Moldflow 模具分析技术基础

1、Moldflow模具分析应用第1章 Moldflow分析基础知识1.1 注塑成型基础知识将树脂经由注塑机注塑成型变成塑料制品的过程如下：计量：为了成型一定大小的塑件，必须使用一定量的颗粒状塑料，这就需要计量；塑化：为了将塑料充入模腔，就必须使其变为熔融状态，流动充入模腔；注塑充模：为了将熔融塑料充入模腔，就需要对熔融塑料施加注塑压力，流动充入模腔；保压增密：熔融塑料充满模腔后，向模腔内补充因制品冷却收缩所需的物料；制品冷却：保压结束后，制品开始进入冷却定型阶段；开模：制品冷却定型后，注塑机的合模装置带动模具动模部分与定模分离；顶件：注塑机的顶出机构顶出塑件；取件：通过人力或机械手取出塑件和浇注

2、系统凝料等；闭模：注塑机的合模装置闭合并锁紧模具。1.2 注塑成型过程在注塑过程的塑化、填充、保压和冷却这4个主要阶段中，起主要作用的工艺参数也随注塑过程的变化而变化。1塑化塑化是指塑料在料筒内经加热达到良好流动状态的全过程。因此可以说塑化是注塑成型的必备过程。熔体在进入模腔之前应达到规定的成型温度，并能在规定时间内达到足够的重量，熔体温度应均匀一致，不发生或极少发生热分解以保证生产的连续进行。2填充这一阶段从柱塞或螺杆开始向前移动起，直至模腔被塑料熔体充满为止，填充过程主要的工艺参数有：熔体温度；注塑压力；充填时间充填刚开始一段时间内模腔中没有压力，待模腔充填时，料流压力迅速上升而达到最大值

3、。充填的时间与模塑压力有关。充模时间长，先进入模内的塑料受到较多的冷却，粘度增大，后面的塑料就需要在较高的压力下才能进入模腔；反之，所需得压力则较小。前一种情况下，由于塑料受到较高的剪切应力，分子定向程度比较大，这种现象如果保留到料温降低至软化点后，则制品中冻结得定向分子将使制品有各项异性。这种制品在温度变化较大的使用过程中会出现裂纹，裂纹方向与分子定向方向是一致的。而且，制品得热稳定性也较差，这是因为塑料的软化点随分子定向程度增高而降低。高速充模时，塑料熔体通过喷嘴、主流道、分流道和浇口时产生较多的摩擦热而使料温升高，这样当压力达到最大值时，塑料熔体的温度就能保持较高的值，分子定向程度可减小

4、，制品熔接强度也可提高。充模过快时，在嵌件后部得熔接往往不好，使制品强度变劣。3保压指的是熔体从充满模腔起到柱塞或螺杆撤回时为止的一段时间。保压阶段的主要工艺参数：保压压力；保压时间保压时，熔体因冷却而收缩，但因塑料仍然处于柱塞或螺杆的稳压下，料筒内的熔体会被继续注入模腔内以补充因收缩而留出的空隙。如果柱塞或螺杆停在原位不动，压力曲线就会略有衰减；若柱塞或螺杆保持压力不变，也就是说随着熔体入模的同时向前做少许移动，则在此段中模内压力维持不变，此时压力曲线与时间轴平行。压实阶段对于提高制品的密度、降低收缩和克服制品表面缺陷都有影响。此外，由于塑料还在流动，而且温度又在不断下降，定向分子容易被冻结

5、，这一阶段是大分子定向的主要阶段。这一时间拖延愈长，分子定向程度也越大。4冷却从浇口处的塑料完全冻结时起，到制品从模腔中顶出时为止。主要工艺参数是时间。冷却时模腔内压力迅速下降，模腔内的塑料在这一阶段内主要是继续冷却，以便制品在脱模时具有足够的刚度而不致发生扭曲变形。该阶段虽无塑料从浇口流出或流入，但模内还可能有少量的塑料流动，因此依然能产生少量的分子定向。由于模内塑料的温度、亚尼和体积在这一阶段中均有变化，因此到制品脱模时，模内压力不一定等于外界压力，模内压力与外界压力的差值称为残余压力。残余压力的大小与压实阶段的时间长短有密切关系。残余压力为正值时，脱模比较困难，制品容易被刮伤或破裂；残余

6、压力为负值时，制品表面容易有陷痕或内部有真空泡。所以只有当残余压力接近零时，脱模才比较顺利，并能获得满意的制品。13 注塑成型工艺条件注塑成型主要工艺条件包括温度、压力和时间等。1温度注塑成型时的温度主要有熔料温度和模具温度，熔料温度影响塑化和注塑充模，模具温度影响充模和冷却定型。熔料温度指塑化树脂的温度和从喷嘴射出的熔体温度，前者称为塑化温度，后者称为熔体温度，由此看来，熔料温度取决于料筒和喷嘴两部分的温度。熔料温度的高低决定熔体流动性能的好坏。熔料温度高，熔体的粘度小，流动性好，需要的注塑压力小，成型后的制件表面光洁度高，出现熔接痕、缺料的可能性小。反之，熔料温度低，就会降低熔体的流动性能

