注塑成型CAD_CAE技術概述.pdf

裝備制造技術2008年第12期裝備制造技術年第期裝備制造技術年第期隨著科技的進步，計算機水平的日益發(fā)展，CAD/CAE/CAM技術在現(xiàn)代模具設計生產(chǎn)中被廣泛的應用。使用計算機輔助技術不僅能夠提高一次試模成功率，而且可以使模具設計和制造在質量、性能及成本上都有很大程度的提升。圖1給出了使用CAD/CAE技術進行模具設計和制造的基本過程。1注塑成型CAD/CAE的內涵1.1計算機輔助設計（CAD）計算機輔助設計系統(tǒng)由硬件和軟件組成。其中硬件主要就是指計算機系統(tǒng)，包括主計算機、工作站、終端和輸出設備等。軟件包括系統(tǒng)程序、專業(yè)應用程序和各種輔助程序。計算機輔助設計的過程主要包括以下兩個環(huán)節(jié)：在樣品或圖紙基礎上利用CAD軟件進行三維造型；在真實感效果評價滿意的基礎上進行模具CAD設計。1.2計算機輔助工程分析（CAE）CAE技術是一門以CAD/CAM技術水平的提高為發(fā)展動力，以高性能計算機和圖形顯示設備為發(fā)展條件，以計算力學中的邊界元、有限元、結構優(yōu)化設計及模態(tài)分析等方法理論為基礎的一項較新的技術。注塑成型過程中，塑料在型腔中的流動和成型，與材料的性能、制品的形狀尺寸、成型溫度、成型速度、成型壓力、成型時間、型腔表面情況和模具設計等一系列因素有關。因此，對于新產(chǎn)品的試制或是一些形狀復雜、質量和精度要求較高的產(chǎn)品，即使是具有豐富經(jīng)驗的工藝和模具設計人員，也很難保證一次成功地設計出合格的模具。所以，在模具基本設計完成之后，可以通過注塑成型分析，發(fā)現(xiàn)設計中存在的缺陷，從而保證模具設計的合理性，提高模具的一次試模成功率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。注塑成型CAE分析的內容和結果為模具設計和制造提供可靠、優(yōu)化的參考數(shù)據(jù)。1.3注塑成型CAD/CAE的特點隨著CAD/CAE/CAM技術在模具行業(yè)的廣泛應用，傳統(tǒng)的模具設計、制造方法必將被取代，其強大的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）縮短模具制作周期。CAD系統(tǒng)內容豐富并且功能強大，在CAD數(shù)據(jù)庫中存有大量模具標準件信息，并且專業(yè)的CAD系統(tǒng)還可以提供模具設計的專家輔助系統(tǒng)，其中包含各類經(jīng)驗設計參數(shù)和常用設計方法可以減少設計人員因經(jīng)驗不足而不得不反復修?；ㄈサ臅r間，從而大大簡化常規(guī)設計的過程。電子化的計算機圖紙，不僅可以隨時修改，而且可以方便地輸出，大大縮短設計周期。數(shù)控機床加工的高效率是一般機床或鉗加工不能比擬的。（2）提高模具質量。計算機輔助設計系統(tǒng)內的專家設計系統(tǒng)為設計人員提供了可靠的科學依據(jù)。在計算機輔助設計的過程中，通過合理的人機交互過程，可以同時發(fā)揮設計人員和計算機系統(tǒng)的各自優(yōu)勢，從而使模具設計更加快速、合理。采用CAE技術通過計算機的合理模擬，為設計人員提供可靠的參考依據(jù)，從而優(yōu)化模具設計方案。（3）大幅度降低成本。在當今企業(yè)競爭白熱化的形式下，降低成本是企業(yè)致勝的法寶。利用CAD/CAM技術可以大大縮短設計和制造周期，同時節(jié)約大量的勞動力成本。采用計算機輔助注塑成型分析可以及早實現(xiàn)模具設計優(yōu)化，避免模具的反復修模、試模的過程，從而降低成本。