基于ANSYS Workbench 的注塑模具刚强度分析.docx

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基于ANSYSWorkbench的注塑模具刚强度分析

基于ANSYSWorkbench的注塑模具刚强度分析

摘要：

注塑模具是一种成型装备，其本身是一种高技术含量和高附加值的装备。

在这一行业运用计算机辅助工程技术进行研究具有较多的研究成果，通过使用计算机辅助对注塑模具进行研究在刚强度研究分析上效果相对较好。

但是较多的研究过程集中于模具成型过程的分析，还有一些研究针对模具工艺参数的优化分析，对于模具刚强度分析相对较少。

为了进一步优化模具设计，文章使用ANSYSWorkbench分析软件原理对模具注射成型过程中的刚强度进行研究。

文章的研究内容如下，首先对通用有限元分析软件进行介绍，分析有限元分析软件的组成模块，紧接着引入注塑模具的刚强度分析现状以及模具的重点类型，为实现模具分析过程的自动化，研究长期以来模具刚强度分析的理论基础，最后对通用有限元分析软件在注塑模具成型分析过程中的应用和具体开发细节以及变化情况进行介绍。

关键词：

ANSYSWorkbench；注塑模具；刚强度；分析

模具刚强度在注塑模具行业中占据着相对重要的地位，其寿命的长短也往往取决于刚强度的校核，但是在较多的模具制作过程中，对于刚强度的设计校核一般都由设计者的主观臆断判定，形成了严重的材料浪费现象，最终使得模具的生产成本上升。

所以研究模具刚强度对于节约生产成本，减少模具制造过程中的材料浪费具有重要作用。

通常情况下，分析注塑模具的刚强度采用有限元分析软件，但这种软件对于相关知识和经验的要求相对较高。

为了能够快速的对模具刚强度进行整体分析，文章采用通用有限元分析软件对模具的刚强度进行研究。

一、ANSYSWorkbench软件及其模块介绍

（一）ANSYSWorkbench的介绍

ANSYSWorkbench是在有限元分析软件的基础上利用VC语言开发的针对注塑模块刚强度分析的专用模块。

这种分析模块可以在不同的荷载条件下对注塑模具变形情况进行仿真分析。

在模具刚强度分析的过程中操作者只需要通过参数的输入就可以自动求解然后得出相应的仿真结果，当开启仿真系统后处理器就会显示出相应的仿真结果，然后以图表的形式将这些仿真结果显示出来。

与传统的ANSYS软件相比，ANSYSWorkbench的用户界面为Windows风格，可以与CAD软件建立无缝连接，从而实现模具的优化设计。

除此之外，Workbench还能够为操作者提供CAE信息仿真环境，能够实现统一的信息开发和管理，方便设计人员和管理人员的交流和合作，也能够有效实现数据资源的优化整合，不同部门对于各种硬件设备可以分工设计，然后将设计研究的信息通过信息平台进行整合，从而实现资源的共享和数据的交换，能够快速的提高设计效率和管理效率。

在Workbench的CAD/CAE协同环境下，设计、仿真分析和实验的协同管理可以很好地被实现，从而能够实现设计人员、分析人员以及实验人员，甚至管理人员在一个环境平台上同时工作和交流协同，如图1-2所示。

图1Workbench的协同仿真环境示意图

（二）ANSYSWorkbench模块分析

Workbench软件主要模块分为三块，第一种模块是几何建模模块，第二种是优化设计模块，第三种是有限元分析模块，在这三种模块中，有限元分析模块被称为强大的仿真分析工具，也是构成该软件的主要功能模块，这种模块能够实现与CAD软件系统的无缝连接，以此实现模块对象的结构分析和电磁场分析等目标。

此外，可以在有限元分析模块的基础上实现注塑模具刚强度系统的开发功能。

使用有限元分析模块的复杂过程在于其分析求解，主要通过调用ANSYS求解器逐步实现模具刚强度求解数据。

与传统的ANSYS相比，采用有限元分析的通用分析软件在仿真分析的流程上相对简单，分析过程中不需要对单元类型进行选择，只需要根据用户选择好的分析类型对单元进行定义。