7、，引起表面光洁度低、缺料、熔接痕明显等缺陷，但料温过高会引起材料热降解，导致物理和化学性能降低。模具温度是指和塑件接触的模腔表面温度。模具温度直接影响熔体的充填流动行为、制件的冷却速度和制件的最终质量。提高模具温度可以改善熔体在模腔内的流动性，增强制件的密度和结晶度以及减小充模压力和制件中的压力。但是提高模温会增加制件的冷却时间、增大制件收缩率和脱模后的翘曲，制件成型周期也会因为冷却时间增加而变长，降低了生产效率。降低模温虽能缩短冷却时间、提高生产率，但是会降低熔体在模腔内的流动能力，并导致制件产生较大的内应力或者形成明显的熔接痕等制件缺陷。2压力成型过程的压力主要有：注塑压力、保压压力和背压

8、。压力曲线变化如下注塑压力是指螺杆或柱塞沿轴向前移时，其头部向塑料熔体施加的压力。它主要用于克服熔体在成型过程中的流动阻力，还对熔体起一定程度的压实作用。注塑压力对熔体的流动、充模及制件质量都有很大影响。注塑压力与充模时间的关系曲线呈抛物线形状。只有选择合适的注塑压力才能保证熔体在注塑过程中具有较好的流动性能和充模性能，同时保证制品质量。注塑压力的大小取决于树脂原料、制件的复杂程度、壁厚、喷嘴结构、模具浇口类型和尺寸以及注塑机类型等。保压压力是指对模腔内树脂进行压实以维护向模腔内进行补料流动所需要的压力，是重要的注塑工艺参数之一，保压压力和时间的选择直接影响注塑制品质量，保压压力与注塑压力一样

9、由液压系统决定。在保压初期，制品重量随保压时间而增加，达到一定时间不再增加。延长保压时间有助于减小制品收缩率，但过长会使制品两个方向的收缩率程度出现差异，令制品各个方向上的内应力差异增加，造成制品翘曲、粘模。在保压压力及熔体温度一定时，保压时间的选择应取决于浇口凝固时间。背压是指螺杆顶部熔料在螺杆转动后退时对其施加的反向压力。增大背压可以排出原料中的空气，提高熔体密实程度，增大熔体内的压力，螺杆后退速度减小，塑化过程的剪切作用加强、摩擦热增多、熔体温度上升，塑化效果提高。但是背压增大后，如果不相应提高螺杆转速，那么，熔体在螺杆计量段螺槽中将会产生较大的逆流和漏流，从而使塑化能力下降。背压大小与

10、制件成型树脂原料品种、喷嘴种类及加料方式有关。3时间注塑成型周期由注塑时间、保压时间、冷却时间和开模时间组成。注塑时间是指注塑活塞在注塑油缸内开始向前运动直至模腔被完全充满为止所经历的时间；保压时间为从模腔充满后开始，到保压结束为止所经历的时间；注塑与保压时间由制件成型树脂的流动性、制件几何形状、制件尺寸大小、模具浇注系统形式、成型所用的注塑方式和其它工艺条件等因素决定。冷却时间指保压结束到开启模具所经历的时间。冷却时间的长短受熔体温度、模温、脱模温度和冷却剂等因素影响。在保证取得较好制件质量的前提下，应当尽量缩短冷却时间，否则会延长制件成型周期，降低生产效率，还可能造成具有复杂几何形状的制件

11、脱模困难。开模时间为模具开启取出制件到下个周期开始的时间。注塑机自动化程度高，模具复杂度低，则开模时间短；否则开模时间长。14 常见制品缺陷及产生原因141 短射Short Shots短射是指由于模具模腔充填不完全造成制品不完整的质量缺陷，即熔体在完成充填之前就已经凝结。1可能的成因流动受限，由于浇注系统设计不合理导致流动受到限制，流道过早凝结；出现滞流或者流道过长、过于复杂；排气不充分，未能及时排出的气体会产生阻止流体前沿前进的压力，从而导致短射发生；模具温度或者熔体温度过低，降低了熔体的流动性，导致充填不完全；成型材料不足，注塑机注塑量不足或螺杆速率过低也会造成短射；注塑机缺陷，入料堵塞或

12、螺杆前端缺料，都会造成压力损失和成型材料体积不足，产生短射。2解决方案避免滞流现象发生；尽量消除气穴，将气穴放置在容易排气的位置或者利用顶杆排气；增加模温和熔体温度；增加螺杆速率，从而产生更多的剪切热，降低熔体粘性，增加流动性；改进制件设计，使用平衡流道，并尽量减小制件厚度的差异，减小制件流程复杂程度；更换成型材料，选用较小粘性的材料以利于充填，而且完成充填所要求的注塑压力也会降低；增大注塑压力最大值。142 气穴指由于熔体前沿汇聚而在塑件内部或模腔表层形成的气泡。气穴的出现有可能导致短射的发生，造成充填不完全和保压不充分，形成最终制件的表面瑕疵，甚至可能由于气体压缩产生热量出现焦痕（burn

13、 mark）1气穴成因跑道效应；滞流；流长不平衡，即使制件厚度均匀，各个方向上的流长也不一定相同，导致气穴产生；排气不充分，在制件最后充填区域缺少排气口或排气口不足是引起气穴形成最常见原因。2解决方案平衡流长；避免滞流和跑道效应出现，对浇注系统修改，从而使制件最后充填位置位于容易排气的区域；充分排气，将气穴位置放在容易排气的位置或利用顶杆排气。143 熔接痕和熔接线当两个或多个流动前沿融合时，会形成熔接痕和熔接线，区别在于融合流动前沿夹角的大小。熔接线位置上的分子趋向变化强烈，因此该位置的机械强度明显减弱，熔接痕要比熔接线强度大，视觉上的缺陷也不如熔接线明显，二者出现的部位还有可能会出现凹陷、

