精密注塑CAE技术的应用及发展

0UwUvw3 · 发表于 2011-2-22 08:50

精密注塑CAE技术的应用及发展
塑料注射成型是最为有效的塑料加工方法之一，在工业部门中占有十分重要的地位。由于缺乏理论的有效指导，长期以来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。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。
提高模具设计和制造水平的有效途径是将CAD/CAE/CAM技术应用于塑料注射成型领域。从20世纪90年代开始，我国模具行业的一些先行者已陆续采用了塑料注射成型仿真软件。由于仿真结果能正确指导成型工艺、优化模具结构、缩短试模和修模时间、显著提高塑料制品质量，其重要性正逐渐被模具界所认识。
塑料注射成型仿真属于机械、力学、材料和计算机相交叉的前沿科学，由于塑料熔体的非牛顿性以及注射流动过程的非稳态、非等温性，采用计算机模拟并优化注射成型过程具有很大的难度，虽然国内外研发部门很多，但最终能形成商品化系统的仍屈指可数。
澳大利亚moldflow仿真系统是国际知名品牌软件，已在我国一些单位应用，但由于其价格昂贵、无中文界面、缺乏国产塑料流变数据以及技术培训和支持等方面的原因，很难在国内模具界大规模推广应用。长期以来广大模具工作者殷切期盼着我国能研制出可与Moldflow相媲美的国产商品化软件，以便全面提升我国塑料模具工业的技术水平和国际竞争力。
华中科技大学塑性成型模拟及模具技术国家重点实验室从1985年开始，通过“七五”、“八五”、“十五”国家重点攻关和国家自然科学基金项目的支持，系统而深入地开展了塑料注射成型仿真软件系统的研究和开发。从1989年推出的HSCAE 1.0版到2005年的6.10版，经历了从二维分析到三维分析，从实用化到商品化，从局部试点到大面积推广应用的进程，成功研发出了具有中国特色、达到当前国际先进水平的商品化塑料注塑成型集成化仿真系统HSCAE 6.10。
注塑集成化仿真系统功能简介
HSCAE 6.10是在Windows环境下采用面向对象开发方法、有限元和边界元数值计算、人工智能及OpenGL图形平台开发的塑料注射成型过程集成化仿真系统，所有操作均集成在如图1所示的图形界面中。

图1：HSCAE 6.10集成化图形界面
根据塑料注射成型工艺和模具设计的需求，系统目前具有如下功能：
（1）直接采用塑料制品的三维几何模型进行仿真，支持STL、UNV、INP、DAT、ANS、NAS、COS、FNF、PAT、MFD等十种格式的文件，实现了与通用CAD/CAM系统的无缝集成。
（2）能够自动划分具有疏密控制的自适应有限元分析网格，并提供网格修订工具，用于修复CAD模型的错误和优化有限元分析网格，能够提高网格质量和分析结果精度。
（3）提供开放式的数据库，包括塑料物理和流变参数、注射机参数、标准模架及典型结构数据等，还能为用户测试所提供塑料的流变参数，创建企业专用的材料数据库。
（4）提供创建模具浇注系统和冷却管道的快捷设计功能，支持流道常用截面和复杂冷却结构设计。
（5）能够预测塑料熔体在充模保压过程中的流前位置、融合纹与气穴位置、温度场、压力场、剪切力场、剪切速率场、表面分子取向、收缩指数、密度场、凝固层及锁模力等参数；
（6）能够预测制品和模具在冷却过程中的动态温度场分布、冷却时间和温差分布。
（7）能够预测制品出模时的应力分布和翘曲变形程度。
（8）提供塑料注射成型过程的可视化操作，动态显示注射机、模具和塑料熔体传输过程三位一体的协同工作过程。
（9）利用系统提供的实体流功能不仅可以模拟塑料熔体在制品上的流动过程，而且能模拟熔体在模具型腔中的流动，可以在制品任意截面上显示流动保压的分析结果。
（10）应用人工智能技术，优化成型工艺、评价设计方案及自动生成多语言版本分析报告。
注塑集成化仿真系统技术特色
HSCAE 6.10在继承和发扬华塑CAE软件操作简捷、分析准确和显示逼真等优点的基础上进一步凸现出如下技术特色：
（1）基于三维实体的动态仿真
传统的仿真软件均基于制品的中心层模型，但在三维模型中提取中心层难度很大，是妨碍注射成型仿真软件推广应用的瓶颈问题。HSCAE 6.10所提供的双面流技术能直接在三维实体模型表面划分网格，通过网格配对和引入边界控制保证对应表面的协调处理，不仅能处理内外对应表面相似的制品，而且能适应内外对应表面差异较大的制品。

