塑料水槽及其注模具设计【560×450×279】【说明书+CAD】
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560×450×279
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盐城工学院毕业设计说明书摘 要本设计说明书在在对塑料模具及塑料成型模具技术进行系统研究的基础上，对塑料水槽及其模具的设计做了全面的叙述。本设计design采用UG软件作为开发平台，不用草图sketch，可以在建模状态state下随心at your will得到所需要的结构形状form，提高improve了建模的精确性accuracy，加快了建模的速度。塑料水槽的设计的内容包括制品的材料选择，壁厚的确定，收缩率的确定以及用UG软件绘制的过程。塑料水槽的模具的设计，包括型腔数目的确定，型腔分形面及浇注系统的选择，注射成型模具零部件的设计及其它辅助结构件。在型腔数目的选择中，采用了一模四腔的设计方案，成型费用达到了最佳。关键词：模具；UG 软件系统；塑料水槽；塑料成型模具；模具设计ABSTRACT On the basis of the systemic study of plastic mould and technology of the mould for plastics, this paper makes a depiction of the designs of the plastic flume and its mould. In my design, UG is used as a modeling tool. Without sketch, UG can set up the model at your will to improve the modeling accuracy and speed the modeling. The flumes design includes the selection of the material, thickness, contractibility and how to use UG to plot it. The moulds design includes the selection of the cavity number, the cavity fractal face and moulding system; in addition, this design includes the designs of injecting mould accessory and other parts. Especially, in the selection of the cavity number, I adopt the plan of four cavities in a mould in order to make the charge least.Key words: mould ¨ UG system; plastic flume; mould for plastics; mould design盐城工学院机械工程系毕业设计说明书目 录0 引言 11 水槽及其注塑模具设计总体方案 31.1 总体方案论证 32 水槽设计部分 42.1 UG软件设计部分 42.2 塑料水槽的参数设定 63 水槽模具设计部分 113.1 确定型腔数目 113.2 型腔分型面及浇注系统 143.3 注射成型模具零部件的设计 163.4 其它辅助结构件 213.5 脱模机构 223.6 复位机构 223.7 预期结果 224 结论 23致谢 24参考文献 25附件清单 260 引言在国家产业政策和与之配套的一系列经济政策的支持下，我国模具工业发展迅速，模具行业产业结构也有了较大的改善，已经成为国民经济的基础工业之一。近年来，由于新技术的引进，模具工业有了新的发展，了解国内外模具发展的现状及其发展趋势，对于本毕业设计无疑具有很大的借鉴作用。塑料模在国内发展的现状塑料模是应用最广泛的一类模具。在国外，塑料模占模具行业的50%以上，而我国只有30%左右。国内模具制造周期比国外长2-4倍，模具的质量稳定性也较差，总体水平与国外比尚有较大差距。而塑料模的主要应用领域：汽车摩托车行业，家电电子行业在加入WTO后将会有更多的新产品开发，对各个档次的模具需求均有大幅增长。现代模具工业的发展趋势传统的模具制造技术，主要是根据设计图纸，用仿型加工，成形磨削以及电火花加工方法来制造模具。而现代模具不同，它不仅形状与结构十分复杂，而且技术要求更高，用传统的模具制造方法显然难于制造，必须借助于现代科学技术的发展，采用先进制造技术，才能达到它的技术要求。当前，整个工业生产的发展特点是产品品种多、更新快、市场竞争剧烈。为了适应市场对模具制造的短交货期，高精度、低成本的迫切要求，模具将有如下发展趋势：（1） 愈来愈高的模具精度。（2） 日趋大型化模具。（3） 扩大应用热流道技术。（4） 进一步发展多功能复合模具。（5） 日益增多高挡次模具。（6） 进一步增多气辅模具及高压注射成型模具。（7） 增大塑料模具比例。（8） 增多挤压模及粉末锻模。（9） 日渐推广应用模具标准化。（10） 大力发展快速制造模具。 塑性成型技术的现状及其发展精密成形技术对于提高产品精度、缩短产品交货期、减少切削加工和降低生产成本均有着重要意义。近!年来，精密成形技术都取得了突飞猛进的发展。精冲技术、冷挤压技术、无飞边热模锻技术、温锻技术、超塑性成形技术、成形轧制、液态模锻、多向模锻技术发展很快。除传统的锻造工艺外，近年来半固态金属成形技术也日趋成熟，引起工业界的普遍关注。所谓半固态成形，是指对液态金属合金在凝固过程中经搅拌等特殊处理后得到的具有非枝晶组织结构，固液相共存的半固态坯料进行各种成形加工。它具有节省材料、降低能耗、提高模具寿命、改善制件性能等一系列优点，并可成形复合材料的产品，被誉为&$世纪新兴金属塑性加工的关键技术。此外，在粉末冶金和塑料加工方面，金属粉末锻造成形，金属粉末超塑性成形，粉末注射成形、粉末喷射和喷涂成形以及塑料注射成形中热流道技术，气体辅助技术和高压注射的成功应用，大大扩充了现代精密塑性成形的应用范围。国内塑性成形技术与国外相比还有一定的差距，加入WTO之后，为了塑性成形技术逐步达到国际水平，需在如下六方面不断研究，不断提高：（1）塑性成形:有限元分析金属流动；数值仿真金属流动；成形工艺过程模拟，预测缺陷；纳米材料（超细、微细晶粒）成形，微观视塑法；快速原型成形。（2）模具设计:计算机辅助设计；反（逆）向工程；并行工程；快速设计；协同设计；人工智能；基于知识的工程；基于事例的推理；基于模型的推理；集成化技术；网络化技术；多学科多功能综合技术；特征技术。（3）模具结构:标准化模具；模块单元组合模具；基于Web的CAPP体系结构；纳米模具。（4）模具材料：A：基本材料：新型模具材料（冷作、热作）；钢结硬质合金。B：表面工程技术：热扩渗技术；热喷涂与热喷焊技术；复合电镀与复合电刷镀技术；化学镀技术；物理气相及化学气相沉积技术；高能束（激光束、离子束、电子束）技术；稀土表面工程技术；纳米表面工程技术。（5）模具制造：数控；电火花；线切割；超精加工；高速铣削；计算机集成制造系统；快速模具制造；柔性制造系统；敏捷制造系统；虚拟制造系统；智能制造系统；协同制造系统；精益生产体系；绿色制造系统；信息管理系统。（6）绿色环保技术：无色热锻润滑剂（削除乌烟肮脏）；拉深润滑剂（可完全挥发的）；无噪声技术；消震、隔震技术。针对国内模具发展的现状，本设计在水槽及其模具的设计中采用了UG软件系统作为模具开发工具。从提高经济效益着手，在模具的设计中，在确定型腔数目时，将模具制造与注塑成型同时考虑，采用了一模四腔的方案。在水槽设计中，在满足质量要求的前提下，充分考虑了水槽的外观，去掉了水槽中心的浇道，制品的摆放位置和传统的相差了180度，这样在制品被顶出的时候就不会影响到其外观。1 水槽及其注塑模具设计总体方案1.1 总体方案论证 本次毕业设计的任务包括塑料水槽及其模具的设计，水槽部分的设计应该充分考虑到它的拔模角度，因为如果制品的尺寸较大，必须使用大的拔模角度才能完成其开模。水槽模具的设计部分则应考虑冷却水道的分布是否合理，是否能够很好地冷却制品而且不影响其它零件的安排。顶出销顶出的部位是否会影响到制品的外观面。还有就是浇道的布置，不禁要在材料填充时充分填充，而且不能设置在制品的外观面上。最初，我的浇口设计在水槽中心，由于考虑到这个问题，我去除掉了这个浇道。还有一个和以往设计不同的地方就是制品的摆放位置和传统的相差了180度，这样在制品被顶出的时候就不会影响到其外观。 2 塑料水槽设计部分2.1 UG软件设计部分 本次毕业设计的水槽设计和水槽模具的设计部分，我都是在UG软件里完成的。 Unigraphics（简称UG）是美国UGS公司的主导产品，是全球应用最普遍的计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程（CAD/CAM/CAE）一体化的软件系统之一，在全球已经众多用户，广泛应用于机械、汽车、飞机、电器、化工等各个行业的产品设计、制造与分析。6 在UG中，模型是由各种特征通过一定的组合关系和位置关系组合在一起的试题。尽管对模型中各种特征的建立顺序与组合方法没有限制，但为了建立一个好的零件或产品模型，减少模型编辑过程中相关相关更新时出现错误的几率，一般根据零件或产品的加工顺序来作为建立模型中各特征的顺序，采用的特征一般也尽可能采用与加工形状相一致的特征。 当然，CAD/CAM系统中的建模过程不可能与实际加工过程一致，所采用的建模特征也与加工时的形状不同，不要拘泥于实际加工方法。具体建模时，可大致遵循以下的过程，简单地说就是从粗到细的过程。由于模型的最终结果是实体，以下工程中只包含了直接进行实体建模的一些操作。对一些比较复杂的模型，不能直接采用实体建模的操作建立时，可采用自由曲面操作逐个建立实体的表面，在缝合成实体或采用其他方法形成实体。2.1.1 选择基础特征选择基础特征相当于准备一个毛坯。推荐使用以下特征作为基础特征：扫描体：拉伸体（Extruded Body）、旋转体（Revolved Body）、管道（Tube）。体素：块（Block）、圆柱（Cylinder）、圆锥（Cone）、球（Sphere）。一般只使用以上特征中的某一个作为基础特征（特别是对体素特征），优先选用以草图曲线作为截面曲线建立的拉伸体或旋转体。2.1.2 建立模型的大体形状建立模型的大体形状相当于对毛坯进行粗加工。推荐使用以下特征建立模型的大体形状。添加材料的特征：凸台（Boss）、凸垫（Pad）。