（4）有效利用有限的人力資源，充分發(fā)揮設計人員的主觀注塑成型CAD/CAE技術概述張夕琴（常州機電職業(yè)技術學院，江蘇常州213164）摘要：利用現(xiàn)代的設計理論方法，結合計算機輔助技術來進行注塑模的設計和改進，能夠大幅度提高產(chǎn)品質量，縮短開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，從而提升企業(yè)的核心競爭能力。關鍵詞：注塑成型；CAD/CAE；概述中圖分類號：TP391.7文獻標識碼：A文章編號：1672-545X（2008）12-0127-03收稿日期:2008-09-19作者簡介：張夕琴（1968），女，江蘇丹陽人，講師，專業(yè)方向：機械設計。樣件或圖紙產(chǎn)品真實感效果評價CAD三維造型系統(tǒng)模具CAD設計YESYESNONO模具工程分析CAE模具CAM加工試模生產(chǎn)模具經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)圖1注塑成型CAD/CAE過程127EquipmentManufactringTechnologyNo.12，2008Equipmen能動性。利用CAD/CAE技術可以將設計人員從繁忙的計算和繪圖中釋放出來，充分發(fā)揮有限人力資源的最大優(yōu)勢，并且通過先進的設備和工具，可以使設計人員最大限度地發(fā)揮個人的主觀能動性，得到更多的創(chuàng)造性成果。（5）利于技術資料的儲備，提供企業(yè)的管理水平。CAD/CAE技術的應用可以使企業(yè)方便地整理和儲備企業(yè)技術資料，使企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)走上良性循環(huán)的軌道，同時應用計算機輔助技術可以使模具設計和制造更加科學合理，減少盲目性。2有限元分析注塑產(chǎn)品成型仿真及分析軟件采用的基本思想，一般是工程領域中最為常用的有限元方法，就是利用假想的線（或面）將連續(xù)的介質的內部和邊界分割成有限大小的、有限數(shù)目的、離散的單元來研究。這樣，就把原來一個連續(xù)的整體簡化成有限個單元的體系，從而得到真實結構的近似模型，最終的數(shù)值計算就是在這個離散化的模型上進行的。直觀上，物體被劃分成“網(wǎng)格”狀，在Moldflow中將這些單元稱為網(wǎng)格（mesh），如圖2所示。2.1有限元的基本思想1連續(xù)系統(tǒng)（包括桿系、連續(xù)體、連續(xù)介質）被假想地分割成數(shù)目有限的單元，單元之間只在數(shù)目有限的節(jié)點處相互連接，構成一個單元集合體來代替原來的連續(xù)系統(tǒng)。在節(jié)點上引進等效載荷（或邊界條件），代替實際作用于系統(tǒng)上的外載荷（或邊界條件）。由分塊近似的思想，對每個單元按一定的規(guī)則（由力學關系或選擇一個簡單函數(shù)）建立求解未知量與節(jié)點相互作用之間的關系（力-位移、熱量-溫度、電壓-電流等）。把所有單元的這種特性關系按一定的條件（變形協(xié)調條件、連續(xù)條件或變分原理及能量原理）集合起來，引入邊界條件，構成一組以節(jié)點變量（位移、溫度、電壓等）為未知量的代數(shù)方程組，求解它們就得到有限個節(jié)點處的待求變量。所以，有限元法實質上是把具有無限個自由度的連續(xù)系統(tǒng)理想化為只有有限個自由度的單元集合體，使問題轉化為適合于數(shù)值求解的結構型問題。有限元法是CAE中求解復雜工程問題的一種近似數(shù)值解法，被廣泛應用到力學、熱學、電磁學等各個學科，主要分析工作環(huán)境下物體的線性和非線性靜動態(tài)特性等性能。