注塑机合模装置的有受力分析及优化设计

1、合模机构受力分析及优化设计专业班级：机械035 姓名：李杨明 指导老师：徐元昌陕西科技大学 机电工程学院 陕西 西安 710021摘要合模装置是注塑机中最重要的机械部件，其中模板为最主要的零件之一。模板具有固定模具和运动导向的定位基准作用，其结构和受力比较复杂。在生产实际中，工程技术人员通常基于经验对其进行比照设计，导致模板在使用过程中不时出现裂纹。本文正是应某生产厂家之要求，对注塑机模板的结构和强度进行分析研究。 本文利用ANSYS大型工程分析软件对注塑机一系列模板做了有限元分析，探明了零件中应力分布规律及产生裂纹的部位，并在此基础上对前模板进行了结构优化设计。通过分析研究，可形成如下主要结

2、论: 1.WG500A-C03-01注塑机前模板承载区变形较大、筋板附近应力分布不均、应力集中严重，是造成模板产生裂纹的主要原因。理论分析结果与其发生裂纹的实际情况相当吻合，表明本文所提出的研究模型和分析方法是可信、可行的，可在生产实际中得以使用。 2.对某生产厂家基于经验设计所提出的HL630A-C03-01注塑机后模板改进方案做了分析和评价，指出了此改进方案的不合理性。基于计算结果，预测此改进后的模板将会在底部出现裂纹，而且承重台上安装的螺钉仍会发生断裂。 本文在模型构建、单元划分、载荷与边界条件处理等方面尚欠完善，有待进一步提高。 IFINITE ELEMENT ANALYSIS AND

3、 OPTIMALDESIGN OFTHE PRIMARY PARTS IN INJECTIONMOULDING MACHINE CLAMPING SYSTEMABSTRACTThe clamping system is the most important mechanical parts of theinjection moulding machine，the platens are primary components. The platensof injection moulding machine have the roles of fixing moulding and guidin

4、g motion benchmark, they also have rather complex structure and forcecondition. Technicians in engineering usually design the platensapproximately based on experience, which results in some of the cracks havebeen found in some platens every now and then. The study researched thestructure and strengt

5、h of the platens in injection moulding machine, just metthe requires of some factory. The study analyzed series of platens of some factory by ANSYSengineering software, so as to find out the places where displacementproduced and the stress distributed. Based on this, structural optimization ofthe fr

6、ont platen model was carried out. From that，conclusions can be drawnas follows: 1 .The deformation of the areas forced in the front platen ofWG500A-C03-O1 injection moulding machine was rather seriously. Stressaround the ribs was not uniform but concentrated, which might directly causethe cracks. Th

7、e results of theoretic analysis was consistent with thepracticality of cracks quite, which showed: the models and analysis methodoffered in this study were believed and feasible; the results might be used inpractical production. 2. The improved rear platen by experience of HL630A-C03-O1 injectionmou

8、lding machine in some factory was analyzed and evaluated, whichindicated the improved one was unreasonable. According to the results, wecould estimate that the cracks would appearance at the bottom of the platen,and that the bolts fixed to the areas stressed would be shared all the same asthe origin

9、al one.Molding, meshing, loading and boundary conditions in this study were in brief, which to be improved farther. 目录第一章 概述. 1.1注塑机的发展与应用. 1.2国内外注塑机的研究发展方向.第二章 合模机构的概述. 2.1合模装置的类型及特点. 2.1.1合模装置简介.2.1.2合模形式对制品的影响. . 2.1.3合模机构对机器循环次数的影响. 2.1.4合模机构对能耗的影响.2.1.5机器结构和成本.2.2合模装置存在的主要问题 2.2.1模板断裂原因2.2.2拉杆断

10、裂原因2.3调模装置的选择.第三章合模机构的设计及计算3.1肘杆机构的设计3.1.1肘杆机构的特性3.1.2肘杆尺寸计算3.1.3机构变形力及其与机构移模力的关系3.2拉杆设计计算 3.2.1拉杆的受力分析及尺寸设计3.2.2顶出杆的选择第四章 注塑机模板的设计和有限元分析 4.1有限元方法的简介 4.1.1有限元方法的介绍4.1.2ANSYS优化与CAE4.1.3有限元分析与结构优化设计的结合4.2模板模型简化分析 4.3前模板的有限元分析 4.3.1实体模型的建立 4.3.2有限元网格的划分 4.3.3施加边界条件及载荷 4.3.4求解运算及结果观察 4.3.5计算结果分析 4.4后模板的

