第1章 注塑成型CAE技术发展.docx

第1章 注塑成型CAE技术发展.docx

《第1章 注塑成型CAE技术发展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章 注塑成型CAE技术发展.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第1章注塑成型CAE技术发展

第一章注塑成型CAE技术

1.1注塑成型CAE技术的发展

模具是生产各种工业产品的重要工艺装备。

随着塑料工业的迅速发展以及塑料制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用，塑料成型模的作用越来越大。

而塑料注射成型又是塑料成型生产中自动化程度最高、采用最广泛的一种成型方法。

它能成型形状复杂、精度要求高的制品，具有生产效率高、成本低、产品质量好的优点。

注射模成型工艺发展了近50年，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），但是注塑成型是一个复杂的加工过程。

同时由于材料本身的特性，塑料制品的多样性、复杂性和工程技术人员经验的局限性，缺乏理论的有效指导，长期以来，工程技术人员很难精确地设置制品最合理的加工参数，选择合适的塑料材料和确定最优的工艺方案。

模具工作者只能依据自身经验和简单公式设计模具和制订成型工艺。

设计的合理性只能通过试模才能知道，制造的缺陷主要靠修模来纠正，即依赖于经验及“试错法”：

设计→试模→修模，如图1-1所示。

这类经验的积累需要几年至十几年，以时间、金钱为代价并且不断重复。

同时模具开发的周期长，成本高，模具及工艺只是“可行”的，而非“优化”的，市场需求的变化会使原来的经验失去作用，市场经济使得传统的设计方法逐步丧失竞争力。

随着新材料和新成型方法的不断出现，问题更加突出。

而在实际生产中，对于大型、复杂、精密模具，仅凭有限的经验难以对多种影响因素作综合考虑和正确处理，传统方法已无法适应现代塑料工业蓬勃发展的需要。

图1-1传统模具开发流程

计算机辅助工程（ComputerAidedEngineering），是广义CAD/CAM中的一个主要内容。

模具成型计算机辅助分析已成为塑料产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有效的途径。

注塑CAE技术是CAE技术中一个重要的组成部分，是一种专业化的有限元分析技术，注射模CAE技术建立在科学计算基础上，融合计算机技术、塑料流变学、弹性力学、传热学的基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中流动、传热的物理、数学模型，利用数值计算理论构造其求解方法，利用计算机图形学技术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填充、冷却等过程，定量地给出成型过程中的状态参数（如压力、温度、速度等）。

将试模过程全部用计算机进行模拟，并显示出分析结果。

利用计算机的高速度，在模具设计阶段对各种设计方案进行比较和评测，在设计阶段及时发现问题，避免了在模具加工完成后在试模阶段才能发现问题的尴尬。

成形过程数值模拟是模具CAE中的基础，目前所采用的数值模拟方法主要有两种：

有限元法和有限差分法；一般在空间上采用有限元方法，而当涉及到时间时，则运用有限差分法。

CAE软件的应用过程如图1-2所示。

首先根据制品的几何模型剖分具有一定厚度的三角形单元，对各三角形单元在厚度方向上进行有限差分网格剖分，在此基础上，根据熔体流动控制方程在中性层三角形网格上建立节点压力与流量之间的关系，得到一组以各节点压力为变量的有限元方程，解方程组求得节点压力分布，同时将能量方程离散到有限元网格和有限差分网格上，建立以各节点在各差分层对应位置的温度为未知量的方程组，求解方程组得到节点温度在中性层上的分布及其在厚度方向上的变化，由于压力与温度通过熔体粘度互相影响，因此必须将压力场与温度场进行迭代耦合。

图1-2CAE软件的应用过程

其中，数值分析采用有限元/有限差分混合法，其基本步骤是：

根据前一时间步的压力场计算出流入各节点控制体积的流量，根据节点控制体积的充填状况更新流动前沿，在此基础上根据能量方程计算当前时刻的温度场，再根据温度场计算熔体的粘度和流动率等，形成压力场的整体刚度矩阵，为保证新引入的边界条件，需要对整体刚度矩阵进行修正，解压力方程组求得节点压力分布。