14、色差等质量缺陷。1成因由于制件的几何形状，充填过程中出现两个或两个以上流动前沿时，很容易形成熔接线或痕。2解决方案增加模具温度和熔体温度，使两个相遇的熔体前沿融合得更好；增加螺杆速率；改进浇注系统设计，在保持熔体流动速率的前提下减小浇道尺寸，以便产生摩擦热；如果不能消除熔接线或熔接痕，那么应使其位于制件上较不敏感的区域，以防止影响制件的机械性能和表观质量。通过改变浇口位置或者改变制件壁厚可以改变熔接线和熔接痕位置。144 滞流指某个流动路径上的流动变缓甚至停止1滞流成因如果流动路径上出现壁厚差异，熔体会选择阻力较小的厚壁区域首先填充，这会造成薄壁区域充填缓慢或者停止充填，一旦熔体流动变缓，冷却

15、速度就会加快，粘度增大而使流动更加缓慢，形成循环。滞流通常出现在筋、制件上与其他区域存在较大厚度差异的薄壁区域内。滞流会产生制件表面变化，导致保压效果低劣、高应力和分子趋向不均匀，降低制件质量。如果滞流的熔体前沿完全冷却，那么成型缺陷就由滞流变为短射。2解决方案浇口位置远离可能发生滞流的区域；尽量使容易发生滞流的区域成为最后充填区域；增加容易发生滞流区域的壁厚，从而减小其对熔体流动的阻力；选用粘度较小的成型材料；增加注塑速率以减小滞流时间；增大熔体温度，使熔体更容易进入滞流区域。145 飞边指在分型面或顶杆部位从模具型腔溢出的一博层材料。仍和制件相连，通常需要手工清除。1成因模具分型面闭合性差

16、，模具变形或存在阻塞物；锁模力小，要保证锁模力大于模腔压力，有效保证模具闭合；过保压；成型条件有待优化，如成型材料粘度、注射速率、浇注系统等；排气位置不当。2解决方案确保模具分型面很好闭合；避免保压过渡；选择有较大锁模力的注射机；设置合适的排气位置；优化成型条件。146 跑道效应指在制件薄壁区域未充满之前熔体已经完成了对厚壁区域的充填。1成因典型的流动不平衡现象，会产生气穴和熔接线。2解决方案从产品设计角度看，壁厚的差异有时是不可避免地，为了防止出现跑道效应，应尽量使模腔内流动平衡，即熔体在同一时间完成对模腔内各区域的充填，可以通过改变浇口位置或采用多浇口的浇注系统实现流动平衡。147 过保压

17、过保压（Over- pack）指当一个流程还在进行充填时，另一个流程已经开始压实过多充填的材料1 成因当制件最易填满的流程完成充填后，这个区域就会出现过保压现象。此时由于其它流程还未完成充填，注塑压力会继续将熔体向这个已经填满的区域推进，从而形成高密度高应力区域。形成过保压的主要原因是流动不平衡。2解决方案建立平衡的流动；选择适当的浇口位置使各个方向流长尽量相等；去掉不必要的浇口。148 色差色差是指由于成型材料颜色发生变化而出现的制件色彩缺陷。1 成因通常是由材料降解引起的，过大的注射速率，过高的熔体温度以及不合理的螺杆和浇注系统设计都会引起材料降解。2解决方案优化浇注系统设计；修改螺杆设计

18、；选用较小注塑量的注射机；优化熔体温度；优化背压、螺杆旋转速率和注射速度；设置合理的排气位置。149 喷射当熔体以高注射速率经过流动受限的区域如喷嘴、浇口，进入面积较大的厚壁模腔时，会形成蛇形喷射流，降低制件质量，形成表面缺陷，同时造成多种内部缺陷。1 成因螺杆速率过高；浇口位置不合理，熔体与模具接触性差，容易导致喷射发生；浇注系统设计不合理。2解决方案优化浇口位置和类型，改变浇口类型以降低熔体剪切速率和剪应力；优化螺杆速率曲线。1410 不平衡流动指其它流程未填满前，某些流程已经填满，平衡流动是指模具的末端在同一时间完成充填。1成因流长不平衡以及制件壁厚的差异都可能引起不平衡流动；不平衡流动

19、可能产生许多问题如飞边、短射、制件密度不均匀、气穴和产生过多熔接线等，因此，制件成型的流动模式一定要平衡。2解决方案增加或减小区域厚度来增强或减缓某个方向上的流动，从而获得平衡流动；优化浇口位置塑料成型过程中各个参数间相互影响，因此单纯解决一个成型问题有可能引发其它的成型问题出现，所以解决成型问题应该兼顾成型质量整体的优劣。15 本章小结当树脂材料注塑成型时，熔融的聚合物被注入模腔，冷却固化定型。虽然成型工艺过程看似简单，但其涉及注塑成型条件、模具和制件的几何形状、材料性能等多方面因素之间的复杂相互作用，这些因素的相互作用决定了制件的最终成型质量，但难得到成型质量最优的制件，因此，注塑成型工艺

