防晒霜瓶的CAD建模及成型过程CAE分析 2.docx

防晒霜瓶的CAD建模及成型过程CAE分析 2.docx

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防晒霜瓶的CAD建模及成型过程CAE分析2

目录

摘要…………………………………………………………………………………………2

引言…………………………………………………………………………………………2

1实验目的…………………………………………………………………………………3

2实验平台简介……………………………………………………………………………3

3实物零件简介及设计要求………………………………………………………………3

4CAD组件设计……………………………………………………………………………4

4.1各个零件CAD设计过程……………………………………………………………4

4.2零件组装过程………………………………………………………………………6

5成型过程CAE分析及讨论………………………………………………………………6

5.1影响制品质量的因素………………………………………………………………6

5.2成型过程分析…………………………………………………………………………7

5.2.1充填对塑件质量的影响…………………………………………………………7

5.2.2保压对制品质量的影响…………………………………………………………8

5.2.3冷却对制品质量的影响…………………………………………………………9

5.2.4浇口位置对制品质量的影响……………………………………………………10

6总结………………………………………………………………………………………11

参考文献……………………………………………………………………………………11

中文摘要

本次实验的目的在于通过PRO/E建模平台了解CAD建模的三维实体建模（特别是曲面建模）及零件装配，结合平时所学及查阅资料等熟练掌握PRO/E中拉伸、扫描、混合等各种零件的几何造型方法，并了解通过MOLDFLOW软件对零件的CAE分析过程。

本次实验我选用的是一个防晒霜的包装瓶，有四部分组成。

CAD建模过程用到的造型方法有拉伸、旋转、填充、合并、边界混合、螺旋扫描等，零件完成后再根据实物对零件进行装配，就完成了CAD建模实验的部分。

利用MOLDFLOW进行CAE分析实验，开始要在PRO/E中绘制流道并存为需要的格式，然后把零件和草绘线导入MOLDFLOW中进行网格划分、设置浇口位置等再进行CAE分析，主要从充填、保压、冷却、分子取向、翘曲、浇口位置等进行分析，并预测成型过程中可能产生的缺陷，分析其原因和解决办法，并验证解决措施的可行性和结果，这就完成了CAE分析实验的部分。

关键词：

防晒霜包装瓶，CAD建模，装配，CAE分析

引言

Pro/Engineer是美国PTC公司旗下的产品，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。

其功能强大，如参数化设计和特征功能，Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。

这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

Moldflow软件美国MOLDFLOW公司发行的塑料注塑成型流动分析软件，可提供强大的分析功能、可视化功能和项目管理工具。

它是利用计算机技术模拟注塑成型全过程，预测制品最终可能出现的缺陷，找到缺陷产生的正确原因，并确定模具设计方案和最适宜的成型工艺条件，确保产品以最短的周期、最低成本投入市场，增强市场竞争能力。

1实验目的

本次实验是自选的一个防晒霜包装瓶，先对其进行CAD建模，然后进行CAE分析。

（1）在pro/E中进行零件的CAD建模。

以Pro/ENGINEER设计三维零件时，首先创建零件主干，再对其进行增加或削减材料，完成零件的三维实体建模。

需要用到的造型方法有拉伸、旋转、边界混合、填充、合并、扫描混合、螺旋扫描等。

本次课程设计主要训练Pro/ENGINEER在创建具有自由曲面的零件的流程，结合理论知识，掌握各种基本造型方法的应用。

零件完成后再以实物为参照对其进行装配，组装成一个完整实体。

（2）在moldflow中对其中零件进行成型分析。

首先导入零件CAD模型，再对其进行基本设置、网格划分等操作后即进行CAE分析，主要对塑件从充填、保压、冷却、分子取向、翘曲、浇口位置等几个方面分析，预测选定件可能出现的缺陷，并分析起原因，并提出解决办法，以实验来验证所提出解决办法的可行性。