去除材料的特征：孔（Hole）、腔（Pocket）、直槽（Slot）、环槽（Groove）。扫描特征：拉伸体、旋转体，用非坐标平面上建立的草图作为截面曲线，可用于添加材料或去除材料。用户自定义特征（User Defined Feature）：可用于添加材料或去除材料。2.1.3 对模型进行细化对模型进行细化相当于对粗加工后的模型进行精加工。可使用各种特征操作来细化模型，完成对模型的建立：布尔操作：并（Unite）、差（Subtract）、交（Intersect），一般在操作过程中完成（有些是自动完成），不需单独的布尔操作。倒圆倒角：边倒圆（Edge Blend）、面倒圆（Face Blend）、软倒圆（Soft Blend）、倒角（Chamfer）。其他操作：修剪体（Trim Body）、镂空（Hollow）、特征引用（Instance）、拔斜度（Taper）、补片体（Patch Body）、缝合（Sew）6 我所用的毕业设计可以直接在建模部分里完成，不必借助于草图。因为如果在草图部分完成，所设计的很多地方都有参数关系，如果改变一个参数，那么其它地方也会跟着受到影响。而直接在建模部分来进行设计的话，在觉得不满意的部分可以随意的修改的。我觉得这是UG一个很大的特色。 比如说水槽制品的设计过程： 在建模状态下，用造型特征中的 块命令直接建立一个大小相当的实体出来，或者根据线结构，用定义矩形四个顶点的方法作出一个矩形，然后通过拉伸命令把矩形拉成矩形体。 水槽上面因为有一个边，是突出来的，那么就可以根据尺寸在矩形体的上表面开始往下定义在相应的位置修剪形体，在所得到的上部实体边缘进行补正，得到所需要的尺寸。此时水槽是两个分开的部分，但这个时候两部分还不能结合，因为在这部分分开后，要对水槽下面部分进行镂空操作。对水槽的上表面进行镂空可以得到除上表面之外的五个实体面都有了一定的厚度，在本设计中各个实体面取的是同样的厚度。这样就可以的到水槽内部中空部分，但是此时水槽被分开的上半部分中间还没有镂空，这时可以析出下面部分的四侧内表面进行拉伸，然后对上部分进行切开形体，四边全部全部切开后将上面得到的四块实体以及下面的实体进行结合，就可以得到水槽的大概形状。 水槽的底部有一个台阶孔，UG软件里有专门做孔和凸台的命令，但是，按我个人的经验来说，用做孔和凸台的命令定位比较复杂，所以我选择用做出圆柱实体出来，然后两个实体进行布尔运算的相并或相差，这样一来就可以的到你所希望得到的圆孔或圆台。根据这个思路，我先在需要做凸台的地方做出一个圆，用拉伸命令得到圆柱实体，这个实体的长度不要超出水槽的内表面即可，量测凸出外表面的地方与水槽外表面的距离，“多退少补”，进行补正。然后两个实体用布尔运算并成为一个实体。以同样的圆心做最小的圆孔的基本圆，拉伸为实体，这个实体超出水槽的内外表面，两实体用布尔运算作差运算，得到较小的通孔。再以同样的方法，根据台阶孔低于内表面的尺寸做圆柱作差运算得到台阶孔。 水槽上面边上下侧有环槽,可以采用修剪形体的方法来进行处理。首先把水槽下半部分的外表面析出并缩放，或者利用上下部分的交线用三点的方式进行切开形体，都可以得到同样的效果。然后把交线向外补正到需要的位置，这个补正可以用曲线补正，这样可以比较方便一点。得到需要的曲线之后进行Z方向的切割，然后将曲线转换，在Z方向平移，平移的距离为槽的深度，再进行X、Y方向的切割，将多出的实体删除，剩下的部分进行结合，水槽的大致形状就已经得到了。 最后的步骤就是倒圆角，在所有需要倒角的部分进行倒圆角，所倒的圆角的大小有参考资料和实际情况决定。 对于UG我的最大的感受就是不用草图，可以在建模状态下随心得到所需要的结构形状。2.2 塑料水槽的参数确定2.2.1 制品的材料选择低压聚乙烯，由于含有较高的相对分子质量、密度、结晶度，因此质地坚硬，耐寒性能良好，在70时还保持柔软。化学性能很高，能耐酸碱及有机溶剂。吸水性极小，有很突出的电气性能和良好的耐辐射性。用火焰喷涂法或静电喷涂法涂于金属表面，可以达到减摩和防腐蚀的目的。缺点是机械强度不高，热变温度很低，故不能承受较高的载荷。4低压聚乙烯这种材料比较符合这里的要求，因此选择低压聚乙烯作为制造水槽。2.2.2 壁厚的确定根据原则上的要求，制品的壁厚要均匀。其理由大致有两条：一是因为成型周期中的冷却时间是由制品壁厚决定的，即若某一部分较厚，那么冷却时间受厚的部分影响而延长成型周期，使成型效率降低。二是，因为冷却中的树脂在凝固过程中继续收缩，若壁厚不均，则造成收缩不均，产生缩孔或者讨厌的内部应力，以致发生变形或开裂。 确定壁厚时需要注意的重点事项如下：（1）是否具有足够的结构强度；（2）是否具有足够的脱模强度；（3）是否使冲击力均匀分散；（4）能否防止因嵌入金属嵌件而引起的开裂；（5）能否增强因制品的成型孔产生的熔接痕强度；（6）能否防止薄壁部位的烧伤和厚壁部位的缩孔；（7）是否充分考虑了薄壁及棱边部位的树脂流动性，能否防止填充不满的现象。1因为该制品为水槽，可家用，也可用于工业中，因此我的壁厚确定在7mm，以保证起强度。2.2.3 拐角部圆角的确定内部应力集中在面与面的相交处,即集中在拐角处。为了减少变形，在根部设置圆角可使应力分散，同时还能改善树脂的流动性，也有利于脱模。1 通过改变壁的厚度T与R的比例，其应力系数也相应改变。当R/T为0.3以下时，应力急剧增加，而R/T为0.8以上时，则应力的增加反而不明显。 此次设计的制品需要内外壁都做成圆角,由上表可以取拐角的内侧做圆角,其R为1/2壁厚。这种作法减少了应力集中，使拐角处壁厚增加了1/3。制品在外侧也设置圆角，其R为2/3壁厚，这是最合理的设计。因此，制品的内侧圆角为3.5mm，外侧圆角为10.5mm。2.2.4 加强筋的选择塑件的结构形状，往往是由许多壁面所组成的。对于其中较大的平面，由于增加壁厚在工艺上受到限制，为了满足使用上对强度、刚度的要求，就要设置加强筋。 设计加强筋时，应使中间筋低于外壁0.5mm以上，这样使支承面易于平直。3 在本制品的设计中，我决定采用六根加强筋，来满足使用上对强度、刚度的要求。2.2.5 注塑模成型零件的脱模斜度 在加工制造成型零件时,为了使塑件成形后易于从模具型腔内脱出，在垂直于分型面的凸模与凹模表面上必须制出脱模斜度。脱模斜度大小，可根据塑件形状、壁的薄厚、成形高度等因素来决定。在不影响塑件质量及精度情况下，应尽量选取最大值。 在加工与制造时，型腔的尺寸应以大端为准，而斜度应从大端尺寸向小端进取；型芯的尺寸恰好进取方向相反，应以小端尺寸为准，斜度应从小端向大端方向进取。2 为使制品在成型过程中能够顺利地从型腔中脱出以及顺利地型芯中被顶出，制品必须设有脱斜度。其脱模斜度的大小随制品表面粗糙度、形状以及尺寸精度的不同而不同，但通常最小不能低于0.5。 对于高光亮且透明的制品（PMMA，S/AN，PC，等）为保证在脱模过程中，制品的内外表面都不会被划伤，其型腔与型芯的脱模斜度，最小不得低于2。在成型长宽比超过5：1，且在模具中没有太多的位置设置顶杆的制品时，为防止制品收缩与变形，往往施以较大注塑压力，因此应给予这类制品加大的脱模斜度，通常不低于8。当制品中出现透孔时，由于塑料对成型制品透孔的芯子有较大的“抱紧”现象，因此需要给其较大的脱模斜度。在许多制品中没有较浅的凹台、凸台、筋等。大多数图纸中这类形状不标注脱模斜度，但设计者应当注意，这些形状的公差范围必须要满足在模具制造是其脱模件斜度的需要。4这里制品选用的材料为聚乙烯，但制品的尺寸较大，必须选择较大的脱模斜度，所以选取脱模斜度为4.7。孔的脱模斜度选为102.2.6 制品的尺寸公差一般模具成型零件的公差约为制品相应尺寸公差的1/31/4。从对制品公差的比例来说，这可能被认为是要求过分的高精度。这是为了避免因公称尺寸的尺寸公差过大，而造成壁厚误差增大难以确保制品特有的薄壁尺寸所必须的精度。在成型零件的尺寸上也有一些尺寸不标注公差，但在必须精确的部位，如孔的中心距及位于公称尺寸端部的壁厚等就必须标注公差。表5.4表示这些尺寸的公差。 表5.4 制品的尺寸公差 (单位mm) 1 尺 寸 公 差一 般圆孔的中心距公称尺寸端部的壁厚 63以下6325025010000.070.10.020.030.040.050.070.10.2 由于本制品尺寸较大，所以应该采用单型腔模具，而对于单型腔模具制品其尺寸精度也有一定的要求。 一般在制品成型后经24小时才能测定其尺寸，这是因为在那段时间内，后收缩已大体稳定在某一程度。尺寸精度不是盲目的成型就可以得到的；还有，尽管模具精度加工得很高，也不一定能够成型出高精度的制品。可是，精度差的模具无法成型出高精度制品确是实际状况。只有齐备合理的制品设计、模具设计、成型条件三方面，才能成型出高精度的制品。其中尤以需要足够的注塑时间使其充分填充是关键因素。图纸上所要求的尺寸精度能否成型，往往是有疑问的。关键是要做到不看尺寸标准表，事先就知道能否成型的精度的限度。 不由模具直接确定尺寸的公差及尺寸范围（单位mm）使用树脂的种 类适 用 部 位 尺 寸 范 围661 818303050508080120120180180250250500聚苯乙烯注塑成型数脂（例）DIN类型501，502聚丙烯酸酯及聚乙烯咔唑作为基材的注塑成型树脂没有指定公差的尺寸所有尺寸（除厚度）010101502504060810商定除在壁厚开模方向的壁厚02500801015020250303商定与尺寸范围有关的尺寸是高度尺寸指定公差的尺寸所有尺寸（除壁厚）0202503035045060810商定壁 厚00500801015020250303商定与尺寸范围有关的尺寸是高度尺寸开模方向的壁厚（底部厚度）01501502020250250303商定与尺寸范围有关的尺寸比例在箱体制品上， 是其最大长度或最大直径收缩率的确定因为本设计产品为聚乙烯制品，所以对其制品质量要求有最小的缩水率，在该制品的设计中我主要采用延长注射柱塞在前进位置的保压时间，补偿树脂填充到模具后因温度下降而产生的收缩率,也可以减少收缩量。根据注塑成型模具（中国石化出版社，1989.3）可以知道减少制品的收缩对浇口的尺寸和树脂的供给条件没有显著的影响。因此，对于该制品的收缩率最终确定在0.25%。13 水槽模具设计部分3.1 确定型腔数目 模具中的型腔数目的确定是一项综合项目，首先应考虑注射机的各项规定及工作性能，以及考虑制品的精度要求，模具制造的费用等。 （1）从注射机的塑化量与模具最多型腔数的关系 式中 N-最高型腔数 T -成型周期（s） R -塑化能力（kg/h） V -塑件和流道体积（kg/cm3） （2）从注射机的锁模力与模具最多型腔数的关系式中 f -防止飞边出现的安全系数（取1.21.5） F -最大锁模力（kN） P -最大注射压力(MPa) A -制品及流道的投影面积（cm2） 从图中可以看出，型腔数目与模具制造费用成正比关系，随着型腔数目的增加，模具制造费用也相应增加。 （3）模具的成本与型腔数目的关系。通常认为，模具中每增加一个型腔，所成型的制品精度将下降4%，对精度要求高的制品，随着型腔数目的增加，模具的制品精度也势必随之增加，因而导致其制造成本也加大。三者之间的关系如图所示。 型腔数目与模具费用关系 模具总费用 = 模具基本费用 + 型腔数目 单型腔费用，即 （4）成型费用与模具型腔数目的关系。如果从注塑成型的角度来看，尤其对尺寸较小的制品（尺寸较小的制品，一模一腔与一模多腔所用的注塑机规格相差无几），用同样的注塑设备，同样的成型周期以及同样的人工成型适当型腔数目的制品比成型一模一腔的制品要经济得多。型腔数目与成型费用的关系如图所示。 型腔数目与成型费用关系 从图中可以看出，型腔数目从一模一腔增加到一模具四腔时，其成型费用大幅度降低，但是型腔数目从一模四腔再往上增加时，其成型费用则无明显的变化，这是因为随着型腔数目的增加，其成型难度将会加大，并且如果型腔数目太多，其模具外型必然也得加大，导致所使用的注塑设备的规格也随之加大，其关系式：式中 P-成型总费用 P-成型基本费用 P-单一型腔的成型费用 N-型腔数目 另外，随着型腔数目的增加，其成型故障会随之增加，并且模具维修的难度也会随之增加。因此，在确定型腔数目时，应将模具制造与注塑成型同时考虑，选出最佳方案。P1173.2 型腔分型面及浇注系统 3.2.1 分型面的方向尽量采用与注射机开模呈垂直的方向，特殊情况下才采用与注射机平行的分型面。在设计模具之前,必须合理地选择分型面,一般应遵循下述原则：（1） 为有利于塑件的脱模，分型面应使塑件在开模时留在有脱模机构的那一部分，即通常应是在动模部分。（2） 当塑件内有嵌件时，由于嵌件不会收缩而造成粘附在型腔内，故型腔应考虑设计在动模部分，而不应设计在定模部分。 为便于模具加工，考虑斜分型面要比平直分型面的型腔部分容易加工。（3） 当塑件侧面有凹凸形状及型孔需要采用侧抽芯结构时，使侧抽芯型芯尽可能安放在动模上，而避免在定模部分抽芯。（4） 对有同轴度要求的塑件，尽可能将型腔设计在同一个型面上。（5） 在保证塑件顺利地从型腔内脱出的前提是，最好不选在光亮平滑的外表面或带圆弧的转角处，以不影响塑件的外观质量。（6） 当分型面作为主要排气面时，应将分型面设在料流的末端，以利排气。一般在分型面的凹模一侧开设一条深0.0250.1mm、宽1.56mm的排气槽，也可利用顶杆、型腔或型芯镶块进行排气。此外，在选择分型面时，除了尊重上述原则外，还应充分考虑到，分型面选择后应有利于成型并防止过多的溢料，应使飞边不宜过大等诸因素。2P250、3P2003.2.2 浇注系统是指模具中从注射机喷嘴接触处到型腔为止的塑料熔体的流动通道。浇注系统的作用是将塑料熔体顺利地充满到型抢的各个深处，并在填充及凝固过程中，将注射压力传递到型抢的各个部分，以获得外形清晰、内在质量优良的塑件。浇注系统的设计原则浇注系统的确定，在模具设计中是一个重要环节。设计时，必须对塑件所用的材料、几何形状、所用设备以及可能产生缺陷的部位等作一全面分析。有时，还须同时考虑模具结构及分型面的确定。一般说来，浇注系统的设计，不许注意以下几项原则：（1） 浇注系统必须考虑塑料的流动特性，注意温度和剪切速率对熔体的影响，保证桶体在浇猪系统内快而不紊的顺利通过。（2） 为使熔体流动阻力小，应尽量避免熔体正面冲击小直径的型芯或脆弱的金属嵌件，以见效压力损耗以避免型芯或嵌件的变形。同时，也要考虑成型后，由于冷却收缩，是否会使塑件产生严重的翘曲变形。（3） 一模多腔时，防止大小悬殊的塑件放在同一副模具内成型，因为着不利浇注系统的设计。（4） 进料口位置与形状的选择，应结合塑件的形状和技术要求确定，做到既修整方便，又无塑件的美观及使用。有时由于进料口处有收缩现象，而塑件在此部位有要求，应考虑整修交工余量。（5） 在保证成型质量的前提下，尽量缩短流程，以缩短成型周期和减少塑料用量。3P2013.2.3 浇口种类浇口虽然与成形性及内部应力有较大的影响，但实际情形，大多单纯依据成形品形状决定，必须使用合适于成形品之浇口及流道。直接浇口：一般情形，此为成形性良好之浇口，但由于在成形品表面及内面设置有浇口位置，必须对此切断，研磨等后加工，但在外观上仍可能有浇口残迹显示。但射出压力损失小，对任何材料成形，俱较容易，良好利用于大形深入之成形品。反之，成形材料用于平而浅之成形场合，成形后产生“翘曲”，“扭曲”，必须注意。再者，浇口部里面没有冷却溶渣集中部，防止材料流入于型穴中，此也变成为成形上必要事项。再者，成形后有剩留应力集中于浇口附近，为发生罅裂之原因之场合，则浇口之选定，应对此点考虑。成形品深者，使用成形机冲程只最大限，以便取出成形品，注道尽可能缩短，使在最小之开模限度内取出。如此情形成形能率也为良好，有良好的结果。此中场合，使用演唱喷嘴也为方法之一。由于成形作业关系，浇口部口径也不宜过大，需合适于成形品之大小及肉厚，使成形品已固化而术道尚在半熔融状态，必须保有此种冷却时间，否则成形能率恶劣。但是大形成形品为成形非常困难之物品，当然注道应有粗而短之设计。5这里的水槽采用直接浇口。3.2.4 在设计注射模时，一般应遵循下述原则：（1） 选用合理的模具结构。合理的模具结构是获得正确的塑件尺寸和形状的主要条件之一。（2） 塑件的侧孔和侧凹，尽量要有模具一次成形。故在设计模具时，为了获得侧孔及侧凹，应考虑嵌镶抽芯机构。（3） 所设计的模具的推杆顶出机构，要在使用时推出迅速可靠。（4） 所设计的模具，在零件成形后，其浇道、浇口的去除应容易。在设计时尽量要采用潜伏浇口或能自动脱落的点浇口。（5） 用模具注射成形的零件，其表面粗糙度应细微、硬度要高，使用寿命要长。（6） 所设计的模具应制造容易、生产周期要短、成本要低廉。（7） 在选择分型面时，要确保塑件应在注射后留在动模一侧。（8） 要选择同意成型的浇道和流道。在设计模具时，要选择能迅速冷却型腔与型芯的冷却水道。（9） 所设计的模具，应易实现自动化生产，并长期连续运转而不出故障。2P2793.3 注射成型模具零部件的设计3.3.1 成型零件（一）成型零件的结构设计1型腔的结构形式如图1所示，为最简单的一种整体式型腔的结构，它由整块金属加工而成，其特点是牢固，不易变形，成型塑件的外观质量好，因此对于成形简单，容易制造或形状虽比较复杂，但可以用仿形机床等特殊加工方法加工的场合是适宜的。图2为整体嵌入式凹模，型块加工后镶入模板的多种形式。2型芯的结构形式型芯是用来成型塑件内表面的零件，型芯也有整体式和组合式之分。形状简单的主型芯和模板可做成整体的，如图3（a）所示。形状比较复杂或形状虽不复杂，但从节省钢材，较少加工量考虑多采用组合形式，图画（b）为最常用的连接形式，即用轴肩和底板连接，（c）、（d）为其它良种连接形式。3 这里水槽由于型芯面为外观外观面，所以，如果用整体式，用顶出杆顶出，则会影响水槽的外观，因此采用（c）图的型芯，直接抽离成品，就不会影响外观面。3P210（二）成型零件的工作尺寸计算 所谓工作尺寸是指成型零件上直接用以成型塑件的尺寸，主要有型腔和型芯的径向尺寸、型芯的高度尺寸和型腔的深度尺寸、中心距尺寸等。任何塑件都有一定的尺寸要求，有些塑件还有特殊精度要求。影响塑件精度的因素很复杂，主要有以下三方面：成型零件本身的制造公差；成型零件在使用过程中的磨损；成型收缩率的波动。模具设计工程中确定成型零件的工作尺寸时必须考虑上述因素，否则就难以保证塑件的尺寸达到预定的要求。1径向尺寸计算 （1）型腔的径向尺寸。一直在给定条件下塑料的平均收缩率为S，塑件的名义尺寸为L（最大尺寸）及其允许公差值（负偏差），如塑件上原有公差的标注方法与此不符合，则应按此规定换为单向负偏差，这时候塑件平均径向尺寸为L-/2。型腔名义尺寸为L（最小尺寸），公差值（正偏差），型腔的平均尺寸为L+/2，考虑收缩量S和磨损，并以型腔磨损到最大磨损值一半时计，则有 （2）型芯的径向尺寸计算。已知在给定条件下的平均收缩率S ，塑件的名义尺寸L （最小尺寸）和塑件允许的公差值（正偏差），则塑件平均径向尺寸为L+/2。 型芯的名义尺寸为L （最大尺寸），制造公差为负值，经过和上面型腔尺寸类似的推导，可得 标注上制造偏差后，得2型腔的深度和型芯的高度尺寸计算3P212 （1）型腔的深度尺寸。规定塑件高度民主名义尺寸H为最大尺寸，公差以负偏差表示。型腔深度名义尺寸H为最小尺寸，公差以正偏差表示。型腔的底部和型芯的端面都与分型面分型面平行，在脱模过程中磨损量很小，磨损裕量不予考虑，则有 令=/3，并略去 ，标注上制造偏差后，得盐城工学院机械工程系毕业设计说明书（2）型芯的高度尺寸计算。这时规定塑件孔深的名义尺寸H 为最小尺寸，偏差为正偏差，型芯高度的名义尺寸H 为最大尺寸，尺寸偏差为负偏差，可得型芯高度的工作尺寸为 标注上制造偏差后得(三)成型零件的刚度、强度校核 型腔要能承受高压熔体的压力，因此，应具有足够的壁厚。如壁厚不够可表现为刚度不足，即产生过大的弹性变形，也可表现为强度不够，即型腔发生塑性变形甚至破裂。模具型腔在注射时，当型腔全部被充满的瞬间，内压力达到极大值，然后随塑料的冷却和浇口的封闭，压力逐渐降低，在开模时接近常压。型腔壁厚计算以最大压力为准，理论分析和实践证明，对于大尺寸的型腔，刚度不足是主要矛盾，应按刚度计算；而小尺寸的型腔则以强度不足为主要矛盾，因此需按强度计算。常用的型腔侧壁和底板厚度计算公式，综合列于下表中。3P216式中 h1-侧壁厚度； L-型腔侧壁长度 h2-底板厚度 L1-底板受压长度 P-型腔压力 b-型腔受压长度 E-钢的弹性模量 a-型腔深度 r-型腔内半径即塑件外径 B-底板总宽度 m-泊桑比 B1-底板受压宽度 -许用应力 C-常数 -容许变形量 随着模具标准化工作的推广及模板的规格化，型腔的壁厚及底板厚度也可随着选用规格的确定而决定了，必要的情况下，再利用上述公式进行校核。3.4 其它辅助结构件 这里所指的结构件，包括除浇注系统及成型零件外的大部分零件，主要起安装、导向、装配、冷却、加热以及机构动作等作用。（一） 导向零件 在注射成型模具中，导向机构是必不可少的部件，它主要起定位、导向及承受侧压等作用，比较常见的导向机构是导柱导向机构，另外还有锥面导向和斜面导向等。导柱导向机构的设计导柱导向机构的结构，是利用导柱和导向孔或导套的配合来起作用的。因此，对导柱的结构主要有以下几点要求：导柱的长度必须比凸模端面高出版事业8mm，以免导柱未导正方向而凸模被碰坏;导柱的端部做成锥形或半球形的先导部分,使导柱能顺利地进入导向孔;导柱应具有硬而耐磨的表面,坚韧而不易折断的内芯。因此，导柱多采用低碳钢经渗碳淬火处理，或用碳素工具钢经淬火处理，硬度为HRC5055，导柱装入模板多用 过渡配合 ，导柱的配合部分粗糙度要求 。 （二） 装配固定零件1、固定板固定板是用以固定型芯或型腔、导柱、导套、拉料杆等固定安装用的，因此固定板要有一定的强度。为保证型芯或其它零件固定稳固，固定板也应有足够的厚度。一般固定板厚度视被固定零件的长度和最大模厚而定，中小型模具可自爱2080mm之间。外形尺寸随型腔模板的外形尺寸的大小而确定。 2、垫板 垫板是盖在固定板后面的平板，是防止固定板上的型芯、导柱、拉料杆等脱出固定板，并承受型腔、型芯或顶杆等的压力，因此要求有较高平行度和硬度。垫板与固定板常用螺钉连接，一般采用内六角螺钉或外六角螺钉。另外，也有用铆钉连接的方法，这中形式不易松动，适于受一定冲击的模具，但拆装麻烦，修理不便。 3、支承件 支承件起构成顶出机构的动作空间、调节模具总厚度的作用，有时也起安装固定的作用。模具组装时，应注意所有支承件高度应一致，否则由于负荷不均会造成动模板损坏。（三） 冷却、加热零件在注射成型过程中，模具的温度直接影响到塑件的成型质量和生产效率。由于各种塑料的性能和成型工艺要求不同，模具的温度要求也不同，一般有三种情况：即利用模具的自然冷却、通水冷却、通过电加热器进行加热。1、 却装置冷却装置的设计与所使用的冷却介质、冷却方法有关。冷却介质用水比较普遍，这是因为水的热容量大，传热系数大，成本低。用水冷却即在模具型腔周围或型腔内开设冷却水通道，利用水循环将热量带走，维持恒温。一般水孔边离型腔距离不得小于10mm，但有时受到模具上各种孔（顶杆空、型芯孔、镶块接缝等）的结构限制，要按理想情况设计是困难的，因此，需视模具的具体结构而定。2、 加热装置 当模具自然冷却速度太快，以致塑件难以成型或无法成型，这时则应考虑安设加热装置。一般常用的加热方式有电加热、蒸汽或过热水加热。加热装置的结构种类很多，可参考有关资料。3.5 脱模机构 注射成型的每一循环中，塑件必须从模具的型腔内脱出，这种脱出塑件的机构称为脱模机构或顶出机构。一般脱模机构的动作方向与开启模的运动方向是一致的。 在设计脱模机构时，总体要求是：要保证塑件在脱模过程中不变形，不损坏。要做到这一点，首先必须正确地分析塑件对模腔的附着力大小和所在部位，以便选择合适的脱模方式和脱模位置，是脱模力得以均匀合理的分布；其次，顶出塑件的位置应尽量设在塑件的不明显处，以免损伤塑件的外观质量。另外，机构要工作可靠、运动灵活、制造方便和配换容易。3.6 复位机构 脱模机构在完成塑件脱模后，为进行下一个循环，必须回到初始位置，除顶板脱模外，其它脱模形式一般均需设复位装置。如遇到脱模机构与抽芯机构相互干涉时，必须在脱模形式一般均需设复位装置。目前常见的复位装置有复位杆、顶杆兼复位杆、弹簧复位以及自动早复位。33.7 预期结果本人的设计都是参考设计任务书来完成的，其中包括水槽制品的几何特征的确定，注塑模具的浇口类型和型腔数量的确定。所以结果应基本满足各项性能指标的要求，能达到预期的结果。4 结论 本毕业设计主要研究了塑料水槽及其注塑模具的设计，解决了汽车及家用储水的问题，和前人相比这个设计有着效率高、效益好的优点。但是，由于经验的有限，产品的精度和质量会不及前人所设计的，这将有待于改善。 致 谢通过这次毕业设计，我充分认识到了模具在我们生活中的重要性，对注塑模具有了一个较为深刻的认识，这对我今后的工作有起了一个很大的作用，我深感受益匪浅。同时我也认识到了自己在模具方面知识的缺乏，以后将积极学习模具知识，以备工作之用在这里我要感谢指导老师吴德和老师对我的毕业设计非常全面的知道，要感谢系部给我这样一个机会来锻炼自己，同时还要感谢我的同事，在公司给我技术性的知道，在此向他们表示最诚挚的谢意。参考文献1. 日白石顺一郎著.注塑成型模具.北京:中国石化出版社,19892. 彭建声、秦晓刚编著.模具技术问答.北京:机械工业出版社,19963. 徐炜炯主编.模具设计.北京:中国轻工业出版社,1996.5重印4. 徐宁编著.实用注塑模具设计.北京:中国轻工业出版社,1997.5(2002.1重印)5. 塑胶射出成型用型模设计基准.台北:新太出版社6. 曾向阳、谢国明、王学平等编著.UG NX基础及应用教程.北京：电子工业出版社，2003.1（CAD/CAM教学基地）7. 高佩福主编.实用模具制造技术.北京：中国轻工业出版社，1999.38. 陈万林等编著.使用模具技术.北京：机械工业出版社，2000.10附录I 外文文献翻译估计导致工程几何分析错误的一个正式理论SankaraHariGopalakrishnan，KrishnanSuresh机械工程系，威斯康辛大学，麦迪逊分校，2006年9月30日摘要：几何分析是著名的计算机辅助设计/计算机辅助工艺简化 “小或无关特征”在CAD模型中的程序，如有限元分析。然而，几何分析不可避免地会产生分析错误，在目前的理论框架实在不容易量化。本文中，我们对快速计算处理这些几何分析错误提供了严谨的理论。尤其，我们集中力量解决地方的特点，被简化的任意形状和大小的区域。提出的理论采用伴随矩阵制定边值问题抵达严格界限几何分析性分析错误。该理论通过数值例子说明。关键词:几何分析;工程分析;误差估计;计算机辅助设计/计算机辅助教学1. 介绍机械零件通常包含了许多几何特征。不过，在工程分析中并不是所有的特征都是至关重要的。以前的分析中无关特征往往被忽略，从而提高自动化及运算速度。举例来说，考虑一个刹车转子，如图1(a)。转子包含50多个不同的特征，但所有这些特征并不是都是相关的。就拿一个几何化的刹车转子的热量分析来说，如图1(b)。有限元分析的全功能的模型如图1(a)，需要超过150,000度的自由度，几何模型图1(b)项要求小于25，000个自由度，从而导致非常缓慢的运算速度。图1(a)刹车转子 图1(b)其几何分析版本除了提高速度，通常还能增加自动化水平，这比较容易实现自动化的有限元网格几何分析组成。内存要求也跟着降低，而且条件数离散系统将得以改善;后者起着重要作用迭代线性系统。但是，几何分析还不是很普及。不稳定性到底是“小而局部化”还是“大而扩展化”，这取决于各种因素。例如，对于一个热问题，想删除其中的一个特征，不稳定性是一个局部问题:(1)净热通量边界的特点是零。(2)特征简化时没有新的热源产生; 4对上述规则则例外。展示这些物理特征被称为自我平衡。结果，同样存在结构上的问题。从几何分析角度看，如果特征远离该区域，则这种自我平衡的特征可以忽略。但是，如果功能接近该区域我们必须谨慎，。从另一个角度看，非自我平衡的特征应值得重视。这些特征的简化理论上可以在系统任意位置被施用,但是会在系统分析上构成重大的挑战。目前，尚无任何系统性的程序去估算几何分析对上述两个案例的潜在影响。这就必须依靠工程判断和经验。在这篇文章中，我们制定了理论估计几何分析影响工程分析自动化的方式。任意形状和大小的形体如何被简化是本文重点要解决的地方。伴随矩阵和单调分析这两个数学概念被合并成一个统一的理论来解决双方的自我平衡和非自我平衡的特点。数值例子涉及二阶scalar偏微分方程，以证实他的理论。本文还包含以下内容。第二节中，我们就几何分析总结以往的工作。在第三节中，我们解决几何分析引起的错误分析，并讨论了拟议的方法。第四部分从数值试验提供结果。第五部分讨论如何加快设计开发进度。2. 前期工作几何分析过程可分为三个阶段:识别:哪些特征应该被简化；简化：如何在一个自动化和几何一致的方式中简化特征；分析:简化的结果。第一个阶段的相关文献已经很多。例如，企业的规模和相对位置这个特点，经常被用来作为度量鉴定。此外，也有人提议以有意义的力学判据确定这种特征。自动化几何分析过程，事实上，已成熟到一个商业化几何分析的地步。但我们注意到，这些商业软件包仅提供一个纯粹的几何解决。因为没有保证随后进行的分析错误，所以必须十分小心使用。另外，固有的几何问题依然存在，并且还在研究当中。本文的重点是放在第三阶段，即快速几何分析。建立一个有系统的方法，通过几何分析引起的误差是可以计算出来的。再分析的目的是迅速估计改良系统的反应。其中最著名的再分析理论是著名的谢尔曼-Morrison和woodbury公式。对于两种有着相似的网状结构和刚度矩阵设计，再分析这种技术特别有效。然而，过程几何分析在网状结构的刚度矩阵会导致一个戏剧性的变化，这与再分析技术不太相关。3. 拟议的方法3.1问题阐述我们把注意力放在这个文件中的工程问题，标量二阶偏微分方程式(pde): 许多工程技术问题，如热，流体静磁等问题，可能简化为上述公式。作为一个说明性例子，考虑散热问题的二维模块如图2所示。图2二维热座装配热量q从一个线圈置于下方位置列为coil。半导体装置位于device。这两个地方都属于，有相同的材料属性，其余将在后面讨论。特别令人感兴趣的是数量，加权温度Tdevice内device(见图2)。一个时段，认定为slot缩进如图2，会受到抑制，其对Tdevice将予以研究。边界的时段称为slot其余的界线将称为。边界温度假定为零。两种可能的边界条件slot被认为是:(a)固定热源，即(-kt)n=q，(b)有一定温度，即T=Tslot。两种情况会导致两种不同几何分析引起的误差的结果。设T(x，y)是未知的温度场和K导热。然后，散热问题可以通过泊松方程式表示:其中H(x，y)是一些加权内核。现在考虑的问题是几何分析简化的插槽是简化之前分析，如图3所示。图3defeatured二维热传导装配模块现在有一个不同的边值问题，不同领域t(x，y):观察到的插槽的边界条件为t(x，y)已经消失了，因为槽已经不存在了（关键性变化）!解决的问题是:设定tdevice和t(x，y)的值，估计Tdevice。这是一个较难的问题，是我们尚未解决的。在这篇文章中，我们将从上限和下限分析Tdevice。这些方向是明确被俘引理3、4和3、6。至于其余的这一节，我们将发展基本概念和理论，建立这两个引理。值得注意的是，只要它不重叠，定位槽与相关的装置或热源没有任何限制。上下界的Tdevice将取决于它们的相对位置。3.2伴随矩阵方法我们需要的第一个概念是，伴随矩阵公式表达法。应用伴随矩阵论点的微分积分方程，包括其应用的控制理论，形状优化，拓扑优化等。我们对这一概念归纳如下。相关的问题都可以定义为一个伴随矩阵的问题，控制伴随矩阵t_(x，y)，必须符合下列公式计算23:伴随场t_(x，y)基本上是一个预定量，即加权装置温度控制的应用热源。可以观察到，伴随问题的解决是复杂的原始问题;控制方程是相同的;这些问题就是所谓的自身伴随矩阵。大部分工程技术问题的实际利益，是自身伴随矩阵，就很容易计算伴随矩阵。另一方面，在几何分析问题中，伴随矩阵发挥着关键作用。表现为以下引理综述:引理3.1已知和未知装置温度的区别，即(Tdevice-tdevice)可以归纳为以下的边界积分比几何分析插槽:在上述引理中有两点值得注意:1、积分只牵涉到边界slot;这是令人鼓舞的。