基于 Moldflow 的環(huán)形外殼成型仿真分析

基于Moldflow對(duì)環(huán)形外殼的成型仿真分析黃旗忠021100817摘要:Moldflow軟件是美國Moldflow公司的產(chǎn)品,應(yīng)用Moldflow分析軟件對(duì)環(huán)形外殼進(jìn)行注塑模擬分析以得到較佳的模具設(shè)計(jì)方案以及優(yōu)化制件,并據(jù)此進(jìn)行了注塑模具設(shè)計(jì)與制造。通過導(dǎo)入模型、劃分網(wǎng)格及網(wǎng)格處理、澆注系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選擇分析類型和材料、設(shè)置工藝參數(shù)、結(jié)果分析及優(yōu)化等方面的內(nèi)容、結(jié)合詳細(xì)介紹了充填分析、冷卻分析、翹曲分析等。本論文以介紹環(huán)形外殼為研究對(duì)象，以促進(jìn)讀者對(duì)有限元軟件的了解，能通過注塑模擬軟件成型過程進(jìn)行模擬分析，從而熟悉末流分析的方法，從分析結(jié)果中查找出現(xiàn)的各種缺陷的原因，并且找到解決問題的思路及方法。關(guān)鍵詞:冷卻;翹曲;Moldflow;引言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD/CAE/CAM技術(shù)日趨完善，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以進(jìn)行模具的造型，模具設(shè)計(jì)，以及輔助制造等。模具設(shè)計(jì)的質(zhì)量也可以通過成熟的CAE軟件（如Moldflow）進(jìn)行模流分析，易獲得模具設(shè)計(jì)的合理建議，代替實(shí)際的試模，預(yù)測設(shè)計(jì)中潛在的缺陷和制品結(jié)構(gòu)。本文利用Moldflow/MPI對(duì)環(huán)形外殼進(jìn)行成型仿真分析。一、分析前的準(zhǔn)備本論文要闡述的對(duì)象是環(huán)形外殼，如下圖：進(jìn)行仿真分析前應(yīng)做好一些準(zhǔn)備工作具體步驟如下：按照默認(rèn)工藝設(shè)置,模具表面溫度為40℃，熔體溫度為220℃來進(jìn)行分析。1、運(yùn)行MPI。安裝完成后，如同運(yùn)行任何其它windows程序一樣。2、打開一個(gè)工程：單擊菜單文件→新建工程，出現(xiàn)下拉式菜單，出現(xiàn)如下的窗口，自己取一個(gè)名稱并輸入。3、然后確定，再在菜單中選擇文件→輸入，輸入一個(gè)分析模型，以便進(jìn)行分析。輸入桌面目錄下moldflow下的2180265.IGS，輸入網(wǎng)格類型是Fusion，點(diǎn)擊確定，如下圖：輸入模型時(shí)，以fusion方式劃分分析單元,輸入模型后，出現(xiàn)study分析界面：其中的study名稱可以修改。一個(gè)工程是針對(duì)一個(gè)模型來分析的，可對(duì)同一模型進(jìn)行多次分析，以便比較不同的方案，獲得好的設(shè)計(jì)結(jié)果?？芍苯訂螕糨斎雜tudy的名稱，下面的窗口是study方案任務(wù)，也就是當(dāng)前分析的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置情況。4、查看模型，可以用下面的工具欄如按下旋轉(zhuǎn)工具可以將模型旋轉(zhuǎn)到其它角度來觀察5、選擇成型所用材料?？梢杂貌藛畏绞讲僮?，也可以雙擊如圖所示快速進(jìn)入材料選擇窗口。這里我們選擇制品材料為聚丙烯(PP)6、創(chuàng)建網(wǎng)格，網(wǎng)格→生成網(wǎng)格→立即劃分網(wǎng)格7、進(jìn)行網(wǎng)格診斷→縱橫比診斷，采用不同的修復(fù)工具對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)直到縱橫比小于6，如下：8、設(shè)置分析順序，分析→設(shè)置分析順序→澆口位置9、立即分析，等待分析完成后，勾選最佳澆口位置，可判斷何處可能較適合設(shè)置澆口，如下圖：10、設(shè)置分析順序，分析→設(shè)置分析順序→充填這里我們采用一模一腔的方案經(jīng)過對(duì)該環(huán)形產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析，和模具設(shè)計(jì)的可行性判斷，設(shè)置如下的注射位置（即澆口位置），采用輪輻澆口形式，如下圖：11、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在菜單欄下有個(gè)建模，由點(diǎn)構(gòu)線，通過生成網(wǎng)格成實(shí)體。最終澆注系統(tǒng)如下：12、進(jìn)行連通性診斷，連通性診斷指診斷澆注系統(tǒng)和塑件模型網(wǎng)格之間是否連通為一個(gè)整體，澆注系統(tǒng)與塑件模型完全不連通時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示分析失敗。