2实验平台简介

硬件平台：

微型计算机

软件平台：

windows7professional

PRO/EWILDFIRE5.0

Moldflowplasticsinsight6.2

PRO/EWILDFIRE5.0：

Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，采用基于特征的功能去生成模型。

Moldflowplasticsinsight6.2：

Moldflow是一款塑料注塑成型流动分析软件，利用计算机技术模拟注塑成型全过程。

3实物零件简介及设计要求

（1）、实物图

（2）、简介

该实验是用一个防晒霜的包装瓶进行实验，该防晒霜包装瓶由四部分组成：

白色盖、透明盖、透明内盖、蓝色瓶身。

其中瓶身需要用曲面建模和螺旋扫描才能得到，白色盖和透明盖需要用到扫描混合，透明盖还要用到螺旋扫描。

而透明内盖只要旋转就能得到。

（3）、设计要求

要求与实物必须类似，形状尺寸必须以实物测量为准，装配必须以实物为参考，按装配步骤进行且装配合理。

4CAD组件设计

4.1各个零件CAD设计过程

零件一：

（蓝色瓶身）

图1

图2

图3

1、首先在pro/E中草绘出如图1所示的8条曲线。

2、通过边界混合、填充、合并、加厚、镜像、拉伸等造型方法得出如图2的零件模型。

3、通过拉伸、螺旋扫描、旋转等操作完成如图3所示的零件。

零件二：

图4（透明内盖）

通过旋转的造型方法得到如图4所示的零件模型

零件三：

（透明盖）

图5

图6

1、先草绘一条直线作为扫描混合的轨迹，通过扫描混合得出一个实体，再进行扫描混合去除材料得出如图5的模型。

2、通过拉伸去除的方法得到一个圆孔，再进行螺旋扫描、旋转、拉伸等操作得出如图6的模型。

零件四：

图7（白色盖）

通过草绘、扫描混合、抽壳、倒圆角的造型方法得到如图7所示的零件模型。

4.2零件组装过程

导入瓶身的零件调整好位置并固定，再导入内盖零件，通过对齐、配对、平移、旋转等完成装配，如图8所示；再导入透明盖，用同样的方法完成透明盖的装配，如图9所示；最后导入白色盖完成装配，如图10所示；图11是装配图的分解视图。

图8

图9

图10

图11

5成型过程CAE分析及讨论

5.1影响制品质量的因素

充填：

充填时间是影响翘曲的的主要因素之一，充填时间在一定范围内，制品的翘曲量随充填时间的增加而增加，超过这个范围后基本上对制品的翘曲量影响不大。

但是，充填时间过小时，注射速率过快，模具内的低分子气体来不及排出，将在制件的深凹槽、凸筋、四角等部位出现缺料、气痕、接痕等现象。

保压：

（1）保压压力可以对型腔内熔体进行压实，使塑料紧贴模壁，以获得精确的形状，还可以使不同时间和不同方向进入型腔同一部位的熔体融合成一个整体，并能补充冷却收缩。

保压压力是影响翘曲最重要的因素。

保压压力越高，翘曲量越小，因为保压压力太低时，浇口附近会发生回流，不仅形成流动残余剪切应力，而且会形成较大的体积收缩率差异而产生高的残余拉、压应力，从而使制品产生翘曲变形。

（2）保压时间：

在浇口处熔料封冻之前，保压时间对制品尺寸准确性有影响（保压时间不足，熔料会从模腔中倒流，使模内压力下降，以致制品出现凹陷、缩孔）若在之后，则无影响。

保压时间依赖于料温、模温以及主流道和浇口的大小。

冷却：

冷却时间主要决定于制品的厚度，塑料的热性能和结晶性能，以及模具温度等。

冷却时间的终点，应以保证制品脱模时不引起变形为原则。

冷却时间不宜过长，不仅降低生产率，对复杂制件还将造成脱模困难，强行脱模时甚至产生脱模应力。

但是，冷却过快或塑模与塑料接触的各部分温度不同，则由于冷却不均就会导致收缩不均匀，所得制品将会产生残余内应力。

分子取向：

分子取向是由于流动剪切应力的作用而发生的定向，分子取向不均会导致翘曲变形。

另外，充模完成后，由于冷却速度很快，有些部分会产生残余取向，这些残余取向最后会发生松弛，并形成翘曲。

翘曲：

翘曲变形是指注塑制品的形状偏离了模具型腔的形状,是塑料制品常见的质量缺陷之一。

翘曲产生的原因有很多，比如注射时间在一定范围内增加、保压压力太低、冷却不均匀、分子取向不均等。

浇口位置：

浇口位置的不同对塑件的质量有较大影响，特别是对熔接痕、气穴的缺陷有很大影响，其次还影响着熔体的流动情况。

5.2成型过程分析

本次CAE分析实验我选择的是白色瓶盖进行分析，白色瓶盖形状比较简单，但是在成型过程中注射速率快，零件的棱边处容易产生气穴、熔接痕等。

充填过程各部位的冷却不均匀，还可能导致翘曲变形。

5.2.1充填对塑件质量的影响

（1）以下是纯充填时的分析过程截图

图12（充填时间）图13（充填结束时压力）图14（壁上剪切应力）

图15（气穴）图16（熔接痕）

（2）以下是快速充填时的分析过程截图

图17（快速充填时的充填时间）图18（快速充填时的压力）

图19（快速充填时的气穴）图20（快速充填时的熔接痕）

从图12和图17比较可以看出快速充填时的时间相对较少，两种方案中快速充填时的气穴和熔接痕都相对增加，这是由于快速充模是注射速率相对较快，注射压力减少（从图13和图18比较可以看出）气体来不及排出而形成气穴，而压力不够不能使不同方向进入型腔同一部位的熔体很好地融合成一个整体从而形成熔接痕。