或许，处理刚刚过去的被简化信息特点可以计算误差。2、右侧牵涉到的未知区域T(x，y)的全功能的问题。特别是第一周期涉及的差异，在正常的梯度，即涉及-k(T-t) n;这是一个已知数量边界条件-ktn所指定的时段，未知狄里克莱条件作出规定-ktn可以评估。在另一方面，在第二个周期内涉及的差异，在这两个领域，即T管; 因为t可以评价，这是一个已知数量边界条件T指定的时段。因此。引理3.2、差额(tdevice-tdevice)不等式然而，伴随矩阵技术不能完全消除未知区域T(x，y)。为了消除T(x，y)我们把重点转向单调分析。3.3单调性分析单调性分析是由数学家在19世纪和20世纪前建立的各种边值问题。例如，一个单调定理:添加几何约束到一个结构性问题，是指在位移(某些)边界不减少。观察发现，上述理论提供了一个定性的措施以解决边值问题。后来，工程师利用之前的“计算机时代”上限或下限同样的定理，解决了具有挑战性的问题。当然，随着计算机时代的到来，这些相当复杂的直接求解方法已经不为人所用。但是，在当前的几何分析，我们证明这些定理采取更为有力的作用，尤其应当配合使用伴随理论。我们现在利用一些单调定理，以消除上述引理T(x，y)。遵守先前规定，右边是区别已知和未知的领域，即T(x，y)-t(x，y)。因此，让我们在界定一个领域E(x，y)在区域为:e(x，y)=t(x，y)-t(x，y)。据悉，T(x，y)和T(x，y)都是明确的界定，所以是e(x，y)。事实上，从公式(1)和(3)，我们可以推断，e(x，y)的正式满足边值问题:解决上述问题就能解决所有问题。但是，如果我们能计算区域e(x，y)与正常的坡度超过插槽，以有效的方式，然后(Tdevice-tdevice)，就评价表示e(X，Y)的效率，我们现在考虑在上述方程两种可能的情况如(a)及(b)。例(a)边界条件较第一插槽，审议本案时槽原本指定一个边界条件。为了估算e(x，y)，考虑以下问题:因为只取决于缝隙，不讨论域，以上问题计算较简单。经典边界积分/边界元方法可以引用。关键是计算机领域e1(x，y)和未知领域的e(x，y)透过引理3.3。这两个领域e1(x，y)和e(x，y)满足以下单调关系:把它们综合在一起，我们有以下结论引理。引理3.4未知的装置温度Tdevice，当插槽具有边界条件，东至以下限额的计算，只要求:(1)原始及伴随场T和隔热与几何分析域(2)解决e1的一项问题涉及插槽:观察到两个方向的右侧，双方都是独立的未知区域T(x，y)。例(b) 插槽Dirichlet边界条件我们假定插槽都维持在定温Tslot。考虑任何领域，即包含域和插槽。界定一个区域e(x，y)在满足:现在建立一个结果与e-(x，y)及e(x，y)。引理3.5注意到，公式(7)的计算较为简单。这是我们最终要的结果。引理3.6 未知的装置温度Tdevice，当插槽有Dirichlet边界条件，东至以下限额的计算，只要求:(1)原始及伴随场T和隔热与几何分析。(2) 围绕插槽解决失败了的边界问题，:再次观察这两个方向都是独立的未知领域T(x，y)。4. 数值例子说明我们的理论发展，在上一节中，通过数值例子。设k = 5W/mC, Q = 10 W/m3 and H = 。表1:结果表表1给出了不同时段的边界条件。第一装置温度栏的共同温度为所有几何分析模式(这不取决于插槽边界条件及插槽几何分析)。接下来两栏的上下界说明引理3.4和3.6。最后一栏是实际的装置温度所得的全功能模式(前几何分析)，是列在这里比较前列的。在全部例子中，我们可以看到最后一栏则是介于第二和第三列。T Tdevice T对于绝缘插槽来说，Dirichlet边界条件指出，观察到的各种预测为零。不同之处在于这个事实:在第一个例子，一个零Neumann边界条件的时段，导致一个自我平衡的特点，因此，其对装置基本没什么影响。另一方面，有Dirichlet边界条件的插槽结果在一个非自我平衡的特点，其缺失可能导致器件温度的大变化在。不过，固定非零槽温度预测范围为20度到0度。这可以归因于插槽温度接近于装置的温度，因此，将其删除少了影响。的确，人们不难计算上限和下限的不同Dirichlet条件插槽。图4说明了变化的实际装置的温度和计算式。预测的上限和下限的实际温度装置表明理论是正确的。另外，跟预期结果一样，限制槽温度大约等于装置的温度。5. 快速分析设计的情景我们认为对所提出的理论分析什么-如果的设计方案，现在有着广泛的影响。研究显示设计如图5，现在由两个具有单一热量能源的器件。如预期结果两设备将不会有相同的平均温度。由于其相对靠近热源，该装置的左边将处在一个较高的温度，。图4估计式versus插槽温度图图5双热器座图6正确特征可能性位置为了消除这种不平衡状况，加上一个小孔，固定直径;五个可能的位置见图6。两者的平均温度在这两个地区最低。强制进行有限元分析每个配置。这是一个耗时的过程。另一种方法是把该孔作为一个特征，并研究其影响，作为后处理步骤。换言之，这是一个特殊的“几何分析”例子，而拟议的方法同样适用于这种情况。我们可以解决原始和伴随矩阵的问题，原来的配置(无孔)和使用的理论发展在前两节学习效果加孔在每个位置是我们的目标。目的是在平均温度两个装置最大限度的差异。表2概括了利用这个理论和实际的价值。从上表可以看到，位置W是最佳地点，因为它有最低均值预期目标的功能。附录II 外文文献原文A formal theory for estimating defeaturing -induced engineering analysis errorsSankara Hari Gopalakrishnan, Krishnan SureshDepartment of Mechanical Engineering, University of Wisconsin, Madison, WI 53706, United StatesReceived 13 January 2006; accepted 30 September 2006AbstractDefeaturing is a popular CAD/CAE simplification technique that suppresses small or irrelevant features within a CAD model to speed-up downstream processes such as finite element analysis. Unfortunately, defeaturing inevitably leads to analysis errors that are not easily quantifiable within the current theoretical framework.In this paper, we provide a rigorous theory for swiftly computing such defeaturing -induced engineering analysis errors. In particular, we focus on problems where the features being suppressed are cutouts of arbitrary shape and size within the body. The proposed theory exploits the adjoint formulation of boundary value problems to arrive at strict bounds on defeaturing induced analysis errors. The theory is illustrated through numerical examples.Keywords: Defeaturing; Engineering analysis; Error estimation; CAD/CAE1. IntroductionMechanical artifacts typically contain numerous geometric features. However, not all features are critical during engineering analysis. Irrelevant features are often suppressed or defeatured, prior to analysis, leading to increased automation and computational speed-up.For example, consider a brake rotor illustrated in Fig. 1(a). The rotor contains over 50 distinct features, but not all of these are relevant during, say, a thermal analysis. A defeatured brake rotor is illustrated in Fig. 1(b). While the finite element analysis of the full-featured model in Fig. 1(a) required over 150,000 degrees of freedom, the defeatured model in Fig. 1(b) required 25,000 DOF, leading to a significant computational speed-up.Fig. 1. (a) A brake rotor and (b) its defeatured version.Besides an improvement in speed, there is usually an increased level of automation in that it is easier to automate finite element mesh generation of a defeatured component 1,2. Memory requirements also decrease, while condition number of the discretized system improves;the latter plays an important role in iterative linear system solvers 