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第十八章注塑模模流分析技术华东交通大学匡唐清18.3注塑模CAE的应用近年来，CAE分析在注塑领域中重要性日益增大。CAE分析已从原理上说明了许多使注塑失败，像翘曲、飞边等的原因。实际经验往往不足以鉴别潜在的问题，可以用经验解决的生产问题太有限，只有采用CAE分析这样的技术，才能全面应付注塑中出现的问题，加工出优质产品。目前，注塑模CAE软件（常称注塑模流分析软件）能成功地应用在三个方面：塑件设计、模具设计及成型工艺。1、塑件设计塑件设计者通过模流分析解决下列问题：(1)塑件能否全部充满这是一个为广大模具设计者普遍关注的问题，特别是当设计大型制件时尤其如此。在设计者的心目中，材料结构特性、装饰特性和加工特性之间的关系往往模糊不清，而模流分析以科学的方式提供了在设计阶段对不同塑料及其与成型有关的特性进行评价的方法。(2)塑件实际最小壁厚是多少这是一个直接关系到塑件成本的问题。塑料成本往往占成本的40％，使用薄壁塑件就能大大降低塑件的用料成本，缩短冷却时间(冷却时间是塑件壁厚平方的函数)，提高生产效率，进而又降低了塑件的成本。(3)浇口的位置是否合适浇口的位置对产品的质量有至关重要的影响，适当运用模流分析方法能使产品设计者在设计时具有充分的选择浇口位置的余地，确保设计的审美特性，并同时满足合理的价格要求。2、模具设计和制造．流动分析可以在以下诸方面辅助设计者和制造者，以期得到良好的模具设计：(1)良好的充填形式对任何注塑来说，最重要的是控制充填的方式，采用模流分析则可以最大限度地避免或消除因为充填不好所造成的分子取向和翘曲变形，从而保证产品的质量和生产的经济性。(2)最佳的浇口位置及浇口数量为了对充填方式进行控制，模具设计者必须选择合适的浇口位置和浇口数量。模流分析使设计者有多种浇口位置的选择方案并对其影响作出评价。这一分析也可受塑件设计指导，以期外观质量及成型方面得到最佳的浇口平衡。(3)浇注系统的设计在模具设计中采用平衡式浇注系统，无论对设计者、制造者还是产品质量本身都是有利的。非平衡式浇注系统的设计是令设计者非常头痛的事情，它要经过大量修改、试模才达到较为理想的状态。而采用模流分析则可以帮助设计者较为轻松地设计出压力平衡、温度平衡或者压力、温度都平衡的非平衡式浇注系统。并可对流道内剪切速率和摩擦热进行估算。进而可以避免由于浇注系统设计的问题而使材料产生降解和型腔内过高的熔体温度。(4)冷却系统的设计通过冷却分析，可以合理的布置冷却水道，获得合理的冷却效果，缩短冷却时间、减少翘曲变形，提高制件质量。(5)减少返修成本模流分析可以提高模具一次试模成功的可能性。设计者和使用者都知道，模具的反复返工要耗损大量的时间和财力。模流分析使得在试模之前就可确认各种模具设计方案对模塑过程的影响，无疑将大大减少时间和财力的消耗。此外，未经反复返工的模具，其寿命也较长。3、成型工艺（1）更加宽广更加稳定的加工“裕度”模流分析对熔体温度、模具温度和注射速度等主要注塑加工参数的变动影响提出一个目标趋势。借助模流分析，注塑工便可估定各个加工参数的正确值，并确定其变动范围。会同模具设计者一起，选择使用最经济的设备，确定最佳的模具方案。（2）减少塑件应力和翘曲选择最好的加工参数使塑件残余应力最小。残余应力常常使塑件在成型后出现翘曲，甚至发生失效。（3）省料和减少过量充模采用模流分析技术一般可以节省5％的材料，这对大量生产来说是很有意义的。同时它还有助于消除因局部过量注射所造成的翘曲。（4）最小的流道尺寸和回收料成本模流分析有助于选定最佳的流道尺寸，从而尽量减小浇注系统的体积，减少流道部分塑料的冷却时间，缩短整个注塑周期，并将回收料成本降到最低。18.4注塑模CAE技术的发展概况1、一维流动分析一维流动分析采用有限差分法求解，可得到熔体的压力、温度分布以及所需的注射压力，一维流动分析计算速度快，流动前沿位置容易确定，可根据给定的流量和时间增量直接计算出下一时刻的熔体前沿位置，但仅局限于简单、规则的几何形状，在生产实际中的应用很受限制。对一维流动分析的研究始于二十世纪六十年代，研究对象主要是几何形状简单的圆管、矩形或中心浇注的圆盘等。2、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。所谓中面是指位于制件内外表面或模具型腔/型芯表面间的中心面。其模拟过程如图18-3所示。图18-3基于中面模型的模拟过程(a)3维实体/表面模型；（b）中面模型；（c）中面模型网格划分；（d）模拟结果显示在中面流技术中，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。由此推导得到广义Hele-Shaw模型，它适用于非等温、非牛顿、非弹性薄壁型腔的充模过程。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。控制体积法用来跟踪熔体流动前沿。中面流技术的简明、久经考验、计算量小、即算即得。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。但由于该技术对问题的简化使得分析结果信息不完整。