由于流动率的计算依赖于压力分布，因此压力场控制方程是非线性方程，需对压力场进行迭代求解。

重复上述计算过程直到整个型腔被充满。

充模流动模拟的数值计算过程如图1-3所示。

图1-3充模流动模拟的数值计算流程图

注塑成型流动模拟技术不断的改进和发展，经历了从中面流技术到双面流技术再到实体流技术这三个具有重大意义的里程碑。

（1）中面流技术

中面流技术的应用始于20世纪80年代。

其数值方法主要采用基于中面的有限元/有限差分/控制体积法。

所谓中面是需要用户提取的位于模具型腔面和型芯中间的层面，基于中面流技术的注塑流动模拟软件应用的时间最长、范围也最广，其典型代表如国外Moldflow公司的MF软件、原AC－Tech公司（被Moldflow公司并购）的C－Mold软件，国内华中科技大学国家模具技术国家重点试验室的HSCAE－F3.0软件。

实践表明，基于中面流技术的注塑成型流动软件在应用中具有很大的局限性，具体表现为：

（1）用户必须构造出中面模型，采用手工操作直接由实体/表面模型构造中面模型十分困难；

（2）独立开发的注塑成型流动模拟软件（如上述的Moldflow、C－Mold和HSCAE－F3.0软件）造型功能较差，根据产品模型构造中面往往需要花费大量的时间；（3）由于注塑产品的千变万化，由产品模型直接生成中面模型的CAD软件的成功率不高、覆盖面不广；（4）由于CAD阶段使用的产品模型和CAE阶段使用的分析模型不统一，使二次建模不可避免，CAD与CAE系统的集成也无法实现。

由此可见，中面模型已经成为了注塑模CAD/CAE/CAM技术发展的瓶颈，采用实体/表面模型来取代中面模型势在必然，在20世纪90年代后期基于双面流技术的流动模拟软件便应运而生。

（2）双面流技术

双面流是指将模具型腔或制品在厚度方向上分成两部分，有限元网格在型腔或制品的表面产生，而不是在中面。

相应的，与基于中面的有限差分法是在中面两侧进行不同，厚度方向上的有限差分仅在表面内侧进行。

在流动过程中上下两表面的塑料熔体同时并且协调的流动。

显然，双面流技术所应用的原理与方法与中面流没有本质上的差别，所不同的是双面流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。

由于上下表面处的网格无法一一对应，而且网格形状、方位与大小也不可能完全对称，如何将上下对应表面的熔体流动前沿所存在的差别控制在工程上所允许的范围内是实施双面流技术的难点所在。

目前基于双面流技术的注塑流动模拟软件主要是接受三维实体/表面模型的STL文件格式。

该格式记录的是三维实体表面在经过离散后所生成的三角面片。

现在主流的CAD/CAM系统，如UG、Pro/E、SolidWorks、AutoCAD等，均可输出STL格式文件。

这就是说，用户可借助于任何商品化的CAD/CAM系统生成所需制品的三维几何模型的STL格式文件，流动模拟软件可以自动将该STL文件转化为有限元网格模型供注塑流动分析，这样就大大减轻了使用者建模的负担、降低了对使用者的技术要求。

因此，基于双面流技术的注塑流动模拟软件问世时间虽然只有短短数年，便在全世界拥有了庞大的用户群，得到了广大用户的支持和好评。

双面流技术具有明显优点的同时也存在着明显的缺点：

分析数据的不完整。

双面流技术在模拟过程中虽然计算了每一流动前沿沿厚度方向的物理量，但并不能详细地记录下来。

由于数据的不完整，造成了流动模拟与冷却分析、应力分析、翘曲分析集成的困难。

此外，熔体仅沿着上下表面流动，在厚度方向上未作任何处理，缺乏真实感。

（3）实体流技术

从某种意义上讲，双面流技术只是一种从二维半数值分析（中面流）向三维数值分析（实体流）过渡的手段。

要实现塑料注射制品的虚拟制造，必须依靠实体流技术。

实体流技术在实现原理上仍与中面流技术相同，所不同的是数值分析方法有较大差别。

在中面流技术中，由于制品的厚度远小于其他两个方向（常称流动方向）的尺寸，塑料熔体的粘度大，可将熔体的充模流动视为扩展层流，于是熔体的厚度方向速度分量被忽略，并假定熔体中的压力不沿厚度方向变化，这样才能将三维流动问题分解为流动方向的二维问题和厚度方向的一维分析。

