一-模具CAE技术概论.ppt

模具CAE基础,模具设计与制造专业,知识要点一有限元分析概述二有限元法分析的基本过程三通用有限元软件简介四冲压成形有限元模拟软件简介五塑料成型模拟软件简介,模具CAE基础,一.模具CAE技术概论,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。,CAD：ComputerAidedDesign计算机辅助设计CAM：ComputerAidedManufacturing计算机辅助制造CAE：ComputerAidedEngineering计算机辅助工程,模具CAD/CAE/CAM技术借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。能显著缩短模具设计与制造周期,降低生产成本和提高产品质量。,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。,1.1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。,流体,力学,热传导,成型分析,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,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。,有限元软件ANSYS,ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computerAideddesign）软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo，NASTRAN、Alogor、IDEAS、AutoCAD等。,ANSYS是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。目前，中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。,四、冲压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。,管材头部的打扁成型模拟,拉深制件的成型分析,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数字解法与数字模拟技术)，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。,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。,五、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，优化设计模具结构使得制出的产品收缩变形减少，保证装配尺寸；MPI/FIBER纤维取向分析纤维取向分析模块可以对添加了纤维材料的塑料填充全过程进行模拟，确定纤维在制品中的取向，保证制品性能。,MPI/STRESS残余应力分析能够计算模具型腔在填充、保压、冷却等各个时期内，由于因冷却不均匀、收缩不均匀、模壁摩擦等原因引起的产品各部分出现内因力；通过此模块的优化，可以保证制出的产品有较好的机械性能、强度、韧性；MPI/OPTIM优化设计专家能优化流道尺寸、浇口位置，使型腔填充均匀，避免由填充不均匀所导致的残余应力、翘曲变形；提供优化的填充、保压阶段的螺杆行程速度曲线及其他工艺参数，确保熔料在型腔中均匀前进。使用者无需丰富的经验，也可设计出合理的浇注系统，设定合理的工艺条件；MPI/GAS气体辅助成型分析气体辅助成型分析模块可以对采用气体辅助成型的工艺进行塑料流动，气体穿透情况分析，并提供相应的注塑工艺及气体穿透参数，如注射时间、开始充气时间、保压时间、气体保压压力曲线、螺杆变速曲线等等；,MPI/TSETS热固性塑料成型分析模拟热固性塑料在型腔中从物料熔融塑化到反应成型固化的过程，并预测树脂填充型腔时的各种参数，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；MPI/FLOW3D真三维流动分析该模块是建立在四面体立体网格上的真三维流动、保压分析。主要用于厚壁制品的分析，预测成型过程中的各种参数，包括熔料推进过程、温度、压力、剪切应力等，通过以上结果可以分析制品成型后可能产生的缺陷，包括熔接痕、气穴、缩痕等。,图MOLDFLOW软件流动分析的实例,MPA的主要技术特性和功能,MPA(MoldflowPlasticAdviser)适合非专业性的使用者(如产品设计人员)。,一、产品设计评估EveryPartDesignEvaluated首先,设计人员可以快速评估每个薄壳射出塑件的制造可行性，产品设计概念得以在最初的阶段即加以改善。MPA将产品设计及模具修改所需花费的时间与金钱降至最低，并缩短产品上市时间。二、仿真制造过程VirtualManufacturingInsightMPA对于设计人员的主要制造顾虑提供实用的建议，并能迅速的修改影响产品制造品质的设定与性质，例如薄板厚度、浇口位置、补强肋的位置及原料的选择。,三、先进的科技AdvanceTechnologyMPA是以非牛顿、非等温的理论解析，及实际注模行为的仿真为基础，所以结果非常的可靠、可信。另外，Moldflow丰富的原料数据库(Database)包括了全球各大商牌七千多种原料之各项详细精确的材质特性数据，并随时更新，供设计人员充分利用。,四、软件特性工业界最佳CAD整合软件IndustryBestCADintegrationMPA可以用集成中CAD环境下的Moldflow菜单进行格式转换，或是接受STL档案，单独使用。通过MPA使得CAD实体模型可以被真实地仿真出来。实体基础SolidBasedMPA是以实体为基础，在杂乱的资料转换、网格的建立、实体模型的mid-plane各方面需要下评估。因此，即使再复杂的产品，也可以在很快的时间内完成。操作极其简便Extremeeaseofuse通过模型操作工具列、线上教学和直觉式图形使用者接口(GUI)，使得MPA操作相当简便，只需要几