11、有限元分析 4.4.1实体模型的建立 4.4.2有限元网格的划分 4.4.3施加边界条件及载荷 4.4.4求解运算及结果观察4.4.5计算结果分析第五章结论及讨论5.1结论5.2问题及讨论参考文献致谢第一章 概 述1.1注塑机的发展与应用注射成型是一种以高速高压将塑料熔体注人到已闭合的模具型腔内，经冷却定型，得到与模腔一致的塑料制品的成型方法。塑料注射成型机(简称注塑机)是将热塑性塑料或热固性塑料制成各种塑料制件的主要成型设备。加工范围从几克甚至几毫克的手表、仪表小齿轮、激光唱盘、微电子元件等，到几千克的电视机、音响、空调及洗衣机外壳，再到上万克的浴缸、桌椅、赛艇船体。注塑机是一种集成度很高的

12、机电液一体化设备，其技术含量在很大程度上反映一个国家的机械、电子、液压等基础工业的水平。随着现代工业和尖端科学技术的发展，塑料制件被越来越广泛地应用到国防、机械、电气、航空、交通运输、建筑、农业、文教、卫生及人民生活等各个领域。注射成型机是在19世纪中叶出现的金属压铸机(1849年STURGRSS )的基础上逐渐形成的。最初主要用来加工纤维素硝翻旨和醋酸纤维一类的塑料。直至1932年，才由德国弗兰兹·布劳恩(FRANZ BRAUN)厂生产出全自动柱塞式卧式注射成型机，并向各国推广使用，这也是目前所用的柱塞式注射成型机的基本形式。之后，由于石油化学工业的发展，促进了塑料工业的发展。其中

13、热塑性塑料无论是在品种或是在数量方面，增长都很迅速，这就要求发展与之相适应的加工技术和机器设备。1948年在注射成型机上开始使用螺杆塑化装置，并于1965年在世界上出现了第一台往复螺杆式注射成型机。这是注射成型工艺技术方面的重大突破，从而使更多的塑料通过比较经济的注射成型方法加工成各种塑料制件成为可能。注塑机具有如下特点：能一次成型出外形复杂、尺寸精确或带有嵌件的塑料制件;对各种塑料加工的适应性强;机器生产率高以及易于实现自动化生产等。所以注射成型技术及注射成型机得到极为广泛的应用，现已成为塑料加工业和塑料机械业中的一个重要组成部分。据统计，全世界注射成型机的产量约为3万多台，占整个塑料成型机

14、械的50%以上，个别国家竟达70%一80%，成为目前塑料机械生产中增长最快，品种、规格、生产数量最多的机种之一一台通用型注塑机主要包括注射装置、合模装置、液压传动系统和电器控制系统。如图1-1所示，其中注射装置的主要作用是使塑料均匀地塑化成熔融状态，并以足够的压力和速度将一定量的熔料注射到模腔内。合模装置是保证成型模具可靠的闭合和实现模具启闭动作，即成型制品的工作部件。由于注射成型是由塑料熔融、模具闭合、注射人模、压力保持、制品固化定型、开模取出制品等工艺所组成的连续生产过程，液压传动系统和电器控制系统则是为了保证注射成型机按工艺过程预定的要求(压力、速度、温度、时间)和动作程序，准确无误地进

15、行工作而设置的动力和控制系统。 图1-1塑料注射成型机组成1.2国内外注塑机的研究发展方向随着世界各国在环保，如能耗、噪音、泄漏等控制方面日益严格的要求，节能已完成为注塑机电液系统的研究重点，针对阀控电液系统有较大能量损失的不足，德、日等国发展了应用变量泵和电液比例阀结合的负载感应型的注塑机电液控制系统。为进一步降低能耗，减少噪音，最新一代的注塑机是用转速可调的电动机驱动液压泵为动力源，在保压、冷却及空转工况保持很低转速，以达到节能、降噪的目的，其工作原理简述如下： 利用注塑机同步信号及电气控制系统，根据注塑成型的工艺要求，将电液比例控制系统，模拟成负载跟踪控制系统，使油泵电机的转速与注塑机工

16、作所需液压的流量与压力乘积成正比，将传统的定量泵改造成变频变量泵，从而使溢流阀的回油流量降到最小，无高压节流能量损失，进而将传统有高压节流的“耗能型”注塑机升级为无高压节流的“节能型”注塑机，节能型注塑机除了节能功能之主要特性外，依据其节能原理，还具有附加系列的优点，包括： 减轻开、锁模冲击，延长机械和模具使用寿命。 延长油路系统（密封组件等）使用寿命，减少维修次数、节省维护费用。 降低噪音、改善工作环境。 系统油温大幅降低，冷却用水量可节省30%以上。 对电机具有过压、过流、缺相等多种保护。 注塑机原有的控制方式及油路不变 将注塑机改造升级为“节能型”注塑机，其投资（主要是变频器）应该在一年