流动方向的各待求量，如压力与温度等，用二维有限元法求解，而厚度方向的各待求量和时间变量等，用一维有限差分法求解。

在求解过程中，有限元法与有限差分法交替进行，相互依赖。

在实体流技术中熔体的厚度方向的速度分量不再被忽略，熔体的压力随厚度方向变化，这时只能采用立体网格，依靠三维有限差分法或三维有限元法对熔体的充模流动进行数值分析。

因此，与中面流或双面流相比，基于实体流的注塑流动模拟软件目前所存在的最大问题是计算量巨大、计算时间过长，诸如电视机外壳或洗衣机缸这样的塑料制品，用现行软件，在目前配置最好的微机上仍需要数百小时才能计算出一个方案。

如此冗长的运行时间与虚拟制造的宗旨大相径庭，塑料制品的虚拟制造是将制品设计与模具设计紧密结合在一起的协同设计，追求的是高质量、低成本和短周期。

如何缩短实体流技术的运行时间是当前注塑成型计算机模拟领域的研究热点和当务之急。

1.2注塑模CAE的发展趋势

随着科学技术的迅速发展，互联网技术的普及和全球信息化，注塑模CAE技术功能进一步扩充，性能也进一步提高，呈现出如下的发展趋势:

（1）用三维实体模型取代中心层模型

3D分析（实体流技术）正在被应用到共注塑成型、多次注射成型、气体辅助成型、组合模腔成型和叠模成型。

仿真软件分析三维的纤维取向和翘曲，3D技术（实体流技术）非常重要。

因为2.5D（双面流技术）只能表明纤维在一个平面上的取向，而3D可以表明纤维在各个角度的取向。

3D分析提供的信息是2.5D所无法比拟的，像湍流与层流的辨识，熔融物料中的气泡，喷射和重力的影响等。

3D模拟还可以了解模具本身的情况。

在2.5D模拟中，在模具中嵌入一个镶件后，需要生成相应网格，然后计算热量是怎样穿过这个镶件的。

但是在3D模拟中，当进入模型，就可以观察到温度变化。

台湾的Moldex3D和德国的Sigmasoft，这些软件几乎都无一例外地专注于3D（实体流技术）领域。

Moldflow为其最新的MoldflowPlasticsInsight分析软件包开发了几种新模块，包括预测纤维取向、翘曲和厚壁制件中的热—机械性能分析的MPI3D模块。

Moldflow在其3D软件中扩展了创建热固性塑料制品模型的能力。

MoldflowPlasticsInsight分析软件包支持64位计算机，可以较快地创建大的模型。

如图1-3所示Moldflow提供三种有限单元模型。

a）MIDPLANEb）FUSIONc）3D模型

图1-3Moldflow网格的三种类型

（2）有限元、有限差分、控制体积方法的综合运用

注塑制品是薄壁制品，制品厚度方向的尺寸远小于其他两个方向的尺寸，温度等物理量在厚度方向的变化又非常大，若采用单纯的有限元或有限差分方法势必造成分析时间过长，无法满足模具设计与制造的实际需要。

在流动平面采用有限元法，厚度方向采用有限差分法，分别建立与流动平面和厚度方向尺寸相适应的网格并进行耦合求解，在保证计算精度的前提下使得计算速度满足工程的需要，并采用控制体积法解决了成形中的移动边界问题。

对于内外对应表面存在差异的制品，可划分为两部分体积，并各自形成控制方程，通过在交接处进行插值对比保证这两部分的协调。

（3）数值计算与人工智能技术的结合

优选注塑成形工艺参数一直是广大模具设计人员关注的问题，传统的CAE软件虽然可以在计算机上仿真出指定工艺条件下的注塑成形情况，但无法自动对工艺参数进行优化。

使用人员必须设置不同的工艺条件进行多次CAE分析，并结合实际经验在各方案之间进行比较，才能得出较满意的工艺方案。

同时，在对零件进行CAE分析后，系统会产生有关该方案的大量信息（制品、工艺条件、分析结果等），其中分析结果往往以各种数据场的形式出现，要求用户必须具备分析和理解CAE分析结果的能力，所以传统的CAE软件是一种被动式的计算工具，无法提供给用户直观、有效的工程化结论，对软件使用者的要求过高，影响了CAE系统在更大范围内的应用和普及。

