得： ) “绷蟊( 9 + ，j l ，( 只9 乃( 9 一毛+ ( 只9 ，( 9 蛾( 9 至竽= r 扩( p q 腿( q ) - 歇砌川绷蟊( q ) ( 1 - 8 ) + s - rj t ，( p , q ) z t p ( q ) - t p ( p ，q 罗( q 叼蟊( q ) 青岛科技大学研究生学位论文 其中t ( p ) = t ( p + ) + t ( p ) ，5 - ：t u ( q ) = t u ( q + ) + t u ( q 。) ，t ( p ) = t ( p ) - t ( p ) 。 在积分方程( 1 8 ) 中已消除了狭缝面上积分遇到的麻烦，然而新得到方程 ( 1 8 ) 的解并不唯一，只能求出温度或温度梯度的和或差，因此需建立一补充方程。 为此对于方程( 1 - 8 ) 两边沿p 点的法线v 求导，经变换后得： a r , f e ) 2 = ，i 【弓( 尸，q ) 瓦( q ) 一( p ，q ) a t ( q ) d s ( q ) + ，f 【弓( p ，q ) e t u ( q ) 一毛( p ，q ) r ( q ) 】以( q ) 避免沿冷却孔周向离散，将冷却孔视为线源，即设冷却孔表面温度和热流沿 周向为常数，对基本解t ( p ，q ) 进行修正，令p 点在冷却孔横截面的中心( 即在 域v 外) ，将冷却孔轴线分成i n 段，则当p 点在鳓段上时，由方程( 1 7 ) 可得： 窆fr 【，( p ，q ) 瓦( q ) 一瓦( p ，q ) a t ( q ) r , d o d i ( q ) ”! ( 1 1 0 ) + i 矿( j p ，q ) t p ( q ) - t u ( 尸，9 丁( 9 】蟊( q ) = o ；r 如将模具外廓表面视为一无限大绝热球面，则方程( 1 8 ) 、( 1 - 9 ) 和( 1 - l o ) 中 模具外廓表面s e 上的积分可分别简化为： j 旷( p ，q ) l ( q ) 一( p ，9 r ( q ) 】蟊( q ) = o ( 1 1 1 ) l 旷( 尸，q ) 正( q ) 一瓦( 尸，q ) r ( q ) 】蟊( q ) ；r 。o ( 1 - 1 2 ) t 一为一未知量，可通过区域v 中的能量守恒来确定。 1 2 3 2 边界积分方程的离散 一般情况下不可能用解析法来求解积分方程( 1 8 ) 、( 1 - 9 ) 和( 1 1 0 ) ，而必须采 用近似的数值解法。为了求出边界积分方程的数值解，可将模具型腔表面离散成 三角形单元，将冷却孔沿轴线离散成一维线单元，代入相应的边界条件，则可得 到边界积分方程( 1 8 ) 、( 1 - 9 ) 和( 1 1 0 ) 的离散形式，单元上的积分可用解析法( 奇 异积分) 和高斯求积法( 非奇异积分) 计算，最终边界积分方程( 1 8 ) 、( 1 - 9 ) 和 ( 1 一1 0 ) 可化为一线性代数方程组： 【a 】 t = b ( 1 - 1 3 ) 1 3 c a t ：并行冷却分析技术在模具设计中的应用与研究 求解该方程组即可得到模具型腔表面的温度分布。 1 2 3 3 塑件一一模具温度场的耦合迭代求解 在对模具型腔表面温度场的边界积分方程求解时，需要知道其循环平均热 流q ，该热流可通过对塑件进行一维传热分析( 即求解方程( 1 - 4 ) ) 得到，但求解方 程( 1 - 4 ) 时又需知道型腔表面的温度，因此需迭代求解。其具体步骤为： ( 1 ) 假设一个型腔表面温度分布的初值可取为冷却介质的温度。 ( 2 ) 对塑件进行一维传热分析，计算循环平均热流。 ( 3 ) 根据型腔表面平均热流，利用边界元法求解方程( 1 1 ) ，得到型腔表面温 度分布。 ( 4 ) 如果求得的温度分布与假设值之差小于给定误差，该值便为收敛解，否 则将该温度分布作为初值继续进行( 2 ) 、( 3 ) 步计算 1 2 4 冷却分析的商品化软件 目前国外主要有以下注塑模c a e 商品化软件含有或配有冷却模拟模块，如美 国a ct e c h 公司冷却分析软件c - c o o l 、澳大利亚m o l d f l o w 公司冷却分析程序 ( m f c o o l ) 、美国g r a f t e k 公司冷却分析软件s i m u c o o l 、美国和意大利p & c ( 塑 料与计算机) 公司冷却分析( t m c - m t a ) 等 国内的商品化软件有天津轻工业学院等单位开发的c a d 冷却软件。北京航 空航天大学华正模具所开发的c a x a 系统及华中理工大学模具技术国家重点实验 室开发的h s c 系统。 1 3m o l d f l o w 功能介绍嘲嘲嘲 1 3 1l l o l d f l o w 简介 自本世纪4 0 年代以来短短6 0 余年，塑料加工行业飞速发展，从而带动了注 青岛科技大学研究生学位论文 塑模的迅速发展。塑料工业对模具的迫切需要是注塑模c a e 技术发展的原动力， 而近2 0 年来，塑料流变学、几何造型技术、数控加工技术、计算机技术的飞速 发展为注塑模c a e 系统的开发创造了有利条件。1 。综观c a e 发展的历程，它 经历了从一维、二维到三维的过程。注塑成型过程模拟的研究在国外开展的比较 早，成果较多，出现了许多商品化c a e 软件，如上述澳大利亚m o l d f l o w 公 司的m o l d f l o w 软件，美国a c t e c h 公司的c m o l d ，英国r a p r a 公司 的f i l l c a l e i v 等。我国注塑成型模拟研究开始于8 0 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 方面取得了长足进展，并在某些方面达到了国际9 0 年代初的水平。较为优秀的 成果如华中科技大学的h s c 3 d r f 软件等。这些软件一般都分为：数据库、几何 造型和网格划分模块，初始设计模块、分析计算模块、结果显示等几个部分。( 本 课题c a e 分析均采用m o l d f l o w 软件。) m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t ( m p i ) 软件提供了先进的成型过程模拟分析工具，可 以预测并消除潜在的加工问题，并优化产