17、内可通过节约的电费或油费收回。 总之，开发“节能型”注塑机理论可行，投资小、效益明显，或许在不久的将来，变频节能型注塑机会成为注塑机制造业的新卖点。 第二章 合模机构的选择 2.1合模装置的类型及特点2.1.1合模装置简介注塑机的合模装置结构类型有：液压式合模结构、液压-机械式合模结构、液压-曲肘式合模结构和电动机械式合模结构。 1.液压式合模装置的结构特点 模板移动行程开距大，可注射成型有较高度尺寸的制作。 模具的锁模力通过调节液压油的压力得到，这种模具锁模力的大小调节方便。 模板行程调距工作比较方便简单。 液压式合模结构的不足之处是：折射工作消耗动力比较大，输油管路易滴漏油，液压油工作压力

18、的稳定性差。 2.液压-机械式合模装置的结构特点 液压油缸直径比较小， 减轻设备体重，节省能源消耗，用液压油量少。 有两个不同直径的油缸与机械装置配合工作（小直径油缸完成模具的移开与闭模动作，机械装置配合锁住定位，然后由大直径油缸加压锁牢模具），能得到高的合模力，锁模工作可靠。 不足之处：液压-机械式合模结构比较复杂，给设备维修工作增加了一定难度。 3.液压-曲肘式合模装置的结构特点液压-曲肘式合模装置实际也是一种液压-机械式合模装置，不同之处在于机械部分是连杆机构或曲肘撑杆机构，合模时有合模机构系统中产生预应力而使模具合紧。由于其驱动力由液压装置提供，所以，称这种结构为液压-曲肘式合模装置。

19、其结构特点如下。 由较小的液压推力，通过连杆机构的放大，得到较大的合模锁紧力。 合模速度快，缩短了注射制品的成型周期。 用液压油量少，节省能源消耗。 降低注塑制造成本。 4.电动机械式合模装置的结构特点 合模机构装置中没有液压油参与工作，合模运动用交流伺服电机驱动，由滚珠丝杆和同步皮带传动机构完成。 不用液压油驱动，工作环境易保持清洁。 节省了大量液压油降温用冷却水。 节省能源消耗。 工作噪声低。 设备维护和维修比较简单。合模装置(锁模装置)是保证成型模具可靠地闭合和实现模具启闭动作，即成型制品的工作部件。它主要由模板、拉杆、合模机构、制品顶出装置和安全门等组成，前模板、动模板、后(调)模板三

20、者以拉杆相连，模板是做固定模具和运动导向的定位基准之用，模具固定在动模板与前模板上。定模板固定于床身，动模板则通过肘杆及油缸在床身导轨上来回运动，如图2-1所示。 合(锁)模装置是注塑机中最重要的机械部件，其中模板为最重要的零件之一，它的成本是注塑机成本的主要组成部分。 图2-1合模装置示意图 在合模装置的设计过程中，人们往往是根据经验，采用类比法，参照已有的合模机构的尺寸比例和结构进行设计，在这种情况下所获得的机构各参数不可能为最佳组合，也不可能满足多个目标的性能要求，这在一定程度上降低了合模装置的实用价值。特别是在系列化设计中，不能保证整个系列的机器性能一致。2.1.2合模形式对制品的影响

21、 成型制品的尺寸精度是体现成型制品质量优劣的重要指标之一。决定注射制品的尺寸精度不仅要考虑机器的名义合模力大小，而且还要注意到注射以后各种合模装置由于系统刚性不同，所反应出的不同的回弹行为。在合模力相同和工艺条件相似的条件下，制品尺寸精度在很大程度上取决于合模装置的刚性。就一般形式而言，肘杆是合模装置的刚性要比液压式的大。这种刚性对尺寸精度的影响，特别是超载时，表现更为突出。因为这时液压式不仅有和肘杆式发生相同性质的拉杆伸长变形，同时还要附加超载部分对合模油缸液压油压缩等变形量。2.1.3合模机构对机器循环次数的影响注射剂在工作时，构成机器循环周期的工序，在时间分配比例上不完全相同。就从构成循

22、环周期各工序分析，一类是有工艺条件所决定的，如注射、保压、制品冷却、预塑等。另一类不受工艺条件限制，如开、闭模时间、喷嘴前移与后退、制品取出、嵌件取放以及各工序之间的切换等等。前一类一压缩冷却时间为主要方向，而后一类主要一提高开闭模速度。对于加工薄壁制品或是采用强制冷却的模具，由于冷却时间较短，所以机器的实际循环次数主要取决于移模速度（开、合模时间约占整个成型周期80%左右）。至于机器的循环次数，更是移模速度快慢的体现。因此，要求合模装置具有高速，并且工作时变速要平稳。肘杆机构因有力的放大作用，使用油缸直径较小，故易于实现高速，同时机构又有平稳变速的特点。初次，液压式升压时间长，动作切换次数多

