注塑過程的數(shù)值模擬.pdf

模 具 技 術(shù) 2 0 0 5 . N o . 37 塑料的注塑過程是一個非常復雜的過程非 牛頓的高溫塑料熔體在注塑壓力的作用下通過澆 注系統(tǒng)流向低溫的模具型腔熔體由于模具傳熱 而快速冷卻同時因剪切力的作用產(chǎn)生熱量另 外還伴隨著體積收縮分子取向和結(jié)晶等過程 在以往的注塑模具設計中設計人員主要憑工作 經(jīng)驗和試模的方法來對注塑過程的工藝參數(shù)進行 分析和選擇數(shù)值模擬技術(shù)極大地改善了這一狀 況它可以使設計人員對注塑過程進行模擬分 析并對工藝參數(shù)進行優(yōu)化I . P a n d e l i 和Q . Z h o u 較早運用該項技術(shù)對塑料的注塑過程進行研究 1 國內(nèi)學者 2 5 也運用數(shù)值模擬技術(shù)對注塑過程進 行了大量的研究 文章編號1 0 0 1 - 4 9 3 4 ( 2 0 0 5 ) 0 3 - 0 0 0 7 - 0 4 注塑過程的數(shù)值模擬 李鵬陽楊明順朱江新袁啟龍李言 西安理工大學機械工程與精密儀器學院陜西西安7 1 0 0 4 8 摘要針對塑料熔體的特性建立數(shù)學模型并根據(jù)實際情況對有限元模型進行簡化采 用大型有限元分析軟件A N S Y S 對注塑模的瞬態(tài)注塑過程進行數(shù)值模擬得到塑料熔體在型 腔中的速度分布和壓力分布通過不同工藝參數(shù)條件下的結(jié)果進行對照分析可以對工藝參 數(shù)做出合理的選擇實驗表明該數(shù)值模擬法確實能對塑料注射過程的參數(shù)進行優(yōu)化為設 計塑料注射過程工藝參數(shù)提供了一種行之有效的途徑 關(guān)鍵詞塑料注射工藝有限元工藝參數(shù) 中圖分類號O 2 4 2 . 2 1文獻標識碼A A b s t r a c t : T h e m a t h e m a t i c m o d e l i s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f p l a s t i c m e l t T h e F E M m o d e l i s s i m p l i f i e d a c c o r d i n g t o a c t u a l s i t u a t i o n T h e t r a n s i e n t i n j e c t i o n m o l d i n g p r o c e s s i s s i m u l a t e d n u m e r i c a l l y b y l a r g e - s c a l e F E M s o f t w a r e A N S Y S T h e v e l o c i t y d i s t r i b u - t i o n a n d p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n o f p l a s t i c m e l t i n m o l d a r e o b t a i n e d B y t h e c o n t r a s t t o t h e r e s u l t s a t d i f f e r e n t p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s t h e p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s c a n b e s e l e c t e d p r o p e r l y T h e e x p e r i m e n t p r o v e s t h a t t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n m e t h o d c a n o p t i m i z e t h e p a r a m e t e r s o f i n j e c t i o n m o l d i n g I t s a n e f f e c t i v e m e t h o d f o r t h e d e s i g n o f p l a s t i c i n j e c t i o n m o l d i n g K e y w o r d s : p l a s t i c i n j e c t i o n p r o c e s s F E M p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s 收稿日期2 0 0 5 - 0 1 - 1 2 作者簡介李鵬陽1 9 7 2男講師 1注塑過程分析的數(shù)學模型 粘性流體力學的 3個基本方程的矢量形式 如下 3 1 連續(xù)方程1 2 運動方程 2 3 能量方程 3 8D i e a n d M o u l d T e c h n o l o g y N o . 3 2 0 0 5 式中流體密度 t時間 v流動速度矢量 Fm單位質(zhì)量流體所受外力矢量 p流體壓力 Fv i s c單位質(zhì)量流體所受粘性力矢量 e流體的比內(nèi)能 能量耗散系數(shù) Q外界傳給單位體積流體的熱量 由于注塑件一般為薄壁件因此型腔可以假 設為相距很近的兩塊平行平板塑料熔體在其中 的流動可以視為廣義H e l e - S h a w 流動 6 基于充 填過程的特點對二維粘性流體力學基本方程進 行簡化從而得到熔體在型腔中流動過程的控制 方程 4 5 6 式中x y平面坐標 z厚度方向坐標 u vx y 方向的速度分量 粘度 cp比定壓熱容 熱導率 T溫度 利用粘附邊界條件和對稱邊界條件基于連 續(xù)性方程和動量方程可推導出充填過程壓力場 控制方程 7 2注塑過程的有限元分析 注塑過程的有限元分析是將問題的求解區(qū)域 