結構CAE技術是主要應用有限元法等技術，通過給定條件如材料屬性、負載條件、邊界條件、裝配連接設定等，對結構進行力學、熱學的分析及診斷，提供給用戶具體、形象的數(shù)據(jù)表達形式，提供結構設計校核數(shù)據(jù)。2.2有限元法求解問題的基本過程主要包括：分析對象的離散化、有限元求解、計算結果的處理三部分。由于計算機及計算技術的飛速發(fā)展，開發(fā)對象的自動離散及有限元分析結果的計算機可視化顯示技術“瓶頸”現(xiàn)象得以逐步解決，對象的離散從手工到半自動到全自動，從簡單對象的單維單一網(wǎng)格到復雜對象的多維多種網(wǎng)格單元，從單材料到多種材料，從單純的離散到自適應離散，從對象的性能校核到自動自適應動態(tài)設計、分析，計算結果的可視化顯示可對應力、應變和溫度等場的靜動態(tài)顯示、彩色調色顯示，也可對受載對象可能出現(xiàn)缺陷(裂紋等)的位置、形狀、大小及其可能波及區(qū)域等進行顯示。3CAE技術的發(fā)展3.1模塑CAE技術的發(fā)展注塑模CAE軟件的發(fā)展經(jīng)歷了從中面流技術到雙面流技術再到實體流技術的三個重要的里程碑。目前由于實體流和雙面流技術算法的不完善，三種分析技術仍然并存。中面流（Midplane）技術的應用始于20世紀80年代。中面就是提取的位于模具型腔和型芯中間的層面來簡化3D模型。用一維和二維的耦合算法和來代替三維計算。基于中面流技術的注塑流動模擬軟件應用的時間最長、范圍最廣。但實踐表明，基于中面流技術的注塑模CAE軟件在應用中具有很大的局限性：(1)專業(yè)的注塑模CAE軟件造型功能較差，采用手工操作直接構造中面模型十分困難，建構過程往往需要花費大量的時間；(2)由CAE軟件根據(jù)產(chǎn)品三維模型自動計算生成中面模型的效果不理想，網(wǎng)格修補工作量大；(3)由于CAD階段使用的是產(chǎn)品的物理模型，而CAE階段使用的是產(chǎn)品的數(shù)學模型，兩者的不統(tǒng)一，使得二次建模不可避免。由此可見，中面模型已經(jīng)成為了注塑模CAE技術發(fā)展的瓶頸。20世紀90年代后期雙面流（Fusion）技術誕生。雙面流是指在制品的內外表面產(chǎn)生有限元網(wǎng)格，而不是在中間面。目前基于雙面流技術的注塑模CAE軟件均可以將CAD系統(tǒng)輸出的三維模型的STL文件格式，轉化為有限元網(wǎng)格模型。因此與中面流技術相比，在模型處理上卻大大減輕了用戶建模的負擔，提高了有限元建模的效率。因此，基于雙面流技術的注塑模CAE軟件，在全世界擁有了龐大的用戶群，得到了廣大用戶的支持和好評。但由于上下表面網(wǎng)格無法一一對應，造成上下對應表面的熔體流動前沿存在差別，使得雙面流技術分析的準確性受到一定的限制。此外，雙面流技術也只是一種從中面流技術向實體流技術過渡的手段。實體流技術最終必將取代雙面流技術。由于中面流技術久經(jīng)考驗，計算速度快，分析圖2有限元模型128裝備制造技術2008年第12期裝備制造技術年第期裝備制造技術年第期TheApplicationofGripsinCurvedSurfaceModelingBasedonCAXA-ManufacturalEngineerSoftwareZHAOXin-ye1,2(1.CollegeofElectricalEnginneringGuangxiUniversity,Nanning530004,China2.GuangxiHydraulicandElectricPolytechnic,Nanning530023,China)Abstract：GripistheimportancepointsforcontrollingcharacteristiclocationinCADsgraphicobject