第1章

注塑成型CAE技术

1.1 注塑成型CAE技术的发展

模具是生产各种工业产品的重要工艺装备。随着塑料工业的迅速发展以及塑料制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用，塑料成型模的作用也越来越重要。而塑料注射成型又是塑料成型生产中自动化程度最高、采用最广泛的一种成型方法。它能成型形状复杂、精度要求高的制品，具有生产效率高、成本低、产品质量好的优点。

注射模成型工艺发展了近50年，注塑成型分两个阶段，即开发/设计阶段（包括产品设计、模具设计和模具制造）和生产阶段（包括购买材料、试模和成型）。注塑成型是一个复杂的加工过程，同时由于材料本身的特性，塑料制品的多样性、复杂性和工程技术人员经验的局限性，缺乏理论的有效指导等因素，长期以来，工程技术人员很难精确地设置制品最合理的加工参数，选择合适的塑料材料和确定最优的工艺方案。模具技术人员只能依据自身经验和简单公式设计模具和制定成型工艺。设计的合理性只能通过试模才能知道，而制造的缺陷主要靠修模来纠正，即依赖于经验及“试错法”，即：设计→试模→修模，如图1-1所示。这类经验的积累需要几年至十几年，以时间和金钱为代价并且不断重复。同时模具开发的周期长，成本高，模具及工艺只是“可行”的，而非“优化”的，市场需求的变化会使原来的经验失去作用，市场经济使得传统的设计方法逐步丧失竞争力。随着新材料和新成型方法的不断出现，问题更加突出。而在实际生产中，对于大型、复杂、精密模具，仅凭有限的经验难以对多种影响因素作综合考虑和正确处理，传统方法已无法适应现代塑料工业蓬勃发展的需要。

计算机辅助工程（Computer Aided Engineering）是广义CAD/CAM中的一个主要内容。模具成型计算机辅助分析已成为塑料产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节最有效的途径。注塑CAE技术是CAE技术中一个重要的组成部分，是一种专业化的有限元分析技术，注射模CAE技术建立在科学计算基础上，融合计算机技术、塑料流变学、弹性力学、传热学的基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中流动、传热的物理、数学模型，利用数值计算理论构造其求解方法，利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态填充、冷却等过程，定量地给出成型过程中的状态参数（如压力、温度、速度等）。将试模过程全部用计算机进行模拟，并显示出分析结果。利用计算机在模具设计阶段对各种设计方案进行比较和评测，在设计阶段及时发现问题，避免了在模具加工完成后在试模阶段才能发现问题的尴尬。

图1-1 传统模具开发流程

成型过程数值模拟是模具CAE中的基础，目前所采用的数值模拟方法主要有两种：有限元法和有限差分法；一般在空间上采用有限元法，而当涉及时间时，则运用有限差分法。CAE软件的应用过程如图1-2所示。首先根据制品的几何模型剖分具有一定厚度的三角形单元，对各三角形单元在厚度方向上进行有限差分网格剖分，在此基础上，根据熔体流动控制方程在中性层三角形网格上建立节点压力与流量之间的关系，得到一组以各节点压力为变量的有限元方程，求解方程组得到节点压力分布数据，同时将能量方程离散到有限元网格和有限差分网格上，建立以各节点在各差分层对应位置的温度为未知量的方程组，求解方程组得到节点温度在中性层上的分布及其在厚度方向上的变化，由于压力与温度通过熔体黏度互相影响，因此必须将压力场与温度场进行迭代耦合。

图1-2 CAE软件的应用过程

数值分析采用有限元/有限差分混合法，其基本步骤是：根据前一时间步的压力场计算出流入各节点控制体积的流量，根据节点控制体积的充填状况更新流动前沿，在此基础上根据能量方程计算当前时刻的温度场，再根据温度场计算熔体的黏度和流动率等，形成压力场的整体刚度矩阵，为保证新引入的边界条件，需要对整体刚度矩阵进行修正，求解压力方程组得到节点压力分布数据。由于流动率的计算依赖于压力分布，因此压力场控制方程是非线性方程，需对压力场进行迭代求解，重复上述计算过程直到整个型腔被充满。充模流动模拟的数值计算过程如图1-3所示。