（4）制品与流道系统的三维流动保压集成分析

流道系统一般采用圆柱体单元，而制品采用的是三角形单元，注塑模CAE系统可以采用半解析法解决混合单元的集成求解问题，这样，不仅能分析一模一腔大型复杂的制品，而且能够分析一模多腔小型精密制品，大大拓宽了系统的使用范围。

（5）塑料制品熔合纹预测的高效算法

熔合纹对制品的强度、外观等有重要影响，准确预测熔合纹位置是仿真软件的难题。

注塑模CAE系统通过节点特征模型方法大大提高了熔合纹预测的准确性和效率。

并利用神经网络方法对熔合纹的影响程度作出定性评价，为用户对成形质量的评估提供了直接的判断依据。

注塑模CAE技术的发展，给模具行业带来了一场技术革命。

但因为塑料熔体是非牛顿粘弹性流体，制品结构复杂，成型充模流动过程的非稳态、非等温性，使充模过程的数值模拟相当复杂，所以在程序实现时作了一些假设，建模过程进行了适当简化，这样计算结果精度与实际结果会有偏差，然而总体趋势与实际结果是一致的。

由于进行CAE分析时还要重新建模，不能充分利用产品设计的三维模型，造成重复劳动。

国外注射模软件商已开始着手于集成化的CAD/CAE技术研究，并有商品化软件形成。

虽然这些软件能识别CAD的三维图形，但集成的CAD/CAE软件本身不具备建立浇注系统、冷却管网等的功能，使分析应用范围大大减小。

1.3AutodeskMoldflow软件介绍

Moldflow软件是Moldflow公司的产品，该公司自1976年发行了世界上第一套塑料注塑成型流动分析软件以来，几十年来以不断的技术改革和创新一直主导着CAE软件市场。

2000年4月，收购了另一个世界著名的塑料成型分析软件C－MOLD。

提出了“进行广泛的注塑过程分析”的理念。

2008年6月13日设计软件领导厂商欧特克公司（Autodesk,Inc.）宣布完成收购Moldflow公司，并将进一步集成现有全球性支持机制及经销合作伙伴，持续为Moldflow客户提供产品维护暨服务；现持有Moldflow维护合约（MaintenanceAgreement）的客户，将转入AutodeskSubscription产品维护暨服务合约之中。

藉由收购专业模流分析软件Moldflow公司，将有助于Autodesk为企业提供完善的塑胶元件最佳化设计工具，并进一步拓展现有数字化原型（DigitalPrototyping）方案之技术产品完整性。

Moldflow为企业产品的设计及制造的优化提供了整体的解决方案，帮助工程人员轻松的完成整个流程中各个关键点的优化工作。

在产品的设计及制造环节，Moldflow提供了两大模拟分析软件：

AMA（Moldflow塑件顾问）和AMI（Moldflow高级成型分析专家）。

AutodeskMoldflowInsight致力于解决与塑料成型相关的广泛的设计和制造问题，对生产塑胶产品和模具的各种成型包括一些新的成型方式，它都有专业的模拟工具。

软件使您不但能够模拟最普通的成型，还可以对为满足苛刻设计要求而采取的独特的成型过程来模拟。

在材料特性，成形分析，几何模型方面技术的领先，让AutodeskMoldflowInsight代表最前沿的塑料模拟技术，帮助我们缩短开发周期，降低成本，并且让团队可以有更多的时间去创新。

　　AutodeskMoldflowInsight包含了最大的塑胶材料数据库。

用户可以查到超过8000种商用塑胶的最新最精确的材料数据，因此您能够放心的评估不同的候选材料或者预测最终应用条件苛刻的成型产品的性能。

软件中也可以看到能量使用指示和塑胶的标识，因此您可以更进一步的降低材料能量并且选择对可持续发展有利的材料。

AutodeskMoldflowInsight赋予工程师深入的分析能力去帮助他们解决最困难的制造问题。

由于分析结果高度可信，甚至是最复杂的产品模型，AutodeskMoldflowInsight也能够使工程师团队在模具制造前预测制造缺陷，真正的减少费时费钱的修模工作。