.TakingfulladvantageofgripscanincreaseefficiencyinCAD/CAMmodeling.ButgripsdontappearinuseCAXA-Manufacturalengineersoftware.TG80G81G82G83G84G85G86G87G88G89G8AG8BG8CG8DG8EG8FG90G91G92G93G94G95G96G97G98G99G9AG9BG9CG9DG9EG9FGA0GA1GA2GA3GA4GA5GA6GA7GA8GA9GAAGABGACGADGAEGAFGB0GB1GB2GB3GB4GB5GB6GB7GB8GB9GBAGBBGBCGBDGBEGBFGC0GC1GC2GC3GC4GC5GC6GC7GC8GC9GCAGCBGCCGCDGCEGCFGD0GD1GD2GD3GD4GD5GD6GD7GD8GD9GDAGDBGDCGDDGDEGDFGE0GE1GE2GE3Keywords:grips；modeling；CAXA準確性高，至今仍然是注塑成型CAE分析的主流。3.2氣輔成型CAE模擬技術在產(chǎn)品設計、模具設計和制造以及制定成型工藝之前，通過CAE分析可以模擬熔體充填和氣體穿透情況，預測和發(fā)現(xiàn)原設計方案中潛在的問題，還可以對澆口位置、進氣點位置、流道尺寸、制件厚度和工藝條件等進行優(yōu)化設計。通過CAE分析還可以找到生產(chǎn)中制件缺陷產(chǎn)生的原因，并提出相對的改進方案。CAE分析軟件的內核是用于模擬熔體充填和氣體穿透的計算算法，分析結果通過人機界面以三維圖像或文本形式體現(xiàn)。輸入的信息主要是制件的CAD幾何造型、相關材料的性能參數(shù)等?？刂菩畔ㄓ脩艚?jīng)驗、工藝參數(shù)和計算參數(shù)等，用戶經(jīng)驗豐富與否對材料選擇、工藝參數(shù)制定和分析結果的準確程度都具有較大的影響，具有豐富的氣輔成型工藝經(jīng)驗和對軟件的深刻了解的操作人員，會極大地發(fā)揮CAE分析軟件的作用2。氣輔成型充填過程模擬技術，主要采用二維半模型的有限元、有限差分、體積控制混合法進行模擬分析。三維模型由于考慮溫度場時計算量大，而還沒有進入實質應用階段，但其計算精度高、模擬準確，是CAE模擬分析的發(fā)展趨勢。目前的氣輔成型CAE分析軟件，一般采用冪次模型或改進Cross模型描述熔體的流變行為。CAE分析軟件中一般帶有幾何建模軟件包，可以生成點、直線、圓弧、Spline線、平面、旋轉曲面、流道等，基本能夠滿足幾何建模和模型修改的需要。由于分析精度由所使用的有限元網(wǎng)格的大小決定，因此進行幾何造型時，小于網(wǎng)格尺寸的細節(jié)如圓角、小洞、臺階等可以忽略。對于復雜制件，可利用其它CAD軟件建立模型，然后再通過軟件的幾何模型接口程序讀入模型數(shù)據(jù)，并轉化為軟件缺省的模型格式。一般常用的接口格式有IGES和STL模型格式等35。4結束語隨著計算機硬件和軟件技術的發(fā)展，氣輔注塑成型的計算機輔助工程技術越來越受到人們的重視，工程技術人員設計氣輔注塑成型工藝參數(shù)，利用CAE技術可以在產(chǎn)品成型之前預測可能出現(xiàn)的缺陷，并通過修改某些參數(shù)做到各參數(shù)在整體上的最優(yōu)化。近年來CAE軟件由于在其功能上日益完善，因而使得CAD/CAE技術在生產(chǎn)實踐中發(fā)揮越來越大的作用。參考文獻：1王剛，單巖.Moldflow模具分析技術基礎M.北京：清華大學出版社,2005.2梁瑞鳳.德英美三國氣體輔助注塑技術的發(fā)展現(xiàn)狀J.化學通報，1997,（7）:58-62.3張華.氣體輔助注塑成型模擬的研究D.武漢:華中理工大學,19