20、的计算机模拟越来越重要。第2章 CAE基础2.1 CAE基础知识2.1.1 计算机辅助工程分析CAECAE技术是一门以CAD/CAM技术的提高为发展动力，以高性能计算机和图形显示设备为发展条件，以计算力学中的边界元、有限元、结构优化设计及模态分析等方法理论为基础的一项较新的技术。注塑成型过程中，塑料在型腔中的流动和成型，与材料的性能、制品的形状尺寸、成型温度、速度、压力、时间、型腔表面情况和模具设计等一系列因素有关。在模具设计基本完成后，可通过注塑成型分析，发现设计中存在的缺陷，从而保证模具设计的合理性，提高模具的一次试模成功率，降低企业生产成本。注塑模CAE分析的内容和结果为模具设计和制造提

21、供可靠、优化的参考数据，其中主要包括：浇注系统的平衡，浇口的数量、位置和大小；熔接痕的位置预测；型腔内部的温度变化；注塑过程中的注射压力和熔融料体在填充过程中的压力损失；熔融料体的温度变化；剪切应力、剪切速率。根据注塑成型CAE分析结果，就可以判断模具及其浇注系统的设计是否合理，其中一些基本原则如下；各流道的压差要较小，压力损失要基本一致；整个浇注系统要基本平衡，即保证熔融物料要同时到达，同时充填型腔；型腔要基本同时充填完毕；填充时间要尽可能短，总体注射压力要小，压力损失也要小；填充结束时熔融物料的温度梯度不大；熔接痕和气穴位置合理，不影响产品质量。2.1.2 CAE技术的主要原理及其作用CA

22、E(Computer aided Engineering的主要原理：注塑成型计算机模拟技术就是根据材料学、聚合物加工流变学、力学和计算机科学的基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中的流动、传热的物理数学模型，利用数值计算理论构造其求解方法，在计算机屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态充填、冷却过程，定量地给出成型过程的状态参数(如压力、温度、速度等)。模拟各种产品设计（材料、形状、壁厚等）、模具设计（浇口数目、位置、尺寸、流道配置、冷却孔位置、尺寸等）、工艺条件（料温、模温、注射速度、注射压力等）对成型过程的影响。下图说明了传统模具设计和制造与采用CAE技术后有哪些不同。修模模具制造模具设

23、计产品设计概念设计试模生产模具制造模具设计产品设计概念设计试模生产 CAE CAE的作用：利用CAE技术可在模具制造之前产品开发的任一阶段，在计算机上对设计方案进行分析和模拟来代替实际的试模，预测设计中潜在的缺陷，检验各种想法的可行性，突破了传统的在注塑机上反复试模、修模的束缚，为设计人员修改设计提供科学的依据。CAE技术的应用带来的直接好处是省时省力，减少试模、修模次数和模具报废率，缩短产品开发周期，降低成本，提高产品质量。2.1.3 注塑成型CAE技术的发展趋势主要发展趋势：l 2D-3D，在20世纪60年代，英、美、加等国科学家已经完成了对注塑模充填和冷却过程的一维模拟，70年代完成二维

24、模拟，80年代开始三维模拟研究，90年代开始对充填、保压、冷却、取向及翘曲变形等的集成研究，目前国内外研究的重点是气辅注塑成型和真三维精密注塑成型过程的模拟。l CAD/CAM/CAE集成，目前国内外CAD/CAM技术发展的相对比较成熟，但如何将CAD、CAE、CAM三者集成，实现三者的无缝拼接，是该领域目前研究的一个重点。l 宏观向微观发展，成型过程是聚合物材料获得其所需形态结构和性能的关键。今后要重点开展高聚物注射成型过程微观结构的变化及其理论研究，建立成型过程的取向、结晶形态、残余应力等与聚合物微观结构的定性、定量关系，为预测制品性能、优化成型条件，在高聚物加工过程中发展实现预期结构化奠

25、定理论基础，使CAE分析从预测制品形态、尺寸过渡到预测组织、结构、性能模拟。l 优化设计技术与成型模拟技术的结合，目前CAE的功能还仅限于代替传统模局设计加工过程中的试模，如何与优化技术相结合，有效利用CAE的分析结果，抽取信息建立合适的工艺模型，来优化和控制成型过程和制品质量，是CAE发展的一个方向，基于CAE技术的专家系统、神经网络和模糊逻辑这几项技术在不久的将来可能会对聚合物加工过程产生更大的影响。2.1.4 CAE所具有的模块及其作用。前置处理：几何造型和有限元网格划分后置处理：以不同的图形方式显示分析结果,帮助用户全面理解分析结果,具有等值线、彩色阴影图及图等显示方式初始设计：一个树

26、脂、冷却介质、模具材料和成型工艺条件的选择器,它含有树脂、冷却介质、模具材料和工艺条件数据库。利用它可方便地选择树脂、冷却介质、模具材料和工艺条件,并自动生成分析所用的材料性质文件、工艺条件文件及分析控制参数文件。充模过程模拟：通过对熔融塑料充模过程的模拟,获得压力场、温度场、速度场及所需锁模力等信息,帮助技术人员合理设计浇注系统,优化注射工艺参数,发现可能出现的成型缺陷并提出相应对策,模具冷却分析：模具和塑件表面的温度和温度梯度分布;冷却时间分布及所需的循环时间每次循环塑件放出的热量;冷却管道的流量、雷诺数及效率分布,冷却介质的进出口压降及温差。22 有限元分析基础Moldflow做为成功的