应该指出的是，双面流技术只能在制品表面上显示塑料熔体的流动过程，而不能在模具型腔里面。HSCAE 6.10在双面流技术的基础上创新性地实现了实体流功能。与双面流技术采用表面网格不同，实体流技术采用立体网格，可以更加逼真地演示熔体在透明模具型腔内的流动情形，而且用户还能借助于剖切功能考察熔体在任意时刻、任意位置和任意壁厚处的流动情形和有关数据。
（2）冷却分析中复杂结构的处理
现行冷却分析软件在处理喷流管、冷隔板和螺旋管等复杂冷却结构时，通常是采用一根或几根等效截面的直圆管来近似处理。简化之后的冷却结构和冷却水的流动方式与实际情况出入很大，计算机结果不够准确。HSCAE 6.10针对各种常用冷却结构分别设计了各自的网格单元，创新性地应用混合边界元法求解。实践证明，HSCAE 6.10所提供的冷却分析模块具有覆盖面广、求解速度快、计算结果准确等显著优点。
（3）基于双面流技术的应力和翘曲分析
根据浇口凝固效应和保压压力与温度分布的分析结果，应力和翘曲分析模块计算制品在壁厚和平面方向上应力随时间的变化以及制品在脱模时刻沿着壁厚方向的收缩。基于双面流技术采用一种特殊的双层壳体单元预测制品脱模时刻的翘曲变形。由于该方法借助于表面网格单元在厚度方向上的耦合约束进行分析，所以能够直接应用双面流的表面网格单元，用户无需增加工作量。其计算精度与传统的中面流技术采用单层壳体时的计算精度相当。
（4）数值计算和人工智能技术的结合
传统的CAE软件基本上都是被动式的计算工具。分析前需要用户先设计成型方案和工艺参数，分析后常常不知如何运用分析结果去指导生产。这在一定的程度上影响了CAE软件的推广和普及。为了发挥CAE软件的更大作用，HSCAE 6.10成功地引入了人工智能技术。在仿真系统中，对于注射时间、注射温度等具有连续取值空间的参数，采用基于人工神经网络的方法进行优化，对于分析结果的解释和评价则采用基于规则推理的方法来处理。例如HSCAE 6.10所建立的专家系统规则库便是以专家知识为基础，涵盖了有关短射、流动平衡、熔体降解、温差控制、保压时间、许可剪切应力、剪切速率和锁模力等方面的知识，在对分析结果进行综合和提炼的基础上，驱动专家系统进行推理，对成型方案进行评价并在分析报告中输出具体的改进建议。
实验验证与应用
华塑CAE软件的流动和保压分析结果曾经历两次实验验证。1996年的方杯试验模具测试表明，流动分析结果最大相对误差为13.2％，保压误差为8％，均在15％的工程允许误差之内。2000年条料试验模具测试表明，流动误差为5％，保压误差为5.5％，达到了平均误差在10％以内的世界先进水平。
图2为2000年条料试验时压力对比情况。试验用注射机为震雄CJ150M2-NC，模具型腔尺寸为200mm×40mm，采用三个压力传感器，塑料材料为燕山石化的HDPE，设置了三组成型条件以观察工艺条件对成型过程的影响。从图中可以看出，实验值与模拟值吻合情况良好。

图2：条料试验中压力实验值与模拟值的比较
华塑CAE软件目前已在国内外80多家企业中推广应用，并分别为青岛海尔模具公司和广东科龙模具公司测试并建立了专用材料数据库。十余年来，华塑CAE软件在推广应用中取得了很好的经济效益和社会效益，获得了2002年度国家科技进步二等奖并被评为当年我国机械工业五大重要成就之一。
例如青岛海尔美高美彩电前壳模具的初始方案包括4个一级分流道和6个二级分流道，充模时间为7s，注射温度为250℃，制品材料为ABS，如图3a所示。用华塑CAE软件分析后发现充模不平衡，制品上部与两侧比下部明显先充填。考虑到初始方案分析所预测的注射压力不是很高（55MPa），故将流道系统的设计改为图3b所示，两侧浇口各减少一个，并将充模时间缩短为2.8s，再用华塑CAE软件分析表明充填平衡性良好，注射压力变化并不大（57MPa）。青岛海尔模具公司采用此方案进行模具设计加工，取得了很好的效果。

又如广东科龙公司冰箱抽屉制品，在未采用华塑CAE软件分析之前，常在制品正面出现明显融合纹，底部浇口处常有彩虹纹，透明度不够。随后在华塑CAE软件的指导下，通过改进浇口位置、调整制品某些部位的壁厚、优化注射温度，成功地消除了成型缺陷，使冰箱抽屉产品质量大幅度提高。
综上所述，华塑注射成型集成化仿真系统HSCAE 6.10是塑料制品设计、模具优化和工程师培训的理想工具。我们相信，HsCAE 6.10在推广普及中将为我国塑料模具工业的发展和进步作出更大的贡献。

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