選擇菜單，網(wǎng)格→網(wǎng)格診斷→連通性診斷如下圖二、分析結(jié)果1、充填分析：1.1充填分析簡介：注射成型的充填過程是指塑料充模的過程。這一階段從柱塞或者螺桿向前移動(dòng)開始將位于儲(chǔ)料區(qū)已經(jīng)俗話完畢而呈現(xiàn)熔融狀態(tài)的塑料射入型腔中，直到型腔被塑料熔體充滿為止。充填開一段時(shí)間內(nèi)型腔中沒有壓力，待型腔充滿時(shí)，料流壓力迅速上升而達(dá)到最最大值。充填時(shí)間與模塑壓力有關(guān)。充填的時(shí)間越長，先進(jìn)入模內(nèi)的塑料熔體，受到較多的冷卻，后面的塑料熔體就需要在較高的壓力下才能進(jìn)入塑模。反正所需的壓力則小。在前一周情況下由于熔體受到較大的剪切應(yīng)力，分子取向程度較大。這種現(xiàn)象如果保留到料溫降低至軟化點(diǎn)以后，則塑件中凍結(jié)的取向分子將至塑件具有各項(xiàng)異性。這種塑件在溫度變化較大的使用過程中會(huì)出現(xiàn)裂紋，裂紋的方向與分子取向一致。而且，塑件的熱穩(wěn)定性也較差，這是因?yàn)樗芰系能浕c(diǎn)隨著分子取向增高而降低。充填過程是塑件在型腔中或成型的起始步驟，因此，是一個(gè)十分重要的過程。由于關(guān)聯(lián)到塑料流動(dòng)及傳熱，塑料性質(zhì)會(huì)隨溫度壓力及剪切速率等變量分布而異，加上熔體流動(dòng)前沿是隨時(shí)間二異的自由流動(dòng)，因此，也是一個(gè)十分復(fù)雜的過程。Moldflow中的充填分析可以對(duì)塑料熔體從開始進(jìn)入型腔直到充滿型腔的整個(gè)過程進(jìn)行模擬。1.2充填分析的目的：充填分析的目的是得到塑料熔體在型腔中的充填行為報(bào)告，獲得最佳澆口設(shè)計(jì)，主要用于查看塑件的充填行為是否合理，充填是否平衡，能否完成對(duì)塑件的完全充填等。它的分析結(jié)果包括充填時(shí)間、壓力、流動(dòng)前沿溫度、分子取向、剪切速率、氣穴、熔接痕等。分析結(jié)果有助于選擇最佳澆口位置、澆口數(shù)目。最佳澆注系統(tǒng)布局。1.3充填分析：點(diǎn)擊立即分析，求解器開始分析計(jì)算。通過分析計(jì)算中的分析日志，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控分析的整個(gè)過程。1.4分析結(jié)果解讀：分析結(jié)束后，在日志前打鉤，則會(huì)出現(xiàn)如下的內(nèi)容，可選擇相應(yīng)的分析內(nèi)容。充填時(shí)間從圖中的分析結(jié)果可以看出，充填時(shí)間較為均勻，流動(dòng)較為均衡。2）流動(dòng)前沿溫度可以看出，流動(dòng)前沿溫度分布范圍在229.6℃～230.5℃之間，而本次分析所采用的料溫為230℃，比較兩者可以看出，流動(dòng)前沿溫度與料溫較為接近，這說明制件填充情況較好，無遲滯現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)也意味著結(jié)合線將會(huì)有很高的強(qiáng)度。3）氣穴和熔接痕從圖中可以看出氣穴位置都在制品的外表面，因此可以利用分型面排氣，不需要開排氣槽。從圖中可以看到，塑料件的孔洞結(jié)構(gòu)附近出現(xiàn)線狀熔接痕，原因是熔料在匯合處融合不完全，可通過適當(dāng)提高料溫、提高注塑壓力來改善。2、冷卻分析2.1冷卻分析簡介塑料熔體進(jìn)入型腔內(nèi)的流動(dòng)情況可分為充填、壓實(shí)、倒流和澆口凍澆口的冷卻四個(gè)階段。澆口凍結(jié)后的冷卻階段，是指從澆口的塑料熔體完全凍結(jié)時(shí)起，直到塑件從型腔中頂出時(shí)為止。型腔內(nèi)壓力迅速下降，型腔內(nèi)熔體在這一階段內(nèi)主要是繼續(xù)進(jìn)行冷卻，以便塑件在脫模時(shí)具有足夠的剛度而不發(fā)生扭曲變形。這一段內(nèi)雖無塑料熔體從澆口流出或流進(jìn)，但型腔內(nèi)還可能有少量的流動(dòng)，因此，依然能產(chǎn)生少量的分子取向。由于型腔內(nèi)塑料熔體的溫度、壓力和體積在這一階段均有變化，大奧塑件脫模時(shí)，型腔內(nèi)壓力不一定等于外界壓力，型腔內(nèi)壓力與外極品壓力的差值稱為殘余壓力。殘余壓力的大小與壓實(shí)階段的時(shí)間長短有關(guān)。殘余壓力為正值時(shí)，脫模較困難，塑件容易被刮傷或破裂；殘余壓力為負(fù)值時(shí)，塑件容易發(fā)生凹陷或內(nèi)部有真空泡。所以殘余壓力接近零時(shí)，脫模才比較順利并能獲得滿意的塑件。另外，塑料熔體自進(jìn)入型腔后即被冷卻，直至脫模時(shí)為止，如果冷卻過急或模具與熔體接觸的各部分不同，則由于冷卻不均勻就會(huì)導(dǎo)致收縮不均勻，所得塑件將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

