注塑模的CAE技术及实例分析.docx

注塑模的CAE技术及实例分析1. 注塑模 CAE 技术国内外研究现状1.1 CAE技术概述及其在注塑成型中的应用计算机辅助工程分析， 是应用计算机分析几何模型物理问题的技术， 可以让 设计者进行仿真以研究产品的行为， 进一步改良或最佳化设计 目前在工程运用 上，比较成熟的 CAE 技术领域包括结构应力分析、应变分析、振动分析、流体 流场分析、 热传分析、电磁场分析、机构运动分析、 塑料注塑成型模流分析等等 有效地应用CAE，能够在建立原型之前或之后发挥功能协助设计变更，协助排 除困难，累积知识经验，系统化整理，建立设计准则CAE 以使用近似的数值方法来计算求解，而不是传统的数学求解数值方 法可以解决许多用纯数学所无法求解的问题， 应用层面相当广泛 因为数值方法 应用许多矩阵的技巧， 适合使用计算机进行计算， 而计算机的运算速度、 内存的 数量和算法的好坏就关系到数值方法的效率与成败注塑模 CAE 技术以有限元分析为基础进行模流分析，其分析模型是将产品 的几何模型曲面离散为三角形或四边形形式的网格元素形态表示注塑模 CAE 技术可用来帮助模具设计者及注塑成型加工者在开模前及生产过程中经由电脑 模拟的结果了解熔体在充填、保压及冷却过程中的各种状态，如温度、压力、流 速、密度、剪切力及应变等的分布与变化情况， 进而由这些资料决定适当的产品 及模具设计。

例如可决定适当的壁厚及其变化， 可决定流道尺寸大小， 选择最佳 浇口位置，多模穴的安排，熔接线及排气孔位置的预测，冷却水管的设计等，并 可建立加工视窗，提供适当的保压时间、保压压力、注射压力、加工温度、模具温度等，同时，可预测所需锁模力及成型品收缩率注塑成型分两个阶段，即开发设计阶段（包括产品设计、模具设计和模具制 造）和生产阶段（包括购买材料、试模和成型）传统的注塑成型方法基本步骤如图 一所示，图一为现代模具开发步骤传统的注塑方法是在正式生产前，由于设计 人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕后，通常需要几次试模，发现问题后, 不仅需要重新设置工艺参数，甚至还需要修改塑料制品和模具设计， 这势必增加 生产成本，延长产品开发周期采用技术，完全可以代替试模，技术提供了从制 品设计到生产的完整解决方案，在模具制造之前，预测塑料熔体在型腔中的整个 成型过程，帮助发现潜在的问题，有效地防止问题发生，大大缩短了开发周期， 降低生产成本产品设计 Nn ffiI念设计耳产亠1^11 圍恂變设it流糧产品设计模貝设计HCAE图1-1结合CAE的设计方法1.2注塑模CAE技术研究现状近年来模具及塑料加工领域发展最快的是技术，通过对成型加工过程进行数值模拟，研究加工条件的变化规律，预测制品的结构和性能，选择制品、模具设计及工艺条件的最佳方案，使成型加工从一项实用技术变为一门应用科学。

注塑 模 CAE 技术是根据塑料加工流变学和传热学的基础理论，通过建立熔体在模具 型腔中的流动和传热的数学模型， 利用计算机图形学将动态流动过程直观地显示 到屏幕上 注塑模技术是一门工程应用技术， 它的出现为快速解决注塑成型过程 的工程实际问题提供了帮助 如果在塑料的加工过程中的流动、 传热以及在力场 和热场作用下所出现的物理、 化学变化没有深入的、 科学的认识， 就不能生产出 质量优良的制品所以各国都非常重视注塑模 CAE 技术1978年推出了第一个注塑成型充填阶段的模拟软件 MOLDFLOW 80 年代， 随着 C-MOLD 软件的问世及其他一些软件广泛用于注射成型过程，模具设计才 成为依赖于计算机预测的工程科学自 80 年代以来，北美和欧洲的许多研究小组对聚合物熔体流经管道、口模 和成型设备的各个方面进行了深入的调查、 研究，推出了关于聚合物流动的有限 元分析软件 FIDAP,POLYFLOW,NEKTON 和 POLYCAD 等90 年代，己将研究 重点置于材料的粘弹性、复杂三维模拟以及取向、残余应力和固化现象的研究 另外，计算方法在双螺杆挤出、热成型、薄模吹塑、反应注射成型和气体辅助注 射成型的工艺条件设定方面的应用，也成为研究热点。

