三维实体网格模流分析介绍及应用

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摘要：由于塑料射出产品大多为薄壳产品，因此在模流分析上多使用薄壳模型(shell model)并指定厚度；或用STL格式模型，再依薄壳理论分析之。但由于薄壳理论的简化太多，在先天有诸多的限制，无法完全仿真塑料流动上的的所有现象;再加上部份的塑料件实为粗厚件，其厚度已超出薄壳理论的范围，且网格厚度定义不易，种种的误差累积可能会使分析结果的参考性变低。新一代的三维模流分析技术，使用三度空间的实体元素，不需做任何厚度的假设；再加上统御方程式不做任何的减化。可忠实的表现出所有塑料流动上的现象，其参考性也大为提高。本文即藉由Moldex3D以及数个实际案例来说明三维模流分析技术的优异性能。
4 W5 a( \# ?$ z7 a/ \8 E  K9 t关键词 : 三维模流分析、Moldex3D、shell model、薄壳理论
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一、 案例
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8 _  M8 S# B0 U0 r因为使用实际3D理论来求解，因此对于塑料射出的应用不再局限于薄壳件，应用的范围更为广泛，且所得到的结果更为准确，在此列举连结器─如图1及图2所示、手机上盖─如图3及图4所示的实际短射与Moldex3D分析结果比较以供参考。下文中并将列举不同案例以说明3D模流分析在实际产品上的应用。
A.喷流现象
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非薄壳件的一个常见的流动现象为喷流(jetting)，通常这种现象会在成品表面留下皱折的痕迹。以薄壳理论为基础的mid-plane及STL 网格对于这种肇因于厚件及高射速的流动现象均无法做正确的仿真。本案例的几何如图5; 一模四穴含流道的体积约为635c.c.， 充填时间为5秒，每一穴的每秒流率约为32c.c.，对一般射出而言并不算高速，但因为本案例几何造形不属于薄壳件，如此射速已足以让熔胶突出模壁表面，依此即可预测此处将有熔胶皱折的喷流现象产生。分析结果如图6。
9 M0 t4 ?  B3 e. Q; a( K3 [2 fB. 变形扭曲

本案例为一电子产品的传动齿条，几何形状如图7。此产品的主要扭曲原因是来自于斜向齿形的排列。以薄壳网格来建立本模型的话，不容易正确的表达齿形特征; 三维网格则无此限制。三维网格产生如图8。图9则为放大四十倍的变形扭曲情形。

C. 纤维配向
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为了增加产品的机械强度，在塑料中加入纤维已是一个非常普遍的做法。但在强度增加的同时，却也往往会有不等向收缩的问题发生。通常如果纤维配向性越高，则不等向收缩变形的问题会越严重。解决的办法通常是尽量把纤维的配向打乱，然而纤维配向的预测向来是薄壳理论分析较弱的一环;而立体的3D网格则可不受此限。本案例为一机车的后把手，几何形状如图10。实体网格则如图11。由图12的纤维配向仿真结果可看出有明显的配向，业者即可则可参考此图来重新选择进胶口位置。