23、（如变速，升压合紧后方能注射等），所以机器循环次数一般要少于肘杆式。2.1.4合模机构对能耗的影响目前由于机器在注射装置上普遍采用了螺杆式，所以在注射参数接近的情况下，其能耗也是接近的。因此，合模装置在很大程度上决定着机器的总能耗。肘杆机构因具有放大作用，使用的油缸直径远小于液压式，其合模力又是以机构预变形实现的，即使卸去油泵动力，也能锁紧模具。液压式则因工作周期长和工作油需要量大，用于工作油发热，漏损，压缩和保持压力等方面的能耗远大于肘杆式。2.1.5机器结构和成本肘杆式零件多，像肘杆、模板一类的零件，加工精度要求高，结构复杂，还需要单独设置调模和润滑系统。液压式虽然本身结构简单，仅是像模板

24、、拉杆、油缸一类结构简单为数不多的零件，但由于需要大的铸件多，液压系统和电器部分比较复杂，这样所形成的实际成本，对中小型机器长高于肘杆式。 2.2 合模装置存在的主要问题2.2.1注塑机模板断裂原因分析 在肘杆式合模装置中，对于定模板来说，如图2.20所示，其受力好像用手帕包东西一样。要注意的是，中间挖空如果太大或者在轴对称线附近存在铸造缺陷或有螺钉孔、销孔等，就有发生断裂的危险。 图2.20定模板受力分析 对于动模板，F3所作用的平面与铰耳相连，凡所作用的平面用于连接模具。在凡和凡的作用下，模板的变形如图2.21所示，由于力臂较长，故水平轴线发生断裂的危险最大。 图2.21动模板受力分析 对

25、于调模板，其受力与前模板相似，F3通过肘杆传递到后模板以Fs作用在与铰耳相连的承重面上。但是从设计的角度出发，为了增加开模行程，势必要减少图2.22中A的尺寸，这也是导致模板断裂的主要原因之一 图2.22后模板受力分析 肘杆式合模装置存在模板、拉杆易于断裂的问题。模板在注塑机中占有举足轻重的地位，其成本是注塑机成本的重要组成部分，模板一旦断裂注塑机就得停工待修。从提高强度出发，当然是选用优质材料，而且尽量加大模板厚度，但这些将无疑提高模板之造价，影响整机成本。鉴此，制造者通常采用球墨铸铁铸造模板。这主要考虑： .球墨铸铁成本低，在模板上铸出加强筋或将模板掏空，可有效减少件重; .球墨铸铁易于实

26、现切削加工，故可有效降低加工成本; .球墨铸铁刚度较好，而且也具有一定硬度。 尽管设计者已经充分考虑了模板的刚度、强度，但仍然有模板断裂事故不断发生。因此，有必要对其断裂原因加以剖析。2.2.2拉杆断裂原因众所周知，一般肘杆式注塑机的拉杆比全液压式的拉杆容易断裂。拉杆断裂的原因分析1、疲劳破坏 注塑机的工作过程是交变应力的过程，故任何引致应力集中的因素都可能导致疲劳破坏。如：1）轴竟径变化较大的台阶处。2）过渡处缺少圆角、退刀槽等。3）表面伤痕或者加工螺纹不小心破坏光轴表面。4）螺纹表面粗糙度太大。5）螺纹长时间受压，由于表面强度不够而导致表面挤压损坏（调模螺母处）。6）螺纹表面热处理不当造成

27、应力集中。7）材料缺陷。2、过载拉断 由于肘杆式靠四根拉杆变形获得锁模力，如果四根拉杆长度不同，则其变形就不一样，如四根中一根较短，则较短的拉杆可能会承受大大超过其本身应承受的1/4锁模力，从而导致拉断。3、温度应变导致拉断 如果四根拉杆长短不一，例如：一条长，三条短，那么较长拉杆由于急剧的温度高或降低所引起的热应力，受到另三支杆的约束，处于静不定状态，将导致该拉杆断裂。4、复合应变所导致的拉断 如果模具不平，连杆（铰边）的长度、轴承座的高度及拉杆的长度等零件的综合误差太大，当连杆伸直时，两边受力不均。那么1）造成后模板摆动，拉杆受弯，拉杆在弯曲应力及拉伸应力的作用下，拉杆容易拉断。2）造成产

28、品飞边，一般缺少经验的操作者会进一步加大锁模力，从而造成拉杆过载拉断及模具过载变形。5、瞬时冲击应力导致的破坏 由于肘杆式在开模之前锁模力才能释放，故1）开模时的瞬时冲击造成机器振动并导致拉杆及其它零件损坏。2）由于整个合模部件（包括模具）长时间保持在应力状态下，会导致零件过早疲劳失效。2.3调模装置的选择根据设计任务书要求，调模装置为齿轮调模，用大齿轮“2” 带动四只小齿轮“1”转动，这样推动后模板连同合模装置一起在四根拉杆上移动，使移动模板与前模板的距离得到调整。这种结构形式紧凑，轴向尺寸小，安装调整都比较方便。但结构复杂，要求模板的移动同步性精度高。第三章 合模机构主要部件的设计及计算3