可以预见，注塑模 CAE 技术将被广泛采用， 成为解决塑料成型加工和模具设计中各类问题的标准工具和 手段国内开展注塑模 CAE 研究起步较晚，但通过不懈的努力，以及对国外软件 开发经验与技术的吸收和研究， 发展较快， 并取得了一定的成果 华中理工大学 模具技术国家重点实验室自行开发了国内第一个注塑模 CAD/CAM/CAE 集成系 统HSC2.0,其水平达到了国外年代初期的先进水平，最近推出 HSC5.Q浙江大学、上海交通大学、四川大学、大连理工大学、郑州工业大学、合肥工业大学、北京化工大学等在注射模 CAD/CAM/CAE 系统研究方面都做了许多研究工作 北京华正模具研究所与美国 AcTech 公司合作开发的面向注射模的中文辅助分析 软件 CAXA-IPD ，采用了国际上 CAE 技术的最新成果注塑模 CAE 技术的应用在国外己相当普遍，而在我国注塑模具设计仍停留 在以经验为主导的设计模式， 成熟的注塑模用户屈指可数 主要原因在于以下几 方面:(1)注塑模 CAE 系统对工程师的综合素质要求较高 注塑模 CAE 系统是 一个很好的工程分析工具， 但它只能帮工程师了解产品存在的问题， 提供解决问 题的思路，而并不能提供解决问题的方案。

要充分发挥注塑模 CAE 技术的作用， 关键在于对分析结果的正确评价与最佳解决方案的确定 而分析结果的评价又涉 及到高分子材料、产品结构、模具、注塑成型工艺等方面的相关理论和经验，这 就对工程师的综合素质提出了较高的要求2)还未正确认识注塑模 CAE 技术对模具设计的指导作用 注塑模 CAE 技术是多学科相互交叉的产物， 既包含了科学的数理计算方法也加入了诸多资深 工程师的经验注塑模 CAE 分析是了解和优化模具设计与制造工艺的最佳途径， 但在求解与有效运用分析结果之间仍有相当大的差距 有些企业虽然购买了 CAE 软件，但软件使用人员不懂如何有效的应用分析结果来指导模具设计， 使企业并 不能从 CAE 技术的应用中带来经济效益，造成资源的巨大浪费，也影响了注塑 模 CAE 软件的进一步推广应用， 因此要缩短这一差距主要还是要靠 CAE 分析工 程师自身的素质不断提高值得注意的是，注塑成型 CAE 分析是一种理想状态 下的理论分析， 并不能完全取代试模， 成功的注塑成型分析不等于成功的实际注 塑生产，但是一个不注重产品优化设计的企业无法面对全球经济一体化竞争激烈环境的挑战3)目前主流算法的局限性是软件推广应用的瓶颈。

2. 注塑模软件2.1 注塑模软件的基本结构和分析流程技术CAE 是一个综合软件系统，其核心技术是工程问题的模型化和数值计算方 法 CAE 技术的载体是软件产品，分为专用与通用两类针对特定类型的工程或 产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化的软件称之为专用 CAE 软件可对 多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化的 软件称为通用 CAE 软件注塑 CAE 软件属专用软件一般的 CAE 软件架构可以区分为三大部分前处理器 (pre-processor、) 求解器 (sovler)和后处理器(post-processor)前处理器的任务是建立几何模型、切割网格 元素与节点、设定元素类型与材料系数、 设定边界条件等 求解器读取前处理器 的结果档，根据输入条件， 运用数值方法求解答案 后处理器将求解后大量的数 据有规则地处理成人机接口图形， 制作动画以方便使用者分析判读答案 为了便 利建构 2D 或 3D 模型，许多 CAE 软件提供了 CAD 功能，方便建构模型或者 提供 CAE 接门，以便将 2D 或 3D 的图文件直接汇入 CAE 软件，再进行挑面与 网格切割，以便执行分析模拟。