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)专业的注塑模CAE软件造型功能较差，采用手工操作直接构造中面模型十分困难，建构过程往往需要花费大量的时间；(2)由CAE软件根据产品三维模型自动计算生成中面模型的效果不理想，网格修补工作量大；(3)由于CAD阶段使用的是产品的物理模型，而CAE阶段使用的是产品的数学模型，两者的不统一，使得二次建模不可避免。由此可见，中面模型已经成为了注塑模CAE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。3、双面流技术所谓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，其模拟过程如图18-4所示。图18-4基于双面流的模拟过程(a)3维实体/表面模型(STL格式)；(b)表面网格划分；(c)流动前沿显示显然，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。双面流技术既保留中面流全部技术特点又基于实体/表面技术模型。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，这样就大大减轻了用户建模的负担、降低了对用户的技术要求。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：上下对应表面的熔体流动前沿存在差别，使得双面流技术分析的准确性受到一定的限制；由于对问题的简化，使得分析结果数据不完整。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。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。4、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。三维流动模拟一直是当今塑料注塑领域中的研究热点，其技术难点多、经历实践考验的时间短、计算量巨大、计算时间过长。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。因此要真正推广基于实体流技术的注塑模CAE软件仍有待软件算法的改进和计算机硬件设备速度的提升。值得注意的是，注塑成型CAE分析是一种理想状态下的理论分析，并不能完全取代试模，且目前主流算法的局限性是CAE软件推广应用的瓶颈。注塑模CAE软件的发展经历了从中面流技术到双面流技术再到实体流技术的三个重要的里程碑。目前由于实体流和双面流技术算法的不完善，三种分析技术仍然并存。当前常用的做法是：对流道采用一维网格、对薄壁类制件采用中面或双面网格、对厚、粗的制件采用三维网格。18.5注塑模CAE专用软件CAE技术的出现，为注射模设计提供了可靠的保证，是模具设计史上的一次重大变革。如今国际市场上涌现出大量的注射模CAE商品化软件。1、MOLDFLOWMoldFlow软件是澳大利亚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，一直主导塑料成型CAE软件市场。2000年4月，收购了美国AC-Tech公司开发的世界著名的塑料成型分析软件C-Mold，推出了MPI3.0，该软件综合了Moldflow和C-Mold的功能。2008年5月1日，Autodesk宣布与Moldflow达成收购协议，Moldflow将作为其数字样机解决方案的一部分。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。企业通过Moldflow这一有效的优化设计制造的工具，可将优化设计贯穿于设计制造的全过程，彻底改变传统的依靠经验的“试错”的设计模式，使产品的设计和制造尽在掌握之中。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。2009年7月7日，欧特克公司宣布推出最新版本的AutodeskMoldflow2010软件，该软件包括AutodeskMoldFlowInsight(Moldflow高级成型分析专家，简称AMI)、AutodeskMoldFlowAdvisers(Moldflow塑件顾问，简称AMA)、AutodeskMoldFlowDesignLink（设计链接，简称MDL）、AutodeskMoldFlowCADDoctor、AutodeskMoldFlowStructuralAlliance（结构关联，简称MSA）、AutodeskMoldFlowCommunicator（Moldflow浏览器，简称AMC），具体信息如表18-1所述。表18-1AutodeskMoldflow2010产品系列及简介Moldflow产品系列说明AutodeskMoldFlowInsight(AMI)Moldflow高级成型分析专家；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。AutodeskMoldFlowAdvisers(AMA)Moldflo