劃分為一系列小的單元各個單元之間僅靠節(jié)點 連接單元內(nèi)部點的待求量可由單元節(jié)點量通過 選定的函數(shù)關(guān)系插值求得運用 A N S Y S對塑料 熔體充填過程進行模擬分析主要包括以下幾個步 驟 1 幾何模型的建立對于復雜的實體 A N S Y S可以通過 I G E S P R O / E A C I S 等格式從 A u t o C A D P r o / E U G S o l i d E d g e 等繪圖軟件導 入 2 網(wǎng)格劃分采用映射網(wǎng)格劃分法增加 固定壁面處網(wǎng)格密度有利于求得精確解 3 確定邊界條件并施加載荷固定壁面處 各向速度壓力為 0 入口處施加速度壓力載 荷在固定壁面和入口處施加不同的溫度約束 4 運算求解選擇求解器設置松弛系 數(shù)選擇要求解的控制方程 5 后處理顯示并查看結(jié)果 3應用舉例 圖 1所示帶有注塑余料的尺寸為1 0 m m 1 0 0 m m3 . 2 m m標準樣件的實體模型現(xiàn)用 A N S Y S的 F L O T R A N模塊對塑料熔體的充填過 程進行數(shù)值模擬表 1列出了兩組注塑工藝參 圖 1 實體模型 參數(shù) 組別 工藝參數(shù)1 工藝參數(shù)2 注射時間 s 3 3 注射壓力 M P a 1 1 0 5 5 入口處注射速度 m / s V x2 V y0 V x2 V y0 表 1 注塑過程的工藝參數(shù) 模 具 技 術(shù) 2 0 0 5 . N o . 39 數(shù)其中 VxVy分別表示 x和 y方向的速度 分別采用這兩組工藝參數(shù)為載荷對塑料熔體的注 塑過程進行數(shù)值模擬最后對獲得的速度分布曲 線進行分析以判斷哪一組工藝參數(shù)更為合理 3 . 1有限元模型及其邊界條件的施加 采用1 / 4 模型的二維軸對稱平面模型選用 F L U I D 1 4 1 單元劃分網(wǎng)格后的模型如圖2 所示 共有9 6 0 個單元9 4 4 個節(jié)點在注塑成形過程 中充填時間與給定型腔厚度下的冷卻時間相比 非常短因而熱力學性能為常值的假定對于型腔 充填過程分析是合適的 7 材料選用 A B S 表 2 給出了其物性參數(shù) 為了便于描述和分析在圖2 中規(guī)定3 條路 徑 A B B C C D 其中路徑 A B代表對稱軸 線B C代表模具的型腔底面C D代表模具的 型腔側(cè)面A 端為塑料熔體的入口模具壁面溫 度 3 2 3 K 入口處塑料熔體溫度 4 9 3 K 固定壁面 處各向速度壓力為 0 對稱邊界處Vy= 0 密度 k g / m 3 8 9 6 粘度 c m 2 / s 1 0 9 導熱系數(shù) W /m . K 0 . 1 3 比定壓熱容 J /k g . K 1 9 0 0 表 2 塑料熔體的物性參數(shù) 3 . 2數(shù)值模擬和結(jié)果分析 圖3 圖4 分別顯示了塑料熔體在工藝參數(shù) 條件1 2 下的速度和壓力分布曲線比較圖3 圖4 可知減小入口注塑壓力塑料熔體的注塑 速率也跟著減小并且圖3 的速度分布曲線比圖 4 的速度分布曲線更加平穩(wěn)這說明工藝參數(shù) 1 比工藝參數(shù) 2 更為合理 由圖3 圖4 可以看出塑料熔體在入口處 的一小段距離內(nèi)速度急劇增長然后在大部分距 離內(nèi)趨于平穩(wěn)下降快到達底面時速度又急劇減 圖 2 有限元模型 小說明有阻力存在這種阻力是由回流的塑料 熔體產(chǎn)生的 現(xiàn)在分別對各路徑的速度和壓力進行分析 圖 5 圖 6分別顯示了路徑 B C上的塑料熔體在 工藝參數(shù)1 條件下的速度和壓力分布狀況圖7 圖 8 分別顯示了路徑 C D 上的塑料熔體在工藝參 數(shù) 1 條件下的速度和壓力分布狀況 對圖5 6 7 8 進行觀察比較并考慮到 路徑 B C 的對稱性可得到如下結(jié)論塑料熔體 在型腔底面和側(cè)面的速度壓力呈對稱的拋物線 分布也就是說熔體要先到達壁面再填充角 圖 3 路徑 A B 上的速度分布( 工藝條件 1 ) 圖 4 路徑 A B 上的速度分布( 工藝條件 2 ) 圖 5路徑 B C上的速度分布 10D i e a n d M o u l d T e c h n o l o g y N o . 3 2 0 0 5 痕這是在塑件表面質(zhì)量方面要考慮的問題 5結(jié)論 1 具有對稱型腔結(jié)構(gòu)的注塑模其注塑過 程可以簡化為二維對稱結(jié)構(gòu)來進行有限元分析 2 采用 A N S Y S有限元程序?qū)λ芰先垠w的 充填過程進行了數(shù)值模擬并得到不同工藝參數(shù) 條件下的速度壓力分布曲線對其進行對比可 以優(yōu)化工藝參數(shù) 參考文獻 1 P a n d e l i d i s IZ h o u QO p t i m i z a t i o n o f I n j e c t i o n M o l d - i n g D e s i g nP a r t I G a t e L o c a t i o n O p t i m i z a t i o n J P o l y - m e r E n g i n e e r i n g a n d S c i e n c e1 9 9 03 01 5 8 7 3 8 8 2 2 申長雨 橡塑模具優(yōu)化設計技術(shù) M 北京 化學工業(yè) 出版社 1 9 9 7 3 劉春太 董斌斌等 基于充填分析的注塑模澆口位置 優(yōu)化設計研究 J 工程塑料應用 2 0 0 23 03 4 9 5 1 4 余曉容 申長雨等 基于靈敏度分析的擠出平縫口模 優(yōu)化設計 J 工程塑料應用 2 0 0 23 09 4 5 4 8 5 項輝宇 流動模擬技術(shù)在洗衣機面板模具設計中的應 用 J 模具工業(yè) 2 0 0 2 1 1 7 1 0 6 生井武文 井上雅弘 粘性流體力學 M 北京 海洋出 版社 1