可定制的结果和报告。

通过完善的控制分析过程参数和广泛的可定制的结果，AutodeskMoldflowInsight使您能够将分析结果和实际成形条件精确关联，帮助您预测潜在问题并采取改善措施去避免。

一旦分析完成，您可以使用自动报告生成工具制成普遍格式（HTML，MicrosoftWord，andPowerPoint）的报告，这样就可以和设计，制造团队的其他人员分享有价值的模拟结果，提高协同性使开发更流畅。

不同的产品提供不同的功能性级别，Autodesk致力于帮助CAE分析师，塑胶产品设计工程师，模具制造者和成型工程师去创建精准的数字样机，从而花更少的成本将更好的产品推向市场。

　　Autodesk是世界领先的工程软件提供商之一，它提供的软件能帮助企业在产品还没有正式生产之前体验其创意。

通过为主流制造商提供强大的数字样机技术，Autodesk正在改变制造商思考设计流程的方式，帮助他们创建更加高效的工作流程。

Autodesk的数字样机方案是独一无二的可扩展、可实现、经济高效的解决方案，支持为数众多的制造商在几乎不改变现有工作流程的前提下，享受到数字样机带来的益处，其能够以直观的方式在多种工程环境中创建和维护单个数字模型。

　　Moldflow整体解决方案随着塑料工业以及和塑料相关产业的蓬勃发展，塑料行业的竞争日趋激烈，一方面原材料价格及人力成本不断上涨，另一方面产品的销售价格不断下降而产品的质量、功能等要求不断的提高，交货周期要求更短。

为适应市场的要求，许多企业都进行了技术创新，高额引进了高精尖的硬件设备，比如高档的注塑机，自动化的辅助系统，并解决了很多难题和创造了相当大的效益，但硬件效能充分发挥的前提是设计优化。

但目前大多数企业的产品设计、模具设计以及产品制造的各环节分布在不同公司、不同地域或同一公司的不同部门，产品设计和模具设计主要独立的靠经验来完成，设计阶段较少的系统的考虑制造的问题。

这样没有经过优化的设计方案势必会导致制造成本的增加和开发周期的延误，因此要提升业界的技术水平，持续的降低制造成本，就必须将产品设计、模具设计和产品制造，供应商评估等资源进行有效的整合。

而Moldflow正是为企业整合制造链的有效工具。

经过30多年的持续努力和发展，Moldflow已成为全球塑料行业公认的分析标准。

AMA简便易用，能快速响应设计者的分析变更，因此主要针对注塑产品设计工程师，项目工程师和模具设计工程师，用于产品开发早期快速验证产品的制造可行性，AMA主要关注外观质量（熔接线、气穴等）、材料选择、结构优化（壁厚等）、浇口位置和流道（冷流道和热流道）优化等问题。

AMI用于注塑成型的深入分析和优化，是全球应用最广泛的模流分析软件。

AMI不仅可以考虑传统注塑问题，还可分析双色注塑（Over-Molding）、气体辅助注射（Gas-assistantMolding）、共注成型（Co-Injection）、注压成型（Injection-Compression）、发泡注射成型（Mucell）、光学的双折射分析（Birefringence），近期兴起的热流道动态进料系统也可在AMI中进行模拟，此外还可分析热固性材料的反应成型以及电子芯片的封装成型，AMI广泛用于汽车、医疗、3C、航空航天以及封装等所有与塑料相关的行业。

2009年7月7日，欧特克公司宣布将推出最新版本的AutodeskMoldflow2010软件。

欧特克制造业解决方案部负责数字工厂和工业设计的全球副总裁SamirHanna先生表示：

“我们致力于帮助制造商减少差错，提高注塑模具的性能表现，从而提高塑料产品的质量，加快产品上市的速度。

第一版的AutodeskMoldflow2010软件简化了我们的产品线，让客户能以较低的成本获得更多的价值。

而第二版AutodeskMoldflow2010软件的推出将为客户带来前所未有的仿真分析精确度，从最初的产品设计一直到制造加工，客户可以随时解决问题，优化他们的塑料产品。

