注塑模CAE技术（一）

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    引言 
    塑料产品从产品设计到成型生产包括塑料制品设计、模具设计、模具制造和注塑工艺参数选择等几个主要方面。传统的注塑模具设计主要依靠设计人员的经验，而注塑成型过程非常复杂，塑料熔体的流动性能千差万别，制品和模具的结构千变万化，工艺条件各不相同，成型缺陷各式各样，模具设计往往需要反复的试模、修模才能投入生产，很少有一次成功的，发现问题后，不仅要重新调整工艺参数，甚至要修改塑料制品和模具，不但费时费力，而且降低了产品的开发速度。而利用注塑模CAE技术可以在模具制造前，模拟注塑过程（包括充填、保压及冷却）并及早发现问题，优化模具设计和工艺条件设定，减少试模次数以提高生产效率，现已成为注塑加工技术的一个重要发展方向。 
    注塑模CAE技术的历史 
    注塑模CAE技术是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建立熔体在模具型腔中的流动、传热的物理、数学模型，利用数值计算理论构造其求解方法，利用计算机可视化技术形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态填充、冷却过程的一门分析技术。 
    20世纪60年代，英国、美国和加拿大等国的学者如J.R.Pearson(英)、J.F.Stevenson（美）、M.R.Kamal(加)和K.K.Wang(美)等开展了一系列有关塑料熔体在模具型腔内流动与冷却的基础研究。在合理的简化基础上，60年代完成了一维流动与冷却分析程序，70年代完成了二维冷却分析程序，80年代注塑模CAE技术开始从理论研究进入实用化阶段，开展了三维流动与冷却分析并把研究扩展到保压、纤维分子取向以及翘曲预测等领域。进入90年代后开展了流动、保压、冷却和应力分析等注塑工艺全过程的集成化研究。 
    CAE技术的出现，为注塑模设计提供了可靠的保证，它的应用是模具设计史上的一次重大变革。   
    注塑模CAE技术的作用 
    利用传统方法设计注塑模具，设计成功与否将很大程度上依赖设计者的经验，而且对复杂零件浇口位置的合理与否，排气槽位置的设置、熔接线位置的确定等都十分困难。模具在交付使用之前一般需经过反复试模修改，直到得到合格的制品为止，从而不可避免地造成了生产周期的延长，而且一般也难以得到最优的设计方案和工艺参数。而利用注塑模CAE技术设计模具则不然，由于在模具设计构思阶段，可利用注塑模CAE 技术进行流动过程模拟，使得通常只有在模具试模阶段才能发现的问题，如短射，熔接线或气孔出现在外观零件表面等问题得以避免。同时帮助设计人员完成诸如流道系统的平衡设计，排气槽的设置，合理确定注塑工艺参数等工作，这样使得通常在必须反复试模修改而确定的模具结构参数和工艺参数在模具设计构思阶段得以确定，缩短了模具设计制造周期、提高了模具设计质量。 
    所以注塑模CAE软件的作用主要表现为： 
    （1）优化塑料制品设计 
    塑料的壁厚、浇口的数量及位置、流道系统的设计等对于塑料制品的质量有重大影响。以往全凭设计者的经验，用手工方法实现，费时费力，而利用CAE技术，可快速设计出最佳的制品。 
    （2）优化塑料模具设计 
    可以对型腔尺寸、浇口位置及数量、流道尺寸和冷却系统等进行优化设计。在计算机上模拟试模、修模和提高模具质量，减少实际试模次数。 
    （3）优化注射工艺参数 
    对注射过程进行模拟，发现可能出现的成型缺陷，确定最佳的注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间和冷却时间等。 
    由此可见，注塑模CAE技术无论在提高生产率、缩短模具设计制造周期和保证产品质量，还是在降低成本、减轻劳动强度等方面，都具有很大的优越性和重大的技术经济意义。 
    注塑模CAE软件种类及其简介 
    到目前为止，成熟的商业注塑模CAE软件比较多，Moldflow公司的Moldflow软件和AC-Tech公司（2000年2月，被Moldflow公司合并）的C-Mold软件是其中的优秀代表；另外还有国外的TMCONCEPT、CADMold、Fidap、Stirm100、Polyflow和我国台湾地区的Moldex等软件应用也比较广；而国内在“八五”期间才开始这方面的研究，现在华中理工大学的HSCAE软件和郑州大学的Z-Mold软件在国内处于领先地位。 
    Moldflow软件是专业从事注塑成型CAE软件和咨询的Moldflow公司的系列产品，该公司自1976年发行了世界上第一套注塑模CAE软件以来，一直主导注塑模CAE软件市场。至2004年，Moldflow软件在全球注塑模CAE市场的占有率达75%。 
    MoldFlow软件包括三部分：MoldFlow  Plastics  Advisers（产品优化顾问，MPA）、 MoldFlow  Plastics  Insisht（注塑成型模拟分析，MPI）和 MoldFlow  Plastics Xpert（注塑成型过程控制专家，MPX）。 
    一般情况下，最常用MPI，主要用来对注塑过程进行模拟，从而得到最佳的浇口数量与位置，合理的流道系统与冷却系统，并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸进行优化，并且还可对注塑工艺参数进行优化。 
    Moldflow软件的模流分析技术可以分为三种，即Midplane、Fusion和3D[2-3]。 
    Moldflow的Midplane分析技术 
    Midplane（中面流）的应用始于20世纪80年代。其网格是三节点的三角形单元，其原理是将3D几何模型简化成中性面几何模型（即将网格创建在模型壁厚的中间处），利用所建立的中性面进行模拟分析，即以平面流动来仿真三维实体流动。此分析技术发展至今已相当成熟稳定，其优点为分析速度快、效率高。  
    (1)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。但是实践表明，基于中面流技术的模拟软件在应用中具有很大的局限性，具体表现为： (1) 用户必须构造出中面模型。采用手工操作直接由实体模型构造中面模型十分困难，往往需要花费大量的时间，而且不能从其他CAD模型转换。 
    (2) 无法描述一些三维特征。如不能描述惯性效应、重力效应对熔体流动的影响，不能预测喷射现象、熔体前沿的泉涌现象等。 
    (3) 由于CAD阶段使用的产品模型和CAE阶段使用的分析模型不统一，使二次建模不可避免，CAD与CAE系统的集成也无法实现。