基于NASTRAN的注塑模具受力构件有限元分析.pdf

图1圆形型腔受力图基于NASTRAN的注塑模具受力构件有限元分析姚涛,段国林,蔡瑾(河北工业大学机械学院CAD/CAM研究所,天津300130)1引言近年来,随着塑料工业突飞猛进地向前发展,模具设计与制造工业也发生了根本的变化。高效、自动化、大型的模具在整个模具产量中所占的比例越来越大。注塑模具的设计一般过程为:根据制件造型利用三维造型CAD软件进行模具设计,利用充模流动分析软件进行浇注系统等的设计,根据分析结果进行模具构件的受力及变形分析。在设计中,对于小型模具,其型腔受力件多以校核强度为准,但对几何外围尺寸较大的模具则不然。因为满足强度要求的模具型腔在高压作用下仍有可能产生较大变形。模具尺寸越大,这种弹性变形量也就越大,因而也容易产生溢料现象。较大型模具在生产中很少有因强度不足而损坏,损坏往往是由刚度问题引起的,故此类构件以刚度计算为准1。只有各结构组成零件具有足够刚性和强度,才能确保塑件几何形状与尺寸精度满足脱模的可靠性要求,因此注塑模具受力构件的有限元分析是注塑模设计与制造必须考虑的关键步骤。目前,国内外注塑模具的CAE分析主要集中于制品的流动模拟分析,对模具构件应力及变形分析和评定的文献并不多见2。国外结构复杂模具的设计由专业厂家承担,如美国的DME公司、德国的HASC公司、日本的池上金型株式会社等。国内在设计上仍然大多采用凭经验的方法,对模具受力构件进行详细有限元分析的报道较少,目前,见报道的只有四川大学的王大中等人利用ANSYS进行了桑塔纳轿车保险杠大型注塑模具受力构件的有限元分析3。本文以MSC/NASTRAN为平台进行注塑模具受力构件的有限元分析,不仅为注塑模具的力学设计提供了一种新的方法,而且拓展了NASTRAN软件在工程领域中的应用。2MSC.PASTRAN/NASTRAN简介MSC.PASTRAN/NASTRAN是由美国宇航局支持发展的有限元分析和计算机模拟应用软件,其中,MSC/PASTRAN是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统4。其开放式/多功能的体系结构可将工程设计/工程分析/结果评估/用户化设计和交互界面集于一身,构成一个完整的有限元分析集成环境。MSC.NASTRAN是一个具有高度可靠性的结构有限元分析软件,以其优化的数值求解方法、全面的结构分析能力已成为有限元分析软件的典范。由于软件具备静力分析、屈曲分析、动力学分析、非线性分析、热传导分析等强大功能,因而广泛应用于机械、建筑、船舶等各大工程领域问题中。3组合式圆形型腔侧壁分析3.1型腔侧壁力学分析及理论计算注塑模的整体坚固性至关重要,只有各结构组成零件具有足够刚性,才能确保塑件几何形状与尺寸精度及脱模的可靠性要求,因而,力学设计是注塑模设计成功的关键。模具型腔是在模具中直接用于成型塑料制件的空腔,是注塑模具结构中的关键构件,本文以组合式圆形型腔为例进行有限元分析。某注塑模具凹模型腔为一典型的组合式圆形型腔结构,其简化模型结构以及受力状况如图1所示,该简化模型基本符合模具实际情况,型腔内半径为200mm,有效高度h=150mm,型腔内熔体的内压力p=50MPa,模型结构及受力情况如图1所示。注塑模具考虑到加工困难和缩短制模周期,一般模具型腔都采用组合式,可以把组合式圆形型腔视为两端开口、受均匀内压的厚壁圆筒。当高压熔体注入型腔时,由于构件弹性变形会产生溢料间隙,为此,依据不同塑料的粘度特征,在组合式型腔中的配合面上以其不溢料的最大间隙作为刚度条件。其壁厚t可用下式初步求得:t=RRp(1-!)+E/E-Rp(!-1)!-#1(1)摘要:针对注塑模具的力学设计及注塑件的可靠性要求,文中利用MSC公司的PASTRAN和NASTRAN有限元分析软件,以注塑模具中典型的组合式圆形型腔受力构件的简化模型为例,在MSC.PASTRAN前处理软件平台中建模,并进行合理的模型参数设置和有限元网格划分,将生成的BDF文件递交NASTRAN求解器运算,对模具凹模侧壁及底板的变形情况进行了有限元分析,该分析同传统的理论计算值相比较,结果表明符合情况良好,从而为注塑模具的受力变形有限元分析提供了一种新的方法,并拓展了NASTRAN软件在注塑工程分析中的应用。