為了調(diào)節(jié)型腔的溫度，需要在模具內(nèi)開設(shè)冷卻系統(tǒng)，通過模溫調(diào)節(jié)機(jī)調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的溫度。在進(jìn)行模具的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要確定的設(shè)計(jì)參數(shù)有，冷卻管道位置、冷卻管道尺寸、冷卻管道類型、冷卻管道的布局與連接、冷卻管道回路長度、冷卻介質(zhì)的流動(dòng)速率。衡量注射模冷卻系統(tǒng)的優(yōu)劣有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：第一是使注射成型冷卻時(shí)間最短；第二是使注射塑件表面溫度均勻，以減少塑件變形。影響注射成型冷卻系統(tǒng)的因素有很多，包括塑件的幾何形狀、冷卻介質(zhì)、流速、溫度、冷卻管道的布置、模具材料、熔體溫度、塑件頂出溫度、模具溫度等。用實(shí)驗(yàn)的方法測試不同冷卻系統(tǒng)對(duì)冷卻時(shí)間和塑件質(zhì)量的影響是很困難的，而計(jì)算機(jī)模擬可以完成這種預(yù)測。在Moldflow軟件中，冷卻系統(tǒng)用來模擬塑料熔體在模具內(nèi)的熱量傳遞情況，從而可以判斷塑件冷卻效果的優(yōu)劣，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的設(shè)置，縮短塑件的成型周期，提高生產(chǎn)效率，提高塑件成型的質(zhì)量。2.2冷卻分析分析→設(shè)置分析順序→冷卻工藝設(shè)置采取默認(rèn)的2.3冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)點(diǎn)擊上圖中的創(chuàng)建冷卻回路。創(chuàng)建結(jié)果如下圖2.4冷卻分析及結(jié)果解讀回路冷卻介質(zhì)溫度的結(jié)果，由圖可以看出，冷卻液溫差為0.33℃，符合要求?；芈饭鼙跍囟鹊慕Y(jié)果。從圖可以看出，冷卻分析達(dá)的回路管壁溫度比冷卻液入口溫度高0.91℃，小于5℃，符合要求。故該冷卻分析方案還是滿足冷卻要求的，冷卻效果較好。3、翹曲分析3.1翹曲分析簡介

1）翹曲產(chǎn)生的原因

：什么是翹曲？翹曲就是不均勻的內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致的逐漸變形缺陷。注射成型的塑件為什么產(chǎn)翹曲？其原因在于收縮不均。制件不同區(qū)域收縮不均勻、厚度方向的收縮不均勻或者與材料分子取向和垂直方向的收縮不均勻優(yōu)惠導(dǎo)致翹曲的產(chǎn)生。

2）翹曲的分類翹曲可分為兩中形式，穩(wěn)定翹曲和非穩(wěn)定翹曲。

3）翹曲分析的目的

進(jìn)行翹曲分析的目的主要目的是無額定制品翹曲變形的結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求，如果不能滿足要求則給出產(chǎn)生翹曲變形的主要原因。

3.2翹曲分析分析→設(shè)置分析順序→冷卻+流動(dòng)+翹曲，點(diǎn)擊繼續(xù)分析3.3翹曲分析結(jié)果解讀將變形量最大的因素作為導(dǎo)致制品發(fā)生翹曲的首要因素。假如制件的精度為