29、.1肘杆机构的设计根据注塑机成型与设备维修技术问答可知，我国国产中小型注塑机一般采用五节点双曲轴式合模装置。其具有合模力大，模板形成小等特点。在本设计中，肘杆机构设计为五节点肘杆机构。见图3-1。 3-1 五节点肘杆式合模机构3.1.1肘杆机构的特性双曲轴机构一般要比单曲轴的里放大倍数大（在变形角以内），可是双曲肘的移模力在移模行程某区域内会急剧下降。这就有可能出现开模时移模力不足的问题，因为在这区域经常需要采用机械顶出杆顶出制品。因此，在双曲轴机构设计时，固然要求在变形角度以内有大的增力倍数，但同时还要兼顾到对开模力的要求。图1肘杆机构运动几何图图2 肘杆机构各运动点的速度图3.1.2肘杆尺

30、寸计算根据运动条件，杆长比=0.7（0.5-0.7）模板行程S=500mm，最大起始角（参照SX-ZY500型注塑机），可得： =912mm 1303mm3.1.3机构变形力及其与机构移模力的关系机构变形力是指肘杆机构在锁紧模具的过程中，因合模系统发生弹性变形而形成的实际预紧力。他取决月和墨系统变形量的大小。而移模力是从静力学观点研究了油缸推力经肘杆机构的放大，在模板（或模具）出产生的推力的大小。因此，肘杆机构的正常工作条件必须是：油缸的驱动力经机构放大所形成的移模力要大于机构由于变形而形成的变形阻力。3.2拉杆的设计计算3.2.1拉杆的受力分析及尺寸设计根据拉杆的工作条件，选择制造的拉杆应有

31、足够的强度和刚度，同时，表面要耐磨。按拉杆的工作环境，其形状应设计成圆柱体，用优质碳素钢制造。如用45号钢制造，毛坯应进行锻造，调质处理，然后精加工完成。圆柱工作面的耐磨性，表面应热处理。硬度HRC不低于45，拉杆与模板装配时，配合部分应采用H7/f7或H8/f7配合。直度允许误差不大于0.05/1000.参照SX-ZY500型注塑机，合模力=3500kN,开模力为合模力的25%=900kN，(注射成型手册P182)F:每根拉杆的预载荷，F=45918kN，取F=4600kND：拉杆直径；由公式：T=KDF/12 (注射成型手册P183) K：0.2（0.150.2） D=12T/KF =12

32、*120/0.2*46000 =0.157m =157mm 考虑到拉杆轴向前后移动，成熟锁紧模具时的巨大拉伸力和支撑模板和模具作用的弯曲力，这里将拉杆直径D取160mm。 3.2顶出装置的选择3.2.1顶出装置的类型及特点 合模机构中顶出装置的配备，目的是为了注塑制品的顺利脱模取出。要求这个顶出杆应有一定的顶出力，以把制品顶出成型模具。在小型注塑机只用一根顶出杆即可，在大型注塑机中，由于注塑件形状大而复杂，需要多个顶出杆工作才能是制品顺利脱模。为避免损坏制品，要求多个顶出点力要均匀，顶出杆的出入频率和移动速度要与模板开闭速度协调匹配。顶出杆的行程大小也应按模具的尺寸大小调节。顶出装置的结构有液

33、压式和机械式。图3-20所示为液压式顶出装置。图中顶出杆的顶出力来自于液压系统的顶出油缸活塞。这种顶出杆的顶出力大小，行程距离以及工作频率容易控制顶出杆的安装比较方便，目前注塑机的顶出装置结构多用此类形式。图3-21所示为机械式顶出装置。顶出杆工作时的推力、速度和顶出杆伸出长度都由移动模板的开闭动作、行程决定。其结构比较简单。但由于受到模板动作的制约，故使用受到一定限制，一般多用在小型注塑机上。图3-20液压式顶出机构图3.21机械式顶出装置3.2.2顶出装置的选择 本设计参照国产SX-ZY500型注塑机，在顶出装置的选择上使用液压式顶出装置。第四章 注塑机模板的设计和有限元分析 4.1有限元