关键词:MSC.PASTRAN/NASTRAN；注塑模具；有限元分析；中图分类号:TP391.77文献标识码:A文章编号:1002-2333(2007)09-0086-02M制造业信息化MANUFACTURINGINFORMATIONALIZATION86机械工程师2007年第9期!(a)(b)图4底板有限元分析本例中,初始设计壁厚为100mm,然后进行校核,则变形量为:!=rPER2+r2R2-r2+#(2)式中-泊松比,碳钢为0.25；R-圆形型腔半径,mm；E-模具材料的弹性模量,碳钢为2.1105MPa；p-型腔内熔体压力,Pa。3.2型腔侧壁有限元建模及求解由节点和元素构成的有限元模型与机械结构系统的几何外形基本一致。根据实体模型的对称性,取其中1/4的结构建立有限元模型,划分网格。采用前置处理软件MSC.PASTRAN建立有限元几何模型所需输入的资料,如节点、坐标系统、指定材料特性、网格类型及大小、边界条件及所加载荷类型和大小等条件。材料特性的确定、材料类型及其属性对有限元模型的计算会产生重要影响,本例中模具材料特性为:弹性模量E=2.1105MPa,泊松比=0.25。网格的划分,划分网格等级的高低直接关系着所求模型的节点和元素的数目的大小,既关系着求解时间的长短,也关系着求解精度的高低。MSC.NASTRAN具有非常丰富的单元库,单元拓扑包括点、线、三角形、四面体、六面体等,同时,一种单元形状又具有多种拓扑形式。六面体单元相对于四面体和五面体单元,适用性较差,但其精度较高,适用于较规则实体的网格划分。本文所研究注塑模具型腔较为规则,故采取Hex8网格自动生成划分方法,整个模型共划分7162个节点,6001个单元,如图2(a)所示。边界条件及载荷条件的施加,边界条件可以直接施加到有限元模型,也可施加到几何模型上,本文采取将边界条件施加到有限元模型中,其模型可以看作是两侧面和上下底表面均受固定约束,也即限制了表面的六个自由度,前处理如图2(a)所示。在PASTRAN中将模型转换成NASTRAN可识别的格式,存储为.bdf文件供Nastran读取,进行文件模型的读入,递交NASTRAN求解器进行分析计算,并将分析结果在后处理器中显示,如图2(b)所示。3.3结果对比分析由凹模的等效模型应力及变形分布图可以看出,利用MSC.NASTRAN有限元软件分析得到的侧壁最大变形位移为0.132mm,最大位移从图中可以直观地显示,模具内侧壁变形最大,这样导致了模具型腔与底板之间的间隙,从而产生溢料现象。同理论分析公式(2)计算得到的变形量!=0.136mm相比,误差仅为2.94%,说明了MSC.NASTRAN在大型模具分析中的可靠性。4型腔底板变形分析4.1型腔底板力学分析及理论计算该模具设计凹模型强底板厚度为100mm,由于组合式型腔底板可视为“周边支撑的简支圆板力学模型”,其最大挠度发生在中心,理论计算公式为:!=0.74pr4Eh3(3)式中h-型腔底板厚度,mm；!-底板的最大挠度,mm。4.2型腔底板有限元建模及结果对比分析在PASTRAN前处理中,设置模具材料特性为:弹性模量E=2.1105MPa,泊松比=0.25,网格划分中,创建节点数为16474个,单元数10907个,采用4节点四面体单元(Tet4),依据前述有限元建模方法建立模型,几何模型及其边界约束如图4(a)所示,经MSC.NASTRAN求解器计算并后处理结果如4(b)所示。由图4(b)可以看出,最大挠度发生在底板中心,其变形值为0.255mm,经式(1)(3)计算得:!=0.282mm,误差为0.027mm,相对误差为9.57%,验证了NASTRAN分析的可行性。5结论本文通过注塑模圆形型腔为工程实例研究对象,以MSC.PATRAN前处理软件及MSC.NASTRAN有限元分析软件为平台,对典型注塑模具受力构件的应力及变形通过选取适当的有限元网格自动划分方式进行了详细的分析,获得了与理论计算相吻合的结果,验证了MSC.NASTRAN在注塑模具受力构件结构与应力分析中的可行性和可靠性,为注塑模具的有限元分析提供了一种新的方法。参考文献1奚永生,等.大型注塑模具设计M.北京:中国轻工业出版社,1996.2李德群.现代模具设计方法M.北京:机械工业出版社,2001.3王大中.大型注塑模具CAE分析D.成都:四川大学,2005.4马爱军,周传月,王旭.Pastran和Nastran有限元分析专业教程M.北京:清华大学