二、注塑模具类型及其刚强度分析现状

（一）注塑模具的类型分析

通常情况下，可以将注塑成型的模具根据其使用注塑机类型分为三种，分别是大型注塑模具、薄壁注塑模具和精密注塑模具。

下面是对这三种注塑模具的介绍。

1、大型注塑模具介绍

一般将锁模力强、额定注塑量高的模具称为大型注塑模具。

此外，还可以将重量在一定数量以上的模具称为大型注塑模具。

当塑料熔体经过高压的作用下，其模腔内的尺寸会逐渐增大，模具的弹性变形量也会增大，即使模具在制作的过程中满足强度校核公式，在一定作用下该种模具仍然具有弹性过大导致变形的可能。

往往导致塑料制品不合格的主要原因在于其弹性变形的作用，在弹性变形的影响下塑料制品会因为难以脱模而导致其尺寸和精度受到影响，给产品的质量造成影响。

所以对于大型模具的设计在其刚强度的应用上应该以刚度为校准目标。

模具在使用的过程中产生弯曲或者是断裂的现象就说明该模具的刚强度不够。

因此，刚强度在大型注塑模具中占据着重要的位置。

我国的大型模具在设计过程中主要依赖设计人员的经验和一些简单的公式计算设计尺寸，与国外的模具设计相比虽然在成本上较为节约，但是使用效率不高。

2、精密注塑模具介绍

精密注塑模具与常规模具相比较，在成型上的精度要求相对较高，对制品的注塑压力要求也相对较高，这种类型的模具要在相对快的速率下进行注塑，对于温度的控制要求也相对较高。

此外，精密注塑模具在注塑的过程中压力相对较高，所以注塑机既需要有足够的刚强度，同时还要求模具的核膜导向具有较好的刚强度，这样才能够使核膜系统不会因为弹性变形而导致其质量出现问题甚至是下降。

3、薄壁注塑模具介绍

薄壁注塑模具主要使用注塑成型技术对模具进行制作，不仅能够提高材料的利用率，还能够减轻产品重量，加快产品的成型速度。

这种模具成型技术在各个领域中的应用已经相当普遍。

薄壁成型模具由于受到壁腔厚度的影响，在模具成型的过程中塑料熔体没有更多的流动空间，导致成型难度相对较大。

这种类型的模具在制作的过程中与普通的模具制作相比容易产生欠料或者是更多的成型质量问题。

一般情况下，薄壁成型的压力大于普通模具成型压力，所以在模具的设计过程中不能以常规模具的形式进行设计，要加大其注射压力，否则就会导致模具变形或者是模板断裂等现象出现。

（二）注塑模具刚强度的研究现状分析

在传统的注塑模具刚强度分析过程中主要采用的方法是力学分析法，这种方法是通过设计者的经验分析模具结构特点和其受力方式，然后将模具的结构特点进行简化，设计与模具接近的力学模型，通过外力作用对模具的应力和应变情况进行计算，得出相应模具的尺寸参数。

这种模具分析的方法仅仅适合结构相对简单，精度要求较低的注塑模具。

随着塑料熔体流动性的变化，模具的结构也逐渐发生变化，外加模具生产环境的变化，依靠传统的经验技术计算模具的结构参数已经不再适合模具制作的发展要求。

设计者仅凭简单的公式难以全面处理模具类型，当塑料材料的溶体流动性出现变化时，制作模具的复杂程度就会提高。

使用传统的模具设计方法在设计上的效率相对低下，使用费用高，并且对于产品的质量也难以进行保障。

一些新型的模具形体相对较大，制作过程中较为复杂，传统的设计难以满足其刚强度使用的要求。

三、分析注塑模具刚强度的基础

（一）力学基础

利用弹性力学对实际工程中的问题进行分析时，需要对各方面的因素深度考虑，这样以来增加了应力场计算的难度，为了降低应力计算难度，对问题进行求解需要按照其物理性质作出假设，从而求得方程的解。

在注塑模具刚强度分析下的弹性力学分析过程中，常用到的假设有如下几种，首先是物理假设，其中包括三种类型的分层假设，有均匀性假设、连续性假设和同性假设；其次是几何假设；最后是简化假设；简化假设又被分为完全弹性假设和弹塑性假设两种。

