注塑模流分析技术现状与Moldex3D软件应用

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一、 引言
模具行业是一个高新技术密集型，而且又重视经验的产业。特别是随着近代工业的飞速发展，塑料制品用途日益广泛，注塑模具工艺空前发展，依靠人工经验来设计模具已经不能满足需要，企业越来越多地利用注塑模流分析技术来辅助塑料模具的设计。利用此类CAE软件，设计人员可以仿真出塑料成型过程中的充填、保压、冷却及脱模后的翘曲变形等过程，准确预测塑料熔胶在模腔内的流动状况，温度、压力、剪切应力、体积收缩等变量在整个充填工程中某瞬间的分布情况。利用注塑模流分析技术，能预先分析模具设计的合理性，减少试模次数，加快产品研发，提高企业效率。
" v, a; a# c0 B1 v" O二、 传统模流分析技术
一般传统2.5D模流分析技术为“Mid-Plane Mesh”，其原理为将3D几何模型简化成2.5D中间面几何模型，如图1所示，利用所建立的中间面进行模流分析，即以平面流动来仿真三维实体流动。此分析技术发展至今已相当成熟稳定，其优点为分析速度快有效率，且对于大部份塑料件流动分析皆可得出准确的结果，特别是塑料薄件(市面上约九成塑料件皆为薄件)。因此广为人们所使用，目前为整个模流分析市场的主流。
3 @2 o$ Y$ Q1 ^. T1 k- l虽然此分析方法相当受到肯定，但由于分析理论限制，仍存在许多缺点，影响分析精确度与效能：几何模型中间面不容易被定义，造成建模困难；约80%工作时间花费在建立2.5D几何模型；无法完全仿真三维实体流动效应，如黏滞拖曳效应(Viscous drag)、惯性效应(inertial effect)、非恒温流体(Non-isothermal flow)、非牛顿流体(Non-Newtonian flow)、侧壁效应(Side wall effect)和喷泉效应(Fountain effect)等，尤其是塑料厚件三维流动效应特别明显，所以传统分析技术无法得到精准的结果。
因此，为了能完全模拟真实流动情况，发展三维模流分析技术是必要的，它也将成为未来模流分析新的发展趋势。
0 f8 F8 e% T0 [& o" I$ z" n: q“Skin-Surface Mesh”为近年来发展的另一模流分析技术，其分析方式采用表面网格(surface mesh)为分析模型，并利用“连结器(Connector)”将上下两侧元素相连结，同时于两侧进行流动分析。
* z0 O3 ^& I! V! S5 L- r% H此方法似乎可模拟三维流动分析，但事实上不尽然，它所采用的分析模型并非真正三维实体模型，并且先天分析理论存在许多的缺点，会导致错误的分析结果，如：
1．缝合线(Welding line)预测错误，如图3所示。
图3 缝合线预测错误
2．可能因流动长度推估错误，导致不准确的分析结果，如错误的压力分布、锁模力等。
3．由于理论限制，无法完全模拟真实三维流动情形。
: Y% w! n% s9 r  l* E. g6 A因此对于Skin-Surface分析技术，其分析结果并不可靠，只能说是过渡时期的产品，并非真正的三维模流分析技术。

三、 三维模流分析技术
  Z# a+ T4 i& Z- i! \三维模流分析技术必需拥有正确的真三维流动分析理论，能有效模拟各种三维流动效应，并且为了完整呈现真实塑料件外观，分析模型需以真实对象为基准，将所有特征形状列入考虑，建立三维分析模型。但是发展一套既稳定精确又快速的三维模流分析技术仍有许多瓶颈需待解决。首先，欲完整正确地将三维流动效应列入分析理论考虑并不容易，需经过严谨的理论推导与反复的验证，倘若有微小差错即会造成数值分析的不稳定与不正确的分析结果。其次，分析模型依赖三维真实对象所建立，虽可真实呈现所有外型特征，但也造成分析网格元素变得较多较复杂，大量增加分析时间与内存(Memory)需求量，并且分析网格品质好坏不易控制，严重影响数值分析的稳定度。