34、方法的简介4.1.1有限元方法的介绍 从本世纪五十年代开始，随着计算机技术的不断发展，极大地推动了各种数学方法的发展和应用。有限元法作为20世纪50年代发展起来的一种有效的数值分析方法随着计算机的飞速发展而迅猛发展起来。有限元程序具有功能强大、计算可靠、工作效率高等特点，因而逐步成为结构分析中的强有力的工具。在工程设计领域，许多工程结构用有限元单元法进行分析，极大地提高了设计精度，而且许多原来因为过于复杂而无法分析的问题，应用有限元单元法后得到了较好地解决，带来了巨大的效益。 与此同时，优化设计被引人工程设计后，利用计算机进行设计最优化方案的选择，极大地缩短了设计时间，节省了材料成本，优化了结

35、构性能，获得了可观的经济效益。优化设计是将工程设计问题转化为最优化问题，利用计算机的高速运算和逻辑判断的巨大能力，从满足设计要求的一切可行方案中，按照预定的目标，自动探寻最优设计方案的一种设计方法。它能综合处理并最大限度地满足从不同角度提出的技术问题，因此是现代设计理论和方法中的一个重要组成部分。优化设计是设计概念与方法的一场革命，它用系统的和有良好标准的过程与方法替代替传统的试验纠错的手工方法，可以用来寻求最好或最合理的设计方案。优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术，所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出(如重量、面积、体积、应力、费用等)最小。也就是说，

36、最优设计方案就是一个最有效率的方案。设计方案的任何方面都是可以优化的，比如说:尺寸、形状、支撑位置、制造费用等。 相对于有限元单元法，结构优化设计的发展比较缓慢。结构优化设计的研究虽然已经有几十年，并且在理论、算法和应用方面有了长足的进展，但实事求是地说，其应用广度和实际成效远落后于优化理论的进展。究其落后原因有许多方面，但主要是客观上理论与方法还不够成熟，致使较难为广大工程设计人员所接受，此外主观上还存在一些传统的工作习惯。对于一种新的工作方法，如果不是相当完善和方便，较之旧的设计方法有明显优势的话，要被工程设计人员乐于接受是不容易的。此外，优化设计领域发表的文章和出版的书籍，大多以面向研究

37、工作者为主，兼顾实际工程要求的较少，这也在一定程度上妨碍了优化设计的发展与推广。有限元和优化的结合需要建立有限元计算模型与优化设计模型之间的联系。优化设计模型主要是由设计变量、约束函数和目标函数对设计的描述组成。从有限元计算模型到设计模型的连接，就是要从有限元分析结果中提取出约束函数和目标函数的当前数值。从设计模型到有限元计算模型的连接是根据优化设计得到的变量值修改有限元模型，例如节点坐标位置，单元截面尺寸等。这种方法可以用如下图4.20表示。图4.204.1.2ANSYS优化与CAE随着有限元分析技术的推广，各种有限元分析软件也随之问世，例如德国ASKA,英国PAFEC、法国SYSTUS、美

38、国ABQUS, ANSYS, BERSAFE, BOSOR, COSMOS,ELAS, MARC和STRDYNE等公司均有成熟产品。然而，经过市场的筛选，ANSYS最终成为了市场占有率较高的有限元分析软件之一。ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的一个功能强大灵活的设计分析及优化大型通用有限元软件包。该软件是唯一具有中文界面的大型通用有限元软件，能实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化，实现多场及多场藕合分析，具有多物理场优化功能及强大的非线性分析功能，它拥有的多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置，支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼

39、容，具有多种自动网划分技术及良好的用户开发环境。 ANSYS软件的主要功能有:结构分析、热分析、模态分析、热一结构藕合分析(热应力)、优化设计等，特别是ANSYS强大的解决非线性问题的分析能力、独一无二的优化功能和丰富多彩的网格划分工具使设计工作如虎添翼。ANSYS基于Motif的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输人和功能选择，为用户使用ANSYS提供了导航。实体建模特性包括基于NURBS的几何表示法、几何体素及布尔运算。利用ANSYS程序，可以构造结构、产品、零部件或系统的计算机模型，或将它们的CAD模型进行转换，对它们施加载荷或其它设计性能条件。在设计过程初期，也可

40、以利用该程序进行优化设计，以降低生产成本，并可有效缩短样机制造一测试一再制造这一研制周期，同时也避免了使用昂贵的产品余量设计。ANSYS主要包括三个部分:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。(1) 前处理模块:提供了一个强大的实体建模即网格划分工具，用户可以定义求解所需的数据，方便地构造有限元模型。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种材料和结构。(2) 分析计算模块:前处理阶段完成建模后，用户可在此阶段获得分析结果。包括结构分析(线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的祸合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分

41、析能力。(3) 后处理模块:包括两个部分，通用后处理模块和时间历程后处理模块。通用后处理模块可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果包括:位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式有图形显示和数据列表两种。这个模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。时间后处理模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力或支应力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率和其它量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。此外，它还可以进行曲线的代数运算。日益激烈的市场竞争使工业产品的设计与生产厂家越来越清楚地意识到:能比别人更快地推出优秀的新产品，就能占领更