但在一定范围内，减少充填时间可以减少翘曲量。

可以通过提高注射压力、降低冷却速率、增设排气孔等方法改善缺陷。

5.2.2保压对制品质量的影响

（1）改变保压压力参数之前

图21（壁上剪切应力）图22（第一主方向残余应力）图23（第二主方向残余应力）

图24（缩痕，指数）图25（气穴）图26（熔接痕）

（2）改变保压压力参数之后

图27（第一主方向的残余应力）图28（缩痕，指数）

由图21与图14比较可知，加保压之后与纯充填相比较而言加保压之后壁上剪切应力明显减少，而对于气穴和熔接痕却没有太大影响。

从图22看出改变保压压力之前第一主方向上的残余应力比较大，容易产生翘曲变形，由图27与图22比较看出，保压压力增加减小了第一主方向上的残余应力，从而减小了翘曲变形量，但保压压力增加后缩痕指数有明显增加。

影响缩痕指数的因素有很多，如保压压力、熔体温度、保压时间、注射时间等，可以通过改变保压压力、保压时间、注射时间等改善缩痕。

5.2.3冷却对制品质量的影响

（1）水管与制品距离为10时的分析过程

图29（制品最高温度）图30（制品温度曲线）图31（制品达到顶出温度时间）

（2）水管与制品距离为20时的分析过程

图32（最高温度）图33（温度曲线）图34（达到顶出温度时间）

由两种方案比较可得出，当水管与制品之间距离增加时达到顶出温度的时间也增加，最高温度也相对较高，而对制品的影响没有很大差别，因此适当减小距离可以提高生产率。

但是冷却不宜过快，可能会导致制品各部分温差过大，冷却不均匀而收缩不均匀，从而产生残余内应力。

5.2.4浇口位置对制品质量的影响

改变浇口位置后的分析过程如下：

图35（充填时间）图36（充填结束时压力）图37（壁上剪切应力）

图38（气穴）图39（熔接痕）

由图35与图12比较可以看出，当浇口位置改变之后充填时间有所减少提高了生产效率；从充填结束时的压力和壁上剪切应力两方面进行比较可以看出改变浇口位置后压力有所增加，而剪切应力有所减少，对熔接痕的改善有很大影响；而从缺陷方面比较，瓶盖边缘的气穴增多，但对熔接痕有明显改善。

对于气孔，可以通过降低冷却速度和注射速度、设置排气槽以及选择流动性较好的材料等进行改善。

6、总结

本次实验通过对防晒霜包装瓶的三维实体建模及成型过程分析，在CAD建模部分不仅熟练掌握了三维实体建模的基本造型方法，还学习了多种新的建模方法，但更多地是锻炼了自学能力。

本次选用的包装瓶某些部分需要用到的造型方法都没有用过，如螺旋扫描、曲面建模等，首次接触有许多不懂之处，所以就边看视频教程边学习，同时向其他同学请假。

但是学习过程中仍然会遇到很多问题，如边界混合的时候有时候特征创建失败、混合出畸形的曲面或者曲面不能加厚，这时就需要我们有耐心并细心地寻找失误之处，如某些曲线没有相连不能形成一个环。

零件装配中也出现过问题，如装配出与实物不符或者零件装反了，这就需要不停地试验不停地改变装配方法。

CAE分析部分进一步巩固了在moldflow中进行成型分析的方法和步骤，并学习了多种分析方法，了解不同条件下成型过程的差异。

本次CAE分析过程从充填、保压、冷却、浇口位置四个方向进行了分析，分析过程中经常出现问题，如流道草绘线不能添加进moldflow中、网格划分有问题导致零件失真及纵横比和较高等导致分析过程失败等，虽然经历多次失败，但只要有耐心、多次尝试总会找到解决办法。

当我添加流道的草绘线时，草绘线不仅位置变了，连尺寸都缩小很多，于是我找了moldflow操作视频教程进行学习，在moldflow中重新创建流道，成功完成了分析过程。

【参考文献】

Pro/E教学视频（上册、下册）作者：

林清安

塑料成型工艺学（第二版）编辑：

黄锐、曾邦禄出版社：

中国轻工业出版社

CAD/CAE/CAM方法与技术编著：

杜平安、范树迁、葛森、刘建涛

出版社：

清华大学出版社

Moldflow教学视频