注塑成型流动模拟技术不断的改进和发展，经历了从中面流技术到双面流技术再到实体流技术这三个具有重大意义的里程碑。

图1-3 充模流动模拟的数值计算过程图

（1）中面流技术

中面流技术的应用始于20世纪80年代。其数值方法主要采用基于中面的有限元/有限差分/控制体积法。所谓中面是需要用户提取的位于模具型腔面和型芯中间的层面，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，其典型软件有国外Moldflow公司的MF软件，原AC－Tech公司（已被Moldflow公司并购）的C－Mold软件；国内华中科技大学国家模具技术国家重点试验室的HSCAE－F3.0软件。实践表明，基于中面流技术的注塑成型流动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/表面模型构造中面模型十分困难；②独立开发的注塑成型流动模拟软件（如上述的Moldflow、C－Mold和HSCAE－F3.0软件）造型功能较差，根据产品模型构造中面往往需要花费大量的时间；③由于注塑产品的千变万化，由产品模型直接生成中面模型的CAD软件的成功率不高、覆盖面不广；④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。由此可见，中面模型已经成为注塑模CAD/CAE/CAM技术发展的瓶颈，采用实体/表面模型来取代中面模型势在必然，因此，在20世纪90年代后期基于双面流技术的流动模拟软件便应运而生。

（2）双面流技术

双面流是指将模具型腔或制品在厚度方向上分成两部分，有限元网格在型腔或制品的表面产生，而不是在中面。相应地，与基于中面的有限差分法是在中面两侧进行不同，厚度方向上的有限差分仅在表面内侧进行。在流动过程中上下两表面的塑料熔体同时并且协调地流动。显然，双面流技术所应用的原理与方法与中面流没有本质上的差别，所不同的是双面流采用了一系列相关的算法，将沿中面流动的单股熔体演变为沿上下表面协调流动的双股流。由于上下表面处的网格无法一一对应，而且网格形状、方位与大小也不可能完全对称，如何将上下对应表面的熔体流动前沿所存在的差别控制在工程上所允许的范围内是实施双面流技术的难点所在。

目前基于双面流技术的注塑流动模拟软件主要是接受三维实体/表面模型的STL文件格式。该格式记录的是三维实体表面在经过离散后所生成的三角面片。现在主流的CAD/CAM系统，如UG、Pro/E、SolidWorks、AutoCAD等，均可输出STL格式文件。这就是说，用户可借助于任何商品化的CAD/CAM系统生成所需制品的三维几何模型的STL格式文件，流动模拟软件可以自动将该STL文件转化为有限元网格模型供注塑流动分析，这样就大大减轻了使用者建模的负担，降低了对使用者的技术要求。因此，基于双面流技术的注塑流动模拟软件问世时间虽然只有短短数年，便在全世界拥有了庞大的用户群，并得到了广大用户的支持和好评。双面流技术具有明显优点的同时也存在着明显的缺点：分析数据的不完整。双面流技术在模拟过程中虽然计算了每一流动前沿厚度方向的物理量，但并不能详细地记录下来。由于数据的不完整，造成了流动模拟与冷却分析、应力分析、翘曲分析集成的困难。此外，熔体仅沿着上下表面流动，在厚度方向上未作任何处理，缺乏真实感。

（3）实体流技术

从某种意义上讲，双面流技术只是一种从二维半数值分析（中面流）向三维数值分析（实体流）过渡的手段。要实现塑料注射制品的虚拟制造，必须依靠实体流技术。实体流技术在实现原理上仍与中面流技术相同，所不同的是数值分析方法有较大差别。在中面流技术中，由于制品的厚度远小于其他两个方向（常称流动方向）的尺寸，塑料熔体的黏度大，可将熔体的充模流动视为扩展层流，于是熔体的厚度方向速度分量被忽略，并假定熔体中的压力不沿厚度方向变化，这样才能将三维流动问题分解为流动方向的二维问题和厚度方向的一维分析。流动方向的各待求量，如压力与温度等，用二维有限元法求解，而厚度方向的各待求量和时间变量等，用一维有限差分法求解。在求解过程中，有限元法与有限差分法交替进行，相互依赖。在实体流技术中熔体的厚度方向的速度分量不再被忽略，熔体的压力随厚度方向变化，这时只能采用立体网格，依靠三维有限差分法或三维有限元法对熔体的充模流动进行数值分析。因此，与中面流或双面流相比，基于实体流的注塑流动模拟软件目前所存在的最大问题是计算量巨大、计算时间过长，诸如电视机外壳或洗衣机缸这样的塑料制品，用现行软件，在目前配置最好的计算机上仍需要数百小时才能计算出一个方案。如此冗长的运行时间与虚拟制造的宗旨大相径庭，塑料制品的虚拟制造是将制品设计与模具设计紧密结合在一起的协同设计，追求的是高质量、低成本和短周期。如何缩短实体流技术的运行时间是当前注塑成型计算机模拟领域的研究热点和当务之急。