42、多的市场分额。为此，计算机辅助工程(CAE,Computer Aided Engineering)作为能缩短产品开发周期的得力工具，被越来越频繁地引人到了产品的设计与生产的各个环节。在保证产品达到某些性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些允许改变的设计变量，使产品的指标或性能达到最期望的目标，就是优化方法。一个典型的CAE优化过程通常需要经过如图4-21所示的步骤来完成.(1) 参数化建模:利用CAE软件的参数化建模功能把将要参与优化的设计变量定义为模型参数，为以后软件修正模型提供可能。(2) 求解:对结构的参数化模型进行加载与求解。(3) 后处理:把状态变量(约束条件)和目标函数(

43、优化目标)提取出来供优化处理器进行优化参数评价。(4) 优化参数评价:优化处理器根据本次循环提供的优化参数(设计变量、状态变量及目标函数)与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了最小，或者说结构是否达到了最优。如果最优，完成迭代，退出优化循环圈，否则，转入下步。(5) 根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新投人循环。 图4-21ANSYS是一个集结构、热、电磁、流体分析功能于一身的CAE软件，可以进行多场耦合分析:具有较强大的前后处理能力，尤其在智能网格划分器上有卓越特点:非线性的收敛控制具有智能化，对于大多数工程问题不需人工干预便能完成非线性问题的

44、收敛;此外，ANSYS还有参数化设计语言一APDL，该语言具有参数、数学函数、宏(子过程)、判断分支及循环等高级语言要素，是一个理想的程序流程控制语言;其前后处理及求解数据库的统一性及不同平台数据库兼容的特点使它很适合于进行高级的优化分析。随着 CAE技术的发展，CAE中的优化技术也日臻成熟，在现代CAE优化技术中兴起一种被称为拓扑优化的新方法。拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料配置方案。这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计。与优化设计不同，拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。目标函数、状态变量和设计变量都是预定好的。用户

45、只需要给出结构的参数(材料特性、载荷、模型等)和要省去的材料百分比即可。4.1.3有限元分析与结构优化设计的结合 结构优化分为尺寸优化和形状优化，通过对零件结构进行尺寸优化，可以改善零件的整体尺寸，与传统设计方法相比一般可节省材料7%40%。形状优化就是通过改变零件的几何边界形状，以改善结构的特性和应力分布状况。将有限元方法和结构优化技术集成，可以实现机械零件在真正意义上的计算机辅助设计，更重要的是可以得到产品的最佳性能价格比。结构优化设计产生于20世纪60年代，特别是在90年代，许多新的概念如遗传算法、形状优化、拓扑优化等被应用到结构优化过程中，其中利用有限元方法进行优化分析是一种自然的选择

46、。因为它不仅能处理大范围的结构类型，而且它在可选择的分析类型中是一种可利用的最通用方法。它不仅只限于结构问题，也能拓展到能用偏微分方程表示的其它任何问题中。利用ANSYS软件完成优化设计的流程如图4.22所示。 图4.224.2模板模型简化分析 由于模板结构和受力状态十分复杂，考虑所有因素的影响是十分困难的。因而，为了突出主要因素，忽略次要因素的影响，对模板及其受力情况作如下简化假设: (1)模板安装在床身上，底部固定处看作垂直方向的位移约束; (2)拉杆对模板的受力影响是比较大的，它们之间由螺母固定，可看作沿拉杆孔周围环面给予位移约束; (3)忽略安装螺孔等小孔的影响以简化结构形状; (4)

47、结构和载荷有一个对称面，分析时可以沿对称面剖开，取其二分之一，并加以对称约束; (5)模板的载荷为均布载荷; (6)模板的温度应力与合模力引起的应力相比显得很小，可以忽略不计4.3前模板的有限元分析 前模板的主要作用是固定模具及定位导向，板四角孔处由导向拉杆相连，在升压合紧时将承受全部合模力的作用。前方接收熔融的塑料，背部固定模具，承受合模时模具压力，底部固定于床身。模板在合模力的作用下，主要承受弯曲变形，因此，从等强度观点出发，模板的形状通常设计成带有筋板的截面。本节研究对象为WG500A-C03-O1注塑机的前模板，其结构如图4.30所示。图4.30 WGSOOA前模板4.3.1实体模型的