27、注塑产品成型仿真及分析软件，采用的基本思想也是工程领域中最为常用的有限元方法，有限元法的应用领域从最初的离散弹性系统发展到后来进入连续介质力学中，目前广泛应用于工程结构强度、热传导、电磁场、流体力学等领域，经过多年的发展，现代的有限元法几乎可以用来求解所有的连续介质和场问题，包括静力问题和与时间有关的变化问题及振动问题。简单说，有限元法就是利用假想的线（或面）将连续的介质内部和边界分割成有限大小的、有限数目的、离散单元来研究。这样，就把原来一个连续的整体简化成有限个单元的体系，从而得到真实结构的近似模型，最终的数值计算就是在这个离散化的模型上进行的。直观上，物体被划分成“网格”状，在Moldf

28、low中将这些单元称为网格（mesh）。有限元法的基本思想主要包括以下几方面：连续系统（包括杆系、连续体、连续介质）被假想地分割成数目有限的单元，单元之间只在数目有限的节点处相互连接，构成一个单元集合体来代替原来的连续系统，在节点上引进等效载荷（或边界条件），代替实际作用于系统上的外载荷（或边界条件）。由分块近似的思想，对每个单元按一定的规则（由力学关系或选择一个简单函数）建立求解未知量与节点相互作用之间的关系（力位移、热量温度、电压电流等）。把所有单元的这种特性关系按一定的条件（变形协调条件、连续条件或变分原理及能量原理）集合起来，引入边界条件，构成一组以节点变量（位移、温度、电压等）为未知

29、量的代数方程组，求解它们就得到有限个节点处的待求变量。所以，有限元法实质上是把具有有限个自由度的连续系统理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。23 注塑成型模拟技术注塑成型模拟技术是一种专业化的有限元分析技术，它可以模拟热塑性塑料注塑成型过程中的充填、保压以及冷却阶段，它通过预测塑料熔体在流道、浇口和型腔中的流动过程，计算浇注系统及型腔的压力场、温度场、速度场、剪切应变速率场和剪切应力场的分布，从而可以优化浇口数目、浇口位置和注射成型工艺参数，预测所需的注射压力和锁模力，并发现可能出现的短射、烧焦、不合理熔接痕位置和气穴等缺陷。Moldflow的注塑成型

30、模拟技术经历了中面模型、表面模型和三维实体模型三个发展阶段。1中面模型技术是最早出现的注塑成型模拟技术，其采用的工程数值计算方法主要包括基于中面模型的有限元法、有限差分法、控制体积法等。Moldflow软件可以直接读取任何CAD表面模型文件并进行分析。在使用者采用线框和表面造型文件时，首先MPI可以自动分析出塑料制品的中面模型并准确计算其厚度，接着在这些中面上生成二维平面三角网格，利用这些二维平面网格进行有限元计算，算出各段时间的温度场、压力场，同时用有限差分的方法计算出厚度方向上温度的变化，用控制体积法追踪流动前沿，并最终将分析结果在中面模型上显示。基于中面模型的注塑成型模拟技术能够成功地预

31、测充模过程中的压力场、速度场、温度分布、熔接痕位置等信息，具有以下一些优点：技术原理简明容易理解；网格划分结果简单，单元数量少；计算量小，即算即得。但是在中面模型中，由于考虑到产品的厚度远小于其他两个方向即流动方向的尺寸，塑料熔体的粘度较大，将熔体的充模流动视为扩展层流，忽略了熔体在厚度方向上的速度分量，并假定熔体中的压力不沿厚度方向变化，由此将三维流动问题简化为流动方向的二维问题和厚度方向的一维分析。由于采用了简化假设，产生的信息是有限的、不完整的。因此，中面模型技术在注塑成型分析中的应用虽然简单、方便，但是具有一定的局限性，所以表面和三维实体模型技术便应运而生了。2 表面模型技术取代中面模

32、型技术最直接的办法是采用三维有限元法或三维有限差分法代替中面模型技术中的二维有限元（流动方向）与一维有限差分（厚度方向）的耦合算法。然而，三维流动模拟技术难点多、经历实践经验的时间短、计算量巨大、计算时间过长，与中面模型技术的简明、久经考验、计算量小、即算即得形成了鲜明的反差。在三维流动模拟技术举步维艰的时刻，一种既保留了中面流全部技术特点又基于实体（表面技术）模型的注塑流动模拟新方法表面模型技术出现了。表面模型技术最早出现在Moldflow系列软件的Part Advisor中，目前得到了广泛应用。表面模型技术是指模具型腔或制品在厚度方向上分为两部分，与中面模型不同，它不是在中面，而是在型腔或

33、制品的表面产生有限元网格，利用表面上的平面三角网格进行有限元分析。相应地，与基于中面的有限差分在中面两侧（从中性层至两模壁）进行不同，厚度方向上的有限差分仅在表面内侧（从模壁至中性层）进行。在流动过程中，上下两表面的塑料熔体同时并且协调地流动。MPI的Fusion模块采用的就是表面模型技术，它基于Moldflow独家专利Dual Domain分析技术，使用户可以直接进行薄壁实体模型分析。从本质讲，表面模型技术所应用的原理和方法与中面模型相比没有本质上的差别，其主要不同之处是Fusion模型采用了一系列相关的算法，将沿中面流动的单股熔体演变为沿上下表面协调流动的双股流。由于上下表面的网格无法一一