四、 三维实体模流分析软件Moldex3D
Moldex3D为科盛科技公司研发的三维实体模流分析软件，它不但能将Skin-Surface分析法与Mid-plane分析法没有考虑的实际状况列入分析，更拥有计算快速准确的能力，并且搭配超人性化的操作界面与最新引入的三维立体绘图技术，真实呈现所有分析结果，让用户学习更容易，操作更方便。在分析模型方面，Moldex3D采用三维实体元素网格，依塑料件实体来建造，完全符合真实情况，并且网格产生可完全自动化，轻松建模完全不费力。
Moldex3D主要特点：
1．先进的数值分析算法
MOLDEX3D首创真三维模流分析技术，经过严谨的理论推导与反复的实际验证，将惯性效应、重力效应、喷泉效应等许多现实因素加入分析考虑，并且拥有计算准确稳定快速的优点，进行真正的三维实体模流分析，使分析结果更接近现实状况并且大大节省工作时间，如图4，Moldex3D流动分析结果与现场短射实验结果非常吻合。而整个Moldex3D分析核心所采用的数值分析技术为特别针对三维模流分析所开发出的新数值分析法-高效能体积法（HPFVM），HPFVM（High Performance Finite Volume Method）法不但具有传统有限元分析的优点，并且大幅度提高三维实体流动分析精确度、稳定度与分析性能，是Moldex3D三维模流分析的核心。
图4 Moldex3D流动分析结果与实际结果对比（明基手机外壳）
2．友好的用户界面
) t! g8 L. u( r( I操作界面上，Moldex3D提供高亲和力及更具人性化的直觉式视窗界面，采用图标工具栏，操作非常简便，让使用者轻松地选择模具、塑胶材料及设定射出机台，直观地得到各项分析结果，并制作最终分析报告。
$ S' w9 X7 J8 {# J; Y' Y8 W2 |8 z3．丰富的塑胶材料库
Moldex3D内建近5500多种材料数据库可供使用，数据非常完整，可任意由材料库中选择适当的材料进行分析，或是利用所提供的接口输入参数，建立使用者自己的材料数据库。对于加工条件方面，可使用针对不同材料所建议的条件或是利用软件所提供输入接口输入各程序的成型条件，设定非常方便。
& ~# {+ p" t+ ]% ~$ ~0 @4．高分辨率3D立体图形显示
" [: h% H' n: N) o8 v- p' z& dMoldex3D采用最新的3D立体显示技术，快速清楚地将模型内外部的温度场、应力场、流动场和速度场等十余种结果展示在您的眼前。对于上述分析结果的展现也可利用等位线或等位面方式显示，或者直接切剖面观看模型内部变化情形，让实体模型内外部各变量变化情形更清楚呈现，此外可利用曲线(XY-Plot)功能检视加工过程进胶点(Spure)变量随着时间的变化历程曲线。Moldex3D还提供动画的功能，透过3D动画的方式展现塑料在模穴中的流动变化，让你以较直观的方式认清设计与制造的过程可能遭遇问题，并利用计算机试模方式测试各种方案，可迅速累积设计以及故障排除的能力。另外亦提供多样化的显示工具，可任意将图形放大、缩小、旋转、改变视角、透明化、变化光源及颜色等，并将图形输出成图形文件(.BMP)或直接转贴至其他软件使用。
五、 结论
+ j/ v6 s: g: Y- T+ e4 AMoldex3D不但含有传统的模流分析软件的各项功能，而且真正实现真三维模流分析技术，理论严谨，准确反映真实现象，同时其具有分析速度快，易学易用等诸多特点，是模流分析工程师不可多得的CAE工具。自2002年来，红地公司与台湾科盛公司全面合作，在中国大陆地区推广Moldex3D模流分析技术，目前已经应用于众多企业。