48、建立为减轻用户的工作强度，避免用直接建模的方法来构造有限元模型，ANSYS配备了强大的实体造型功能，利用这些功能，可以让用户较为轻松地创建实体模型，从而为划分复杂的网格作好准备。实际使用过程中，几乎所有有限元模型都是采用实体模型建模的。ANSYS提供了两种方法进行实体建模，即自底向上的建模方法和自顶向下的建模方法。自底向上的建模方法是先创建关键点，然后依次创建相关的线、面和体等图元。自顶向下的建模方法是可以直接创建最高级的图元，如球、棱柱等三维实体.因为模板结构属于上下左右对称，本文在建模中采用自顶向下和自底向上的方法相结合先建立四分之一模型，然后利用镜像操作完成实体模型的建立。根据上述假设简

49、化一些凹槽和圆角，在ANSYS中建立三维几何模型如图4.31所示。取二分之一模板进行分析，如图4.32所示。图4.31在ANSYS中建立三维几何模型图4.32前模板的实体模型4.3.2有限元网格的划分实体模型建立后，就需要对其进行网格划分。网格划分包括三步:(1)定义单元属性(单元类型、实常数、材料属性);(2)定义网格控制(控制网格密度);(3)生成网格。 ANSYS提供四种网格划分方法:自由网格划分、映射网格划分、体扫掠生成体网格和自适应划分，并提供了上百种单元类型以及多种自动网格划分技术。自适应精度控制可为不同零件、不同区域制定不同的重要级别或计算精度，程序可通过计算一一判断精度网格细分

50、计算的循环迭代达到预期的精度，其间程序可自动识别高应力区，并对这些区域进行网格细化。 根据模板的结构特点选择四节点四面体单元自适应精度控制进行自由网格划分，得到单元总数为28530，节点总数为44003，如图4.33所示。图4.33 (a) WG500A前模板的有限元模型(正面)图4.33(b)WG500A前模板的有限元模型(反面)4.3.3施加边界条件及载荷在模板剖分面上施加对称约束，模板底部与床身相连部位简化成Y向约束，拉杆前方的螺栓固定简化成Z向约束。工作时，锁模力使前模板和动模板将模具压在其中，因此将合模力简化为均布载荷作用在模板背部固定模具的环面上，如图4.34所示。图4.34 WG

51、SOOA前模板的载荷模型4.3.4求解运算及结果观察ANSYS的通用后处理器的功能非常强大，既能做简单的图像显示，也能进行复杂数据的列表，还可以用动画显示模型在载荷作用下的内力变化过程，用图形的方式解释分析计算结果。通用后处理中另一个强大的功能就是能够把任何计算结果数据影射到模型的任意路径上。在指定路径上可以进行各种数学运算，从而可以得到具有实用价值的计算结果。在前模板当前载荷下求解运算过程结束后，可利用通用后处理器观察运算结果，得到前模板的变形云图如图4.35所示，应力云图如图4.36所示。图4.35(a) WGSOOA前模板变形云图(正面)图4.35(b) WGSOOA前模板变形云图(反面

52、)图4.36WG500A 前模板应力云图本节定义了四分之一截面处边界线为一条路径，并将数据映射到此路径上，除程序自动插值的几个几何项外，添加合位移、应力等路径项。通用后处理器以坐标的形式绘制的合位移、应力与路径的关系图分别如图4.37,4.38所示。图4.37合位移与指定路径关系图4.38应力与指定路径关系4.3.5计算结果分析在通用后处理器绘制的变形云图如图4.35可以看出，模板中心孔附近变形最大，达到0.361mm，自中心向外线性递减，且越远离载荷区变形越小。由图4.36所示的应力云图可以看出，应力最大区域分布在中心孔边缘与米字部位的筋板相连接处，局部最大应力高达232MPa，其分析结果与

53、力学分析结果相近，基本反映了模板真实的受力情况。可以预测在实际工作中该板大部分区域已满足设计要求，但局部应力较大、变形较大，可能是造成模板出现裂纹的主要原因。因此在前模板的结构优化设计中，如何加强承载区域、合理布置加强筋以达到最佳承载能力是优化设计的主要任务。4.4后模板的有限元分析与前模板受力情况类似，后模板的主要作用是以肘杆与动模板相连，肘杆运动推动动模板以调节开模行程。板四角孔处由导向拉杆相连，在工作时将承受肘杆压力作用，底部置于机架上。HL630A-CO1-10注塑机后模板如图4.40所示。图4.40 HL630A-CO1-10注塑机后模板4.4.1实体模型的建立本节所建立的模型为HL630A-CO1-10注塑机的后模板，此模板在工作过程中四个拉杆孔边缘经常出现裂纹，并且与铰耳连接的螺钉经常会被剪断.在ANSYS中建立的后模板模型如图4.41所示。 图4.41 HL630/3000后模板三维实体模型为分析其裂纹出现原因现对模板进行有限元分析，以观察其应力集中的部位。为了便于分析计算，在建模过程中省略了一些圆角和安装使用的螺纹孔。由于模板左右结构对称，仍取二分之一模板进行分析