34、对应，而且网格形状、方位与大小也不可能完全对称，如直接进行注塑成型分析，会导致分析过程中上下两个表面的熔体流动模拟各自独立地进行，彼此之间毫无关联、互不影响，这与塑料制品在注塑过程中的实际情况不相符。因此，为了解决这个问题，必须将所有表面网格的节点进行厚度方向的配对，使有限元分析算法能根据配对信息协调上下两个表面的熔体流动过程，将上下对应表面的熔体流动前言所存在的差别控制在允许的范围内。MPI软件中，网格状态统计（Mesh Statistics）功能中的Match ratio一项，正是考查表面网格的上下匹配情况，也仅仅在Fusion模块中有该功能。在MPI/Fusion模块的Flow分析中大于

35、85的匹配率被认为是较好的网格划分结果，而低于50的匹配率往往导致Flow分析的失败。在MPI/Fusion模块的Warp分析中，表面网格的匹配率必须大于85，如果匹配率太低，应该重新划分网格。虽然从中面模型技术跨入表面模型技术，可以说是一个巨大的进步，并且得到了广大用户的支持和好评，但从本质上讲，表面模型技术仍然存在一些缺点。分析数据不完整，由于表面模型仍然采用和中面模型一样的二维半的简化模型假设，所以它除了用有限差分法求解温度在壁厚方向的差异外，基本上没有考虑其他物理量在厚度方向上的变化；无法准确解决复杂问题，随着塑料注塑成型工艺的进步，塑料制品结构越来越复杂，壁厚差异也越来越大，物理量在

36、壁厚方向上的变化变得不容忽视。真实感缺乏，由于在表面模型中，熔体仅仅沿着制品的上下表面流动，因此分析的结果缺乏真实感，与实际情况有一定的差距。从总体上讲，表面模型技术只是一种从二维半数值分析（中面模型）向三维数值分析（实体模型）的一种过渡，要实现严格意义上的注塑成型产品的虚拟制造，必须大力开发实体模型技术。3 三维实体模型技术Moldflow的MPI/Flow3D和MPI/Cool3D等模块通过使用经过验证的、基于四面体的有限元体积网格解决方案技术，可以对厚壁产品和厚度变化较大的产品进行真实的三维模拟分析。实体模型技术在数值分析方法上与中面技术有较大差别，在实体模型技术中熔体在厚度方向的速度分

37、量不再被忽略，熔体的压力随厚度方向变化。实体流技术直接利用塑料制品的三维实体信息生成三维立体网格，利用这些三维立体网格进行有限元计算，不仅获得实体制品表面的流动数据，还获得实体内部的流动数据，计算数据完整。与中面模型或表面模型相比，由于实体模型考虑了熔体在厚度方向上的速度分量，所以其控制方程要复杂得多，相应的求解过程也复杂得多，计算量大，计算时间过长，这是基于实体模型的注塑流动分析目前所存在的最大问题。三种注塑成型分析技术，在技术特点上各有千秋，在实际的工程应用中，要对制品的情况有一个合理的认识，要清楚问题的关键所在，从而采用最为合适的分析技术，利用最少的成本，得到相对满意的分析结果。2.4

38、本章小结 重点了解CAE的基本原理、采用的几种模型技术、CAE的作用。第3章 Moldflow功能模块3.1 分析前处理前处理模块包括3.1.1 模型的建立和导入导入模型：FileImport，也可在项目管理区中单击右键选择Import命令；在弹出的对话框中选择相关路径下的模型文件，即可将其导入分析。Moldflow中可以导入的模型文件格式有：STL文件、由ANSYS或Pro/E生成的*.ans、由Pro/e或SDRC-Ideas生成的*.unv文件、STEP文件、IGES文件、由CATIA或Unigraphic生成的*.ans和*.bdf文件、Parasolid文件。用户也可在Moldflo

39、w中创建新的案例模型。利用New Study就可创建一个新的模型文件进行编辑。方式有两种：选择FileNew/Study，或通过项目管理区的快捷菜单创建新模型。3.1.2 网格的划分、检验和修正一划分网格在导入或新建模型后，要对未划分网格的模型进行网格划分。如采用Global edge length为9.16mm，通常网格数目几千到几万不等甚至更多，随着模型尺寸变大、复杂程度的加深和网格密度的增大，网格数目也相应增加。如网格总数为853。检验及修改网格在Moldflow中，划分成的网格主要有三种类型：中面网格（Midplane），表面网格（Fusion）和实体网格（3D）。中面网格是由三节点的

40、三角形单元组成的，网格创建在模型壁厚的中间处，形成单层网格。在创建中面网格的过程中，要实时提取模型的壁厚信息，并赋予相应的三角形单元。表面网格也是由三角形单元组成，与中面网格不同，它是创建在模型的上下两层表面上。实体网格是由四面体单元组成，每一个四面体单元又是由四个Midplane模型中的三角形单元组成的，利用3D网格可以更为精确地进行三维流动仿真。划分网格后，要进行网格信息统计，然后根据统计信息依次进行诊断，如果诊断结果显示存在不合理网格，用户就要用Mesh Tool网格工具进行修改，直至网格诊断结果合理为止。二网格状态统计Moldflow系统自动生成的网格随着制件形状的复杂程度存在着或多或

41、少的缺陷，网格的缺陷不仅对计算结果的正确性和准确性产生影响，而且在网格质量严重低下的情况，会使计算根本无法进行。因此分析前需要对网格状态进行统计，选择Mesh菜单中的Mesh Statistics命令，统计结果会以窗口形式弹出，统计信息如下： Entity counts 实体个数，统计网格划分后模型中各类实体单元的个数；Surface triangles三角形单元个数Nodes节点个数Beams一维（梁元）单元个数Connectivity regions模型内独立的连通域个数，其值应为1，否则存在问题 Edge details单元边的信息 Free edges自由边，指一个三角形或3D单元的某