”

　　此次发布的第二版AutodeskMoldflow2010软件产品的新增和强化功能包括：

（1）CAD集成性更强：

欧特克增强了AutodeskMoldflowInsight2010对多种CAD应用程序的支持。

目前，AutodeskMoldflowAdviser和AutodeskMoldflowInsight软件能直接导入由AutodeskInventor软件创建或修改的CAD模型。

AutodeskMoldflowInsight用户可以一次性导入部分或全部组件。

一旦CAD模型导入完毕，用户即可完全控制网格处理，并可对需要进一步细化处理的特定点进行表面网格细化，同时维持其余部分的粗化状态不变。

（2）精确度更高：

塑料产品的三维模型网格划分技术的改善直接提高了设计和加工的预测精度。

例如，在零件从厚转薄的部分，以及在转角和边缘部分，软件能够提供更好的网格质量。

　　（3）速度更快：

单一的三维模流分析使用多个中央处理器（CPU）内核，可充分发挥硬件升级带来的好处。

多线程技术将AutodeskMoldflow软件的分析速度提高了两倍（取决于模型）。

AutodeskMoldflow软件还率先将NVIDIA公司尖端的GPU技术与多个CPU内核结合使用，从而进一步提高了分析计算速度。

Moldflow的产品用于优化制件和模具设计的整个过程，提供了一个整体解决方案。

Moldflow软硬件技术为制件设计、模具设计、注塑生产等整个过程提供了非常有价值的信息和建议。

高级成型分析（AutodeskMoldflowInsight）在功能上可以划分为：

（1）API/FUSION（双层面网格模型），分析形状特征复杂之薄壳类塑胶零件。

它基于Moldflow的独家专利的DualDomain（双层面）分析技术，直接从CAD软件中提取实体表面产生网格。

FUSION网格大大降低前期网格处理时间，能快速对产品进行流动、冷却，翘曲等分析。

它以最快的网格处理及最佳的网格质量和准确的分析结果成为应用广泛的薄壁件分析的网格形式。

（2）API/3D（3D实体模型），模拟粗厚件产品的塑料流动分析。

（3）API/Midplane（中间面网格模型），分析肉厚较均匀之薄壳类塑胶零件。

它提取实体壁厚的中间面作为网格外形，并赋予它厚度，使用较少的网格数目快速分析得到最精确的分析结果。

（4）AMI/Flow模拟热塑性材料注塑成型过程的填充和保压阶段，以预测塑料熔体的流动行为，从而可以确保可制造性.使用AMI/Flow可以优化浇口位置、平衡流道系统、评估工艺条件以获得最佳保压阶段设置来提供一个健全的成型窗口，并确定和更正潜在的制品收缩、翘曲等质量缺陷。

（5）AMI/Gas模拟气体辅助注塑成型，这种成型方法是将气体（通常为N2）注入树脂熔料中，气体推动树脂流进型腔完成模具填充，并在整个组件内创建一个中空通道。

AMI/Gas分析结果可帮助确定树脂和气体入口位置、气体注入之前要注塑的塑料体积以及气道的最佳尺寸及位置。

（6）AMI/Co-Injection模拟连续的协同注塑过程，即首先注塑表层材料，然后注塑不同的芯层材料。

分析结果中可以查看型腔中材料推进情况，并在填充过程中查看表层和芯层材料之间的动态关系。

使用结果可优化两种材料的组合，从而使产品的总体性价比最大。

（7）AMI/InjectionCompression模拟树脂注入和模具压缩同时发生和连续发生的过程，并可以对注入树脂之前，期间或之后开始的压缩阶段进行优化。

分析结果全面评估可选的材料、零件设计、模具设计以及工艺条件。

（8）AMI/MuCell模拟微孔发泡（MuCell）注塑成型工艺﹐即将某种超临界液体（如二氧化碳或氮）与融化的树脂混合在一起，并将其注入模具来产生微