目前，常见注塑 CAE 软件的结构如图 2-1 所示，按成型工艺过程的特点， 分为流动、保压、冷却、残余应力及翘曲分析等软件模块为进行模拟分析，需 要有前后处理软件 前处理主要完成分析模块的数据准备， 用来进行分析对象的 形状定义、边界条件的确定及网格离散，后处理主要完成计算结果的图形显示，可编辑范本以便让用户直观了解分析结果图2-1目前常见注册 CAE软件结构图CAE技术可以通过改变几何模型数据*msh文档、材料物性参数*mat文档及成型条件*pro文档，产生不同的方案组别，仿真不同的设计方案或参数变更， 找出影响制品质量的主要变量或参数 CAE技术分析的基本流程见图2-2从图可以看出，步骤1~3主要用来明确研究对象，如应用流动分析解决塑料 件欠充填问题，用保压分析解决薄板密度不均匀问题，用冷却分析解决内应力过 大问题，用流动、保压、翘曲分析解决成型尺寸不良问题等 ；步骤4~7主要用来完成技术对所研究问题的解决方法i注定豎0匸J厂节—［吐还?■讨诊耳寄斜敦峑整理jS.比分折席畢讨进 17生说卄哑善数变更4.匚战卄料窃料范番E1別站果与讨谕11£「 '5-试伽？-（期现问也9可翼虞确圧）w.補定方案与结雄1X问題分宙可右寓挖止图 2-1 CAE 技术分析的基本流程图2.2 注塑模技术商品化软件注塑模 CAE 技术在加快新产品开发，促进产品更新换代、提高模具和产品 质量方面有巨大的推动作用， 因此， 世界上许多国家都投入了大量的人力、 物力 和财力加以研究开发。

从 80 年代开始，注塑模技术从实验室阶段进入实用化阶 段，目前，国际上具有代表性的商业化软件有 :⑴ 澳大利亚MOLDFLOW 公司的注塑模具 CAE软件moldflow主要包括流动模拟程序 (MF/FLOW) 、冷却分析程序 (MF/COOL) 、翘曲分析程序 (MF/WARP)即和应力分析程序(MF/STRESS)澳大禾亚MOLDFLOW 公司于1978 年发布了世界上第一套塑料注射成型流动分析软件 moldflow plastic in sigh,二十世纪八十年代初期，美国 AC-TECH 公司也发布了注射成型分析软件 C-MOLD ， 2000年 4 月， MOLDFLOW 公司收购了 AC-TECH 公司，并于 2001 年发布了集 MPI2.0和C-MOLD2000优点于一体的 MPI3.0，今年初，推出了 4.0版软件一 直主导塑料注射成型软件 CAE 市场，在世界上拥有较多的用户2) 德国 IKV 研究所的 CAD/CAE 软件 CADMOULD 该软件主要 包括模具方案构思与设计软件 LAYOUT&DESIGN 、二维流动模拟 FLOW PATTERN LAY-FLAT、三维流动分析 MEFISTO、二维冷却分析 THERMAL LAYOUT 和模具强度、刚度分析 MECHANICIAL LAYOUT OF MOULDS 等。

3) 美国SDRC公司的I-DEAS软件该软件原为通用的机械 CAD/CAM 软件， 90年代初，该公司开发注射成型流动和冷却分析软件，并与 I-DEAS 集成推出适合于注的卜此外，还有美国 GRAFTEK 公司、 PRIME-CV 公司、 PRIME-CALMA 公司、 意大利P&C和英国的Delta CAM公司的注射模设计制造软件包注塑模的数值模拟在实际应用中取得了飞速发展但商品化软件无论在功能还是在精度上，至今远未达到尽善尽美的程度，注塑模 CAE 技术仍是当今塑料中热门的研究课题之一特别是三维模拟，注塑成型全过程模拟，CAD/CAM/CAE 的集成化技术， 人工智能在 。