42、一边没有与其它单元共用，在Fusion和3D类型网格中不允许存在自由边 Manifold edges交叠边，指由两个三角形或3D单元所共用的一条边，在Fusion类型网格中，只存在交叠边 Non-manifold edges非交叠边，指由三个以上三角形或3D单元所共用的一条边，在Fusion网格类型中，不允许存在非交叠边 Orientation details单元定向信息 Elements not oriented统计没有定向的单元，该值一定要为0 Intersection details单元交叉信息 Element intersections互相交叉的单元数，表示不同平面上的单元相互交叉的情

43、况，这种情况是不允许的 Fully overlapping elements完全重叠单元数，表示单元重叠的情况，即不允许单元部分重叠，也不允许完全重叠 Duplicate beams一维单元重叠信息 Surface triangle aspect ratio三角形单元的纵横比信息，指三角形的长高两个方向的极限尺寸之比w/h，对分析结果的精确性影响很大，一般在Midplane和Fusion类型网格分析中，纵横比的推荐极大值是6，在3D类型网格中，推荐的纵横比极大极小值分别为50和5，平均应该在15左右 Minimum aspect ratio纵横比极小值 Maximum aspect ratio

44、纵横比的极大值 Average aspect ratio纵横比的平均值 Match ratio单元匹配率信息（仅仅对于Fusion网格），表示模型上下表面网格的相匹配程度。对于Flow分析，单元匹配率应大于85%是可以接受的，低于50%根本无法计算；对于Warp分析，同样要超过85%，如果匹配率太低应该重新划分网格。 三Mesh菜单中的主要诊断工具顺序：1Aspect Radio（纵横比）诊断选择Mesh菜单中纵横比诊断Aspect Ratio Diagnostic命令，弹出Aspect RatioDiagnostic。一般推荐在Maximum一栏空白，选中Place Results In D

45、iagnostics（将结果放入诊断层），这样模型中比最小纵横比值大的单元都将在诊断中显示，采用Disply方式显示，系统将用不同颜色的引出线指出纵横比不同的单元，单击引出线，可选中存在缺陷的单元，再进行修正或修复。若模型纵横比最大值低于6，结果是比较理想。2Overlapping Elements（重叠单元）诊断设置重叠单元诊断设置对话框，选中Overlaps（重叠）和Intersections（相交），并选择结果显示方式，可看到图像或文字诊断结果。图像显示结果会以不同颜色表示单元重叠和交叉，在文字结果中，则有详细的缺陷统计数据。修正、诊断后直到对话框下面提示： No elements we

46、re found for the diagnoistic,即模型中没有重叠单元为止，若有重叠单元，会以蓝色显示该单元。3Mesh Orientation Diagnostic网格定向诊断 Text显示：0 appear to not be oriented 表示没问题。4Connectivity（连通性）诊断在弹出的连通性诊断对话框后，选择模型中的一个网格进行与其他网格连通性的诊断。Start connectivity search from entity表示从选中的单元开始，扩散开去检验网格的连通性，任意选择区域的一个单元后进行诊断，对话框下面提示：Diagnostic Generated：

47、853 Entities Displayed（显示了853个实体），说明单元相互间均连通。在诊断结果中，与该单元相连通的单元均呈红色，不连通呈蓝色。5Free Edges Diagnostic（自由边）诊断在Midplane类型的模型中，边界线都是自由边，因此如果对Midplane模型进行该诊断的结果中，除了边界线以外不存在其它自由边，那么划分所得网格就是合理的。诊断图中红色曲线为自由边，蓝色为Nonmanifold edge（无交叠边）。该诊断可以显示模型中网格自由边的存在位置，便于修改缺陷。6Mesh Thickness Diagnostic （厚度）诊断如果用户对模型厚度设置不太清楚，可

48、在厚度诊断中，对模型各个区域厚度进行总体观察。7Occurrence Number Diagnostic（出现次数）诊断可用于一模多腔时的简化分析，用户只要根据模型设置流动路径重复的次数即可完成一模多腔的对称分析。若不存在重复出现的单元，则彩图显示中所有网格出现的次数均为1。8Fusion Mesh Match Diagnostic网格匹配诊断，显示Fusion模型上下表面网格单元的匹配程度，尤其对于Warpage分析，只有达到90%的匹配率才可得到可靠准确的结果。四网格处理工具经过网格信息统计，一般都会发现网格中存在问题，这时需要用Moldflow提供的网格工具进行处理。在网格缺陷的处理过程

49、中，要保持模型的几何形状，尽可能不发生大的改变。选择Mesh菜单的Mesh Tools命令，弹出网格处理工具对话框，共提供了18种网格处理工具。1自动修补Auto Repair，此功能对Fusion模型很有效，能自动搜索并处理模型中存在的单元交叉和单元重叠的问题，同时还可以改进单元的纵横比。使用一次该功能后再次使用可提高修改效率，但不能期待解决所有存在的问题。2处理纵横比Fix Aspect Ratio，可降低模型网格的最大纵横比，并接近所给出的目的值。3全部合并Global Merge，可以一次合并所有间距小于Merge tolerance（合并容差）的节点。4合并节点Merge Nodes

