注塑成型CAD_CAE技術(shù)概述.pdf

裝備制造技術(shù)2008年第12期裝備制造技術(shù)年第期裝備制造技術(shù)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(shù)在現(xiàn)代模具設(shè)計生產(chǎn)中被廣泛的應(yīng)用。使用計算機輔助技術(shù)不僅能夠提高一次試模成功率，而且可以使模具設(shè)計和制造在質(zhì)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(shù)進行模具設(shè)計和制造的基本過程。1注塑成型CAD/CAE的內(nèi)涵1.1計算機輔助設(shè)計（CAD）計算機輔助設(shè)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(shè)備等。軟件包括系統(tǒng)程序、專業(yè)應(yīng)用程序和各種輔助程序。計算機輔助設(shè)計的過程主要包括以下兩個環(huán)節(jié)：在樣品或圖紙基礎(chǔ)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(chǔ)上進行模具CAD設(shè)計。1.2計算機輔助工程分析（CAE）CAE技術(shù)是一門以CAD/CAM技術(shù)水平的提高為發(fā)展動力，以高性能計算機和圖形顯示設(shè)備為發(fā)展條件，以計算力學(xué)中的邊界元、有限元、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及模態(tài)分析等方法理論為基礎(chǔ)的一項較新的技術(shù)。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(shè)計等一系列因素有關(guān)。因此，對于新產(chǎn)品的試制或是一些形狀復(fù)雜、質(zhì)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(shè)計人員，也很難保證一次成功地設(shè)計出合格的模具。所以，在模具基本設(shè)計完成之后，可以通過注塑成型分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的缺陷，從而保證模具設(shè)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(nèi)容和結(jié)果為模具設(shè)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(shù)在模具行業(yè)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的模具設(shè)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(nèi)容豐富并且功能強大，在CAD數(shù)據(jù)庫中存有大量模具標(biāo)準(zhǔn)件信息，并且專業(yè)的CAD系統(tǒng)還可以提供模具設(shè)計的專家輔助系統(tǒng)，其中包含各類經(jīng)驗設(shè)計參數(shù)和常用設(shè)計方法可以減少設(shè)計人員因經(jīng)驗不足而不得不反復(fù)修模花去的時間，從而大大簡化常規(guī)設(shè)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(shè)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(zhì)量。計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)的專家設(shè)計系統(tǒng)為設(shè)計人員提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。在計算機輔助設(shè)計的過程中，通過合理的人機交互過程，可以同時發(fā)揮設(shè)計人員和計算機系統(tǒng)的各自優(yōu)勢，從而使模具設(shè)計更加快速、合理。采用CAE技術(shù)通過計算機的合理模擬，為設(shè)計人員提供可靠的參考依據(jù)，從而優(yōu)化模具設(shè)計方案。（3）大幅度降低成本。在當(dāng)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(shù)可以大大縮短設(shè)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(shè)計優(yōu)化，避免模具的反復(fù)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(shè)計人員的主觀注塑成型CAD/CAE技術(shù)概述張夕琴（常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213164）摘要：利用現(xiàn)代的設(shè)計理論方法，結(jié)合計算機輔助技術(shù)來進行注塑模的設(shè)計和改進，能夠大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)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(guān)鍵詞：注塑成型；CAD/CAE；概述中圖分類號：TP391.7文獻標(biāo)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(shè)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(shè)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(shù)可以將設(shè)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(shè)備和工具，可以使設(shè)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(shù)資料的儲備，提供企業(yè)的管理水平。CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用可以使企業(yè)方便地整理和儲備企業(yè)技術(shù)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(yīng)用計算機輔助技術(shù)可以使模具設(shè)計和制造更加科學(xué)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(lǐng)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(zhì)的內(nèi)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(jié)構(gòu)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(zhì)）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(gòu)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(xué)關(guān)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(guān)系（力-位移、熱量-溫度、電壓-電流等）。把所有單元的這種特性關(guān)系按一定的條件（變形協(xié)調(diào)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(gòu)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(zhì)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(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)型問題。有限元法是CAE中求解復(fù)雜工程問題的一種近似數(shù)值解法，被廣泛應(yīng)用到力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等各個學(xué)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(jié)構(gòu)CAE技術(shù)是主要應(yīng)用有限元法等技術(shù)，通過給定條件如材料屬性、負載條件、邊界條件、裝配連接設(shè)定等，對結(jié)構(gòu)進行力學(xué)、熱學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)果的處理三部分。由于計算機及計算技術(shù)的飛速發(fā)展，開發(fā)對象的自動離散及有限元分析結(jié)果的計算機可視化顯示技術(shù)“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(fù)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(yīng)離散，從對象的性能校核到自動自適應(yīng)動態(tài)設(shè)計、分析，計算結(jié)果的可視化顯示可對應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等場的靜動態(tài)顯示、彩色調(diào)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(shù)的發(fā)展3.1模塑CAE技術(shù)的發(fā)展注塑模CAE軟件的發(fā)展經(jīng)歷了從中面流技術(shù)到雙面流技術(shù)再到實體流技術(shù)的三個重要的里程碑。目前由于實體流和雙面流技術(shù)算法的不完善，三種分析技術(shù)仍然并存。中面流（Midplane）技術(shù)的應(yīng)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?；谥忻媪骷夹g(shù)的注塑流動模擬軟件應(yīng)用的時間最長、范圍最廣。但實踐表明，基于中面流技術(shù)的注塑模CAE軟件在應(yīng)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(gòu)造中面模型十分困難，建構(gòu)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(xué)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(shù)發(fā)展的瓶頸。20世紀90年代后期雙面流（Fusion）技術(shù)誕生。雙面流是指在制品的內(nèi)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(shù)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(zhuǎn)化為有限元網(wǎng)格模型。因此與中面流技術(shù)相比，在模型處理上卻大大減輕了用戶建模的負擔(dān)，提高了有限元建模的效率。因此，基于雙面流技術(shù)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(yīng)，造成上下對應(yīng)表面的熔體流動前沿存在差別，使得雙面流技術(shù)分析的準(zhǔn)確性受到一定的限制。此外，雙面流技術(shù)也只是一種從中面流技術(shù)向?qū)嶓w流技術(shù)過渡的手段。實體流技術(shù)最終必將取代雙面流技術(shù)。由于中面流技術(shù)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(shù)2008年第12期裝備制造技術(shù)年第期裝備制造技術(shù)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(zhǔn)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(shù)在產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)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(yù)測和發(fā)現(xiàn)原設(shè)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(shè)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(nèi)核是用于模擬熔體充填和氣體穿透的計算算法，分析結(jié)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(guān)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(jié)果的準(zhǔn)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(shù)，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(zhì)應(yīng)用階段，但其計算精度高、模擬準(zhǔn)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(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)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(jié)束語隨著計算機硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，氣輔注塑成型的計算機輔助工程技術(shù)越來越受到人們的重視，工程技術(shù)人員設(shè)計氣輔注塑成型工藝參數(shù)，利用CAE技術(shù)可以在產(chǎn)品成型之前預(yù)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(shù)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(shù)基礎(chǔ)M.北京：清華大學(xué)出版社,2005.2梁瑞鳳.德英美三國氣體輔助注塑技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀J.化學(xué)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(xué),19