3.Defeaturing, however, invariably results in an unknown perturbation of the underlying field. The perturbation may be small and localized or large and spread-out, depending on various factors. For example, in a thermal problem, suppose one deletes a feature; the perturbation is localized provided: (1) the net heat flux on the boundary of the feature is zero, and (2) no new heat sources are created when the feature is suppressed; see 4 for exceptions to these rules. Physical features that exhibit this property are called self-equilibrating 5. Similarly results exist for structural problems.From a defeaturing perspective, such self-equilibrating features are not of concern if the features are far from the region of interest. However, one must be cautious if the features are close to the regions of interest.On the other hand, non-self-equilibrating features are of even higher concern. Their suppression can theoretically be felt everywhere within the system, and can thus pose a major challenge during analysis.Currently, there are no systematic procedures for estimating the potential impact of defeaturing in either of the above two cases. One must rely on engineering judgment and experience.In this paper, we develop a theory to estimate the impact of defeaturing on engineering analysis in an automated fashion. In particular, we focus on problems where the features being suppressed are cutouts of arbitrary shape and size within the body. Two mathematical concepts, namely adjoint formulation and monotonicity analysis, are combined into a unifying theory to address both self-equilibrating and non-self-equilibrating features. Numerical examples involving 2nd order scalar partial differential equations are provided to substantiate the theory.The remainder of the paper is organized as follows. In Section 2, we summarize prior work on defeaturing. In Section 3, we address defeaturing induced analysis errors, and discuss the proposed methodology. Results from numerical experiments are provided in Section 4. A by-product of the proposed work on rapid design exploration is discussed in Section 5. Finally, conclusions and open issues are discussed in Section 6.2. Prior workThe defeaturing process can be categorized into three phases:Identification: what features should one suppress?Suppression: how does one suppress the feature in an automated and geometrically consistent manner?Analysis: what is the consequence of the suppression?The first phase has received extensive attention in the literature. For example, the size and relative location of a feature is often used as a metric in identification 2,6. In addition, physically meaningful mechanical criterion/heuristics have also been proposed for identifying such features 1,7.To automate the geometric process of defeaturing, the authors in 8 develop a set of geometric rules, while the authors in 9 use face clustering strategy and the authors in 10 use plane splitting techniques. Indeed, automated geometric defeaturing has matured to a point where commercial defeaturing /healing packages are now available 11,12. But note that these commercial packages provide a purely geometric solution to the problem. they must be used with care since there are no guarantees on the ensuing analysis errors. In addition, open geometric issues remain and are being addressed 13.The focus of this paper is on the third phase, namely, post defeaturing analysis, i.e., to develop a systematic methodology through which defeaturing -induced errors can be computed. We should mention here the related work on reanalysis. The objective of reanalysis is to swiftly compute the response of a modified system by using previous simulations. One of the key developments in reanalysis is the famous ShermanMorrison and Woodbury formula 14 that allows the swift computation of the inverse of a perturbed stiffness matrix; other variations of this based on Krylov subspace techniques have been proposed 1517. Such reanalysis techniques are particularly effective when the objective is to analyze two designs that share similar mesh structure, and stiffness matrices. Unfortunately, the process of 几何分析 can result in a dramatic change in the mesh structure and stiffness matrices, making reanalysis techniques less relevant.A related problem that is not addressed in this paper is that of localglobal analysis 13, where the objective is to solve the local field around the defeatured region after the global defeatured problem has been solved. An implicit assumption in localglobal analysis is that the