根据力学理论可知，一般的力学分析中，应有有15个待求基本未知变量，即3个位移分量、6个应变分量和6个应力分量。

用矩阵表示一点的位移、应变和应力分量如下：

3个位移分量：

[uvw]-1（3-1-1）

6个应变分量：

（3-1-2）

式中：

γxy=γyx，γyz=γzy，γzx=γxz。

6个应力分量：

（3-1-3）

式中：

τxy=τyx，τyz=τzy，τzx=τxz。

（二）有限单元基础

有限单元是注塑模具刚强度分析过程中采用的一种数值计算方法，这种方法是在固体力学的基础上产生的，其结构是矩阵分析过程的一个分支结构。

其中单元位移函数的选择是有限单元法分析的关键。

依据泰勒级数展开理论，多项式可以用来表示任意光滑函数的局部。

我们据此可以建立如下矩阵方程：

u=[uvw]T=NUe=[INiINjINmINi]Ue（3-2-1）

Ue=[uiviwiujvjwjumvmwm]T（3-2-2）

Ni=（ai+bix+ciy+diz）/6V（i,j,m,l）（3-2-3）

式中：

l-四阶单位矩阵

ai、bi、ci、di（i,j,m,l）-由节点坐标决定的常数

ni、nj、nm、nl-节点坐标的函数，它反映了单元

在ANSYSWorkbench中，对于有限元分析理论的应用相当普遍，对物体结构进行有限元分析时，常用到的方程是静力平衡方程，节点的载荷向量一般是通过节点位移向量和刚度矩阵进行计算的，在静力分析过程中可以将有限元的基本理论分为四个过程，第一步是离散化的求解过程，第二步是建立新单元，选择位移函数的过程，第三种是对单元特性的分析过程中，第四种是力平衡矩阵方程的建立过程，然后解出方程组，计算出相应的结果。

这种计算有限元数值的方法具有较大的有效性，能够确保节点出现连续的编号。

（三）数值模拟基础

注塑模具在成型过程中可以将其分为三个不同的成型阶段，第一阶段是塑化阶段，第二阶段是注射阶段，最后是塑件脱模阶段，其中工艺成型过程主要是在注塑阶段形成的。

一般情况下将注射阶段成型过程分为三步，主要过程是填充、保压和冷却。

我国使用的模具注塑成型数值模拟技术是综合三个阶段的工艺参数进行研究。

四、ANSYSWorkbench在注塑模具刚强度分析过程中的应用

（一）注塑模具刚强度分析系统开发基础

在注塑模具刚强度系统开发的过程中涉及到ANSYSWorkbench结构框架中的两项界面以及图形处理工具等处理方式，其构架如下图4-1。

其中两项界面包括结构框架中的启动界面和项目管理界面，为了实现各个界面和分析模块之间的数据交换，需要在脚本文件中调用函数功能。

在项目管理模块中几乎集成了系统所有的数据管理功能，从而使得项目管理模块和分析模块之间的关系尤为密切。

系统中的数据管理功能是以BOE为基础对数据进行处理的，该系统将分析数据进行集中整合。

注塑模刚强度分析模块和分析系统的启动以及数据管理都是建立在分析模块基础上和项目管理界面基础上进行开发管理的，在开发管理的过程中并没有改变仿真模块的本质，主要通过求解器对数据进行求解。

利用解出的注塑模块刚强度取代了原有的分析模块，这样以来使得原有的操作在改造后变得更加简单化，具有了计算机数据操作自动化的功能。

图形处理工具主要有CUI工具，使用鼠标选择不同的操作，就可以借助于Workbench和其他的对象实施对应的操作。

这种图形处理工具可以在不同的条件下进行工作，实施主菜单的操作时，可以将Jscript文件中的特殊函数调出来进行使用，该函数和c语言有着相似之处，同时也被称为Jscript语言，这一语言可以定义为新的函数，一般被作为程序单元进行数据的处理和图形的处理工作。

此外，该语言还可以对窗口视图进行操作，也可以对列表视图进行操作。

操作者只需要在文件中添加相关的代码就可以实现对菜单和工具栏的进一步操作，在对主菜单进行操作时，首先使用相关函数将主菜单中的操作功能调用出来，然后进行菜单程序的编辑、选择、保存等操作，其中所使用的这种特殊函数一般是GUIDriver.LoadMenus，这些操作都要通过Jscript对CUI进行选择和区分。

对系统的窗口界面进行处理时主要通过窗口管理器进行处理，从而能够保证窗口界面和视图界面都具有合适的尺寸，系统的