50、，可将多个起始节点向同一个目标节点合并，其中该对话框要首先输入目标节点，然后输入起始节点。当一次选择多个起始节点时要按住Ctrl键依次选择。5交换共用边Swap Edge，可以交换两个相邻三角形单元的共用边以降低纵横比，在对话框中依次选择两个三角形单元。6节点匹配Match Node，在手工修改大量网格之后，利用节点匹配功能可以重新建立良好的网格匹配，对话框中的Select nodes to project into mesh下拉列表框用于选择投影节点，select triangles for nodes to project to 下拉列表框用于选择投影三角形。7对某区域重新划分网格Reme

51、sh Area，可以对已经划分好的网格模型在某一区域根据给定的目标网格大小，重新进行网格划分。因而可以用来在形状复杂或者简单的区域进行网格局部加密或局部稀疏。首先在对话框中选出尽兴网格重划区域，然后指定重划网格的目标值。8插入节点Insert Node，在两个节点之间创建一个新的节点，可结合Merge Node使用以修正或消除纵横比不理想的单元。9移动节点Move Nodes，可将一个或多个节点按照所给出的绝对坐标或相对坐标进行移动，首先选择要移动的节点，然后在Location坐标文本框中输入移动节点的目标位置，目标位置根据Absolute绝对和Relative相对两种不同的坐标计算方式对因不

52、同的值。10排列节点Align Nodes，可实现节点的重新排列，先要选定两个节点以确定一条直线，然后选择需要重新排列的点阵，单击Apply，所选点列将重新排列在选定的直线上。11单元定向Orient Elements，可将查找出来的定向不正确的单元重新定向，但不适用于3D类型的网格，使用方法如下：选择定向存在问题的单元，然后选中对话框中的Flip normal（翻转法线）单选按钮，单击Apply即可。12补洞Fill hole，创建三角形单元来填补网格上存在的洞孔或缝隙缺陷。首先选择模型上的洞或是缝隙的边界线，手动选择所有边界节点，或者选中边界上一个节点后，单击Search按钮，这时系统会沿

53、着自由边free edge自动搜寻缺陷边界，在边界选择完成后，单击Apply，会自动在该位置生成三角形单元完成修补。13平滑节点Smooth Nodes，是将与选定节点有关联的单元重新划分网格，目的是得到更加均匀的网格分布，利于计算。14创建一维单元Create Beams，通过存在的节点创建一维单元，在创建浇注系统、冷却系统时被大量使用，该功能与Mesh中的Create Beams命令一样。15创建三角形单元Create Triangles，可通过存在的节点创建三角形单元，该功能与Mesh菜单中的Create Triangles命令一样。16删除单元Delete Entities，可删除所有

54、鼠标选中的单元。17清除节点Purge Nodes，可清除网格中与其他单元没联系的节点，在修补网格基本完成后，使用该功能来清除多余节点。18全部单元重定向Orient All，可对网格全部单元实施重定向。3.2 分析顺序及工艺条件设置1设置适合的分析顺序Analysis-Set Analysis Sequence（设置分析顺序），相应的分析任务窗口Study Tasks会发生变化。2选择注塑原料，在任务窗口Study Tasks中，右击材料栏选择Select Material命令，在弹出的对话框中单击Search查询到Manufacturer制造商和Trade Name产品牌号，选中后单击OK

55、。3一模多腔时可用Modeling建模Move/Copy（移动/复制）命令或ModelingCavity Duplication Wizard（型腔复制向导）工具，对布局较规则的产品进行复制。4浇注系统的建立，可通过两种方法创建：可采用ModelingRunner System Wizard（浇注系统向导）工具对形状尺寸较简单的浇注系统进行创建；还可利用系统的直线、曲线创建功能，先勾画出中心线，再对中心线进行杆单元的网格划分来创建。浇口和分流道、主流道的创建也很关键（P78应用实例一书），浇口、分流道、主流道构建后要划分网格，分别对浇注系统各部分进行网格划分、诊断其连通性，如果所用网格均为红色

56、，表示互相连通。5设置进料点位置Set Injection Locations，在分析任务窗口栏中双击进料口设置，单击进料口节点，完成后Save。6建立冷却系统，模温的波动和分布不均，或是模温的不适合都会严重影响塑料产品的品质，因此合理的冷却系统设置非常重要，水道的创建方法总体上与浇注系统相同，即“先点后线再单元”的方法。并完成进水口的设置AnalysisSet Coolant Inlet（设置冷却介质进口）命令，Edit设置一系列参数如雷诺数10000（湍流）、进水口温度25摄氏度等。7工艺过程参数设置Process Settings，包括分析内容的相关参数如时间、压力、温度等工艺参数的设置

57、，完成后分析任务栏会有所显示，表示前处理的各项工作已经完成，其它资料可参考MPI的在线帮助。3.3 分析计算整个解算器的计算过程基本由MPI系统自动完成。Analyze Now！开始计算，选择AnalyzeJob Manager任务管理器可看到任务队列，可看到该分析计算是一个反复迭代的过程。通过输出信息Screen Output可以监控分析整个过程，信息包括：产品模型网格的读入和单元检查；各解算器的迭代计算参数设置；塑料材料属性；过程参数的设定信息；各类分析进度和部分结果；有关网格模型的警告Warning和错误Error信息，可供用户修改模型，从而得到更可靠的分析结果，完成后，分析任务栏会有显示。3.4 结果分析和后处理3.4.1 Fill分析填充阶段从熔体进入模腔开始，当熔体到达模腔末端，模腔体积被填满时就完成了填充。Fill分析计算出从注塑开始到模腔被填满整个过程中