feature being suppressed is self-equilibrating.3. Proposed methodology3.1. Problem statementWe restrict our attention in this paper to engineering problems involving a scalar field u governed by a generic 2nd order partial differential equation (PDE):A large class of engineering problems, such as thermal, fluid and magneto-static problems, may be reduced to the above form.As an illustrative example, consider a thermal problem over the 2-D heat-block assembly illustrated in Fig. 2.The assembly receives heat Q from a coil placed beneath the region identified as coil. A semiconductor device is seated at device. The two regions belong to and have the same material properties as the rest of . In the ensuing discussion, a quantity of particular interest will be the weighted temperature Tdevice within device (see Eq. (2) below). A slot, identified as slot in Fig. 2, will be suppressed, and its effect on Tdevice will be studied. The boundary of the slot will be denoted by slot while the rest of the boundary will be denoted by . The boundary temperature on is assumed to be zero. Two possible boundary conditions on slot are considered: (a) fixed heat source, i.e., (-krT).n = q, or (b) fixed temperature, i.e., T = Tslot. The two cases will lead to two different results for defeaturing induced error estimation.Fig. 2. A 2-D heat block assembly.Formally,let T (x, y) be the unknown temperature field and k the thermal conductivity. Then, the thermal problem may be stated through the Poisson equation 18:Given the field T (x, y), the quantity of interest is:where H(x, y) is some weighting kernel. Now consider the defeatured problem where the slot is suppressed prior to analysis, resulting in the simplified geometry illustrated in Fig. 3.Fig. 3. A defeatured 2-D heat block assembly.We now have a different boundary value problem, governing a different scalar field t (x, y):Observe that the slot boundary condition for t (x, y) has disappeared since the slot does not exist any morea crucial change!The problem addressed here is:Given tdevice and the field t (x, y), estimate Tdevice without explicitly solving Eq. (1).This is a non-trivial problem; to the best of our knowledge,it has not been addressed in the literature. In this paper, we will derive upper and lower bounds for Tdevice. These bounds are explicitly captured in Lemmas 3.4 and 3.6. For the remainder of this section, we will develop the essential concepts and theory to establish these two lemmas. It is worth noting that there are no restrictions placed on the location of the slot with respect to the device or the heat source, provided it does not overlap with either. The upper and lower bounds on Tdevice will however depend on their relative locations.3.2. Adjoint methodsThe first concept that we would need is that of adjoint formulation. The application of adjoint arguments towards differential and integral equations has a long and distinguished history 19,20, including its applications in control theory 21,shape optimization 22, topology optimization, etc.; see 23 for an overview.We summarize below concepts essential to this paper.Associated with the problem summarized by Eqs. (3) and (4), one can define an adjoint problem governing an adjoint variable denoted by t_(x, y) that must satisfy the following equation 23: (See Appendix A for the derivation.)The adjoint field t_(x, y) is essentially a sensitivity map of the desired quantity, namely the weighted device temperature to the applied heat source. Observe that solving the adjoint problem is only as complex as the primal problem; the governing equations are identical; such problems are called self-adjoint. Most engineering problems of practical interest are self-adjoint, making it easy to compute primal and adjoint fields without doubling the computational effort.For the defeatured problem on hand, the adjoint field plays a critical role as the following lemma summarizes:Lemma 3.1. The difference between the unknown and known device temperature, i.e., (Tdevice tdevice), can be reduced to the following boundary integral over the defeatured slot:Two points are worth noting in the above lemma:1. The integral only involves the slot boundary slot; this is encouraging perhaps, errors can be computed by processing information just over the feature being suppressed.2. The right hand side however involves the unknown field T (x, y) of the full-featured problem. In particular, the first term involves the difference in the normal gradients, i.e.,involves k(T t). n; this is a known quantity if Neumann boundary conditions kT . n are prescribed over the slot since kt. n can be evaluated, but unknown if Dirichlet conditions are prescribed. On the other hand,the second term involves the difference in the two fields,i.e., involves (T t); this is a known quantity if Dirichlet boundary conditions T are prescribed over the slot since t can be evaluated, but unknown if Neumann conditions are prescribed. Thus, in both cases, one of the two terms gets evaluated. The next lemma exploits this observation.Lemma 3.2. The difference (Tdevice tdevice) satisfies the inequalitiesUnfortunately, that is how far one can go with adjoint techniques; one cannot entirely eliminate the unknown field T (x, y) from the right hand side using adjoint techniques. In order to eliminate T (x, y) we turn our attention to monotonicity analysis.3.3. Monotonicity analysisMonotonicity analysis was established by mathematicians during the 19th and early part of 20th century to establish the existence of solutions to various boundary value problems 24.For example, a monotonicity theorem in 25 states:“On adding geometrical constraints to a structural problem,the mean displacement over (certain) boundaries does not decrease”.Observe that the above theorem provides a qualitative measure on solutions to boundary value problems.Later on, prior to the computational era, the same theorems were used by engineers to get quick upper or lower bounds to challenging problems by reducing a complex problem to simpler ones 25. Of course, on the advent of the computer, such methods and theorems took a back-seat since a direct numerical solution of fairly complex problems became feasible.However, in the present context of defeaturing, we show that these theorems take on a more powerful role, especially when used in conjunction with adjoint theory.We will now exploit certain monotonicity theorems to eliminate T (x, y) from the above lemma. Observe in the previous lemma that the right hand side involves the difference between the known and unknown fields, i.e., T (x, y) t (x, y). Let us therefore define a field e(x, y) over the region as:e(x, y) = T (x, y) t (x, y) in .Note that since excludes the slot, T (x, y) and t (x, y) are both well defined in , and so is e(x, y). In fact, from Eqs. (1) and (3) we can deduce that e(x, y) formally satisfies the boundary value problem:Solving the above problem is computationally equivalent to solving the full-featured problem of Eq. (1). But, if we could compute the field e(x, y) and its normal gradient over the slot,in an efficient manner, then (Tdevice tdevice) can be evaluated from the previous lemma. To evaluate e(x, y) efficiently, we now consider two possible cases (a) and (b) in the above equation.Case (a) Neumann boundary condition over slotFirst, consider the case when the slot was originally assigned a Neumann boundary condition. In order to estimate e(x, y),consider the following exterior Neumann problem:The above exterior Neumann problem is computationally inexpensive to solve since it depends only on the slot, and not on the domain . Classic boundary integral/boundary element methods can be used 26. The key then is to relate the computed field e1(x, y) and the unknown field e(x, y) through the following lemma.Lemma 3.3. The two fields e1(x, y) and e(x, y) satisfy the following monotonicity relationship:Proof. Proof exploits triangle inequality. Piecing it all together, we have the following conclusive lemma.Lemma 3.4. The unknown device temperature Tdevice, when the slot has Neumann boundary conditions prescribed, is bounded by the following limits whose computation only requires: (1) the primal and adjoint fields t and t_ associated with the defeatured domain, and (2) the solution e1 to an exterior Neumann problem involving the slot:Proof. Follows from the above lemmas. _Observe that the two bounds on the right hand sides are independent of the unknown field T (x, y).Case (b) Dirichlet boundary condition over slotLet us now consider the case when the slot is maintained at a fixed temperature Tslot. Consider any domain that is contained by the domain that contains the slot. Define a field e(x, y) in that satisfies:We now establish a result relating e(x, y) and e(x, y).Lemma 3.5.Note that the problem stated in Eq. (7) is computationally less intensive to solve. This leads us to the final result.Lemma 3.6. The unknown device temperature Tdevice, when the slot has Dirichlet boundary conditions prescribed, is bounded b
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