本帖最后由 满都烟柳 于 2015-2-3 20:48 编辑
模具是工业生产中的重要工艺装备,模具工业是国民经济各部门发展的重要基础之一,对其他工业的发展起着十分重要的作用。模具设计水平的高低、加工设备的好坏、制造能力的强弱、模具质量的优劣,直接影响着许多新产品的开发和老产品的更新换代,影响着产品质量和经济效益的提高。 近年来,我国各行业对模具工业的发展十分重视。特别在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持和引导下,我国模具工业发展迅速,年均增速为13%,2003年我国模具产值达到450亿人民币以上,按模具总量排名,中国紧随日本、美国,位居世界第三,其中塑料模约占30%。。在未来的市场模具中,塑料模在模具中的比重还将进一步增加。 为了在激烈市场竞争中处于有利位置,提高塑料模具的质量,缩短模具的设计和制造周期,减少设计和生产成本,成为各个厂家的首要目标。随着计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助制造(CAM)技术的发展及其在塑料模具设计中的应用,逐步形成了以计算机模拟为手段,剖析塑料加工过程并完成模具优化设计的计算机辅助工程(CAE)技术。 注塑模CAE技术是以高性能计算机及图形显示设备的发展和使用为发展条件,以计算力学中的边界元、有限元、结构优化设计及模态分析等方法为理论基础的新技术。注塑模CAE技术能预测注射成型时塑料熔体在模具型腔中的流动情况及塑料制品在模具型腔内的冷却、固化过程,在模具制造之前就能发现设计中存在的不足之处,改变了以往主要靠经验和直觉,通过反复试模、修模来修正设计方案的传统设计方法。需要指出的是,目前的CAE技术并不能完全代替人的创造性工作,只能作为一种辅助工具帮助设计人员去判断设计方案是否合理,仍需要通过反复的交互（分析一修改一再分析）才能将设计人员的正确经验体现到设计中去。 近年来模具及塑料加工领域发展最快的是CAE技术,它是塑料模制造业创新的关键手段,且在实现创新的同时,提高了设计质量,降低了研究开发成本,缩短了研究开发周期。因此,CAE技术塑料模制造业的技术创新有重大影响,对国民经济的发展有积极的作用。
注塑模CAE的国内外发展概况 由于注塑模CAE技术具有重要的实际意义, 国外和国内的科研机构、高等院校等都投入大量的人力、物力和财力进行研究。塑料注塑成型CAE软件的发展大概经历了四个阶段。 1.70年代以前,由于计算机条件的限制,对充模过程和冷却过程分析都是采用一维模拟。早在1960年,Toor、Ballman和Copper最先用数值方法计算了熔体的充模过程,随后,许多研究者对一维流动进行了大量的研究，主要是计算塑料熔体在等直径圆管、中心浇口的圆盘以及端部浇口的矩形型腔中的流动过程。 2.70年代中期到80年代中期,随着计算机技术的发展,充模流动模拟和冷却模拟采用二维模拟技术,在二维流动分析中,除数值流动模拟方法本身的难点外,另外一个难点是对移动边界的处理,即如何确定新时刻的熔体流动前沿位置。Boyer、Gutfinger和Tadmor运用流动网格分析法FAN(Flow Analysis Network)对二维等温流动进行了计算,并对保压、固化及分子取向问题进行了有益的探索。Hieber和Shen将Hele一shaw流动推广到非牛顿流体的非等温流动情况,得到了描述二维充模流动的数学模型,并采用有限元与有限差分混合法求解。Shen还尝试了用边界元法求解上述问题。两位学者采用MES(Mesh Expansion scheme)确定流动前沿位置,并对其中的计算稳定性进行了研究。此阶段也主要集中在二维问题,最早采用的方法是直接将一维传导方程扩展导二维情形。此时,有限差分是主要的分析方法。 3.80年代后期,开展了三维流动和冷却模拟研究,三维模拟主要采用两种方法:其一,Hieber与Agassant采用流动路径法(Flow Path Scheme)实现了对三维制件的流动分析。其二,V.W.Wang及Hieber用有限元与有限差分混合法,沿用Hieber和Shen提出的数学模型,求解压力场、温度场和速度场。针对三角形线性单元,定义了控制体积,并沿用FAN法的基本思想,提出控制体积法CVS(Control Volume Scheme)来确定熔体流动前沿位置。这一阶段,采用边界元法对冷却过程进行了三维模拟分析。 4.90年代以后,已将研究重点转向材料的粘弹性、负复杂三维模拟以及取向、残余应力和固化现象的研究。另外,计算方法在双螺杆挤出、热成型、薄膜吹塑、反应注射成型和气体辅助成型的工艺条件设定方面的应用也成为研究热点。同时,为了提高CAE系统的实用化程度,提高系统几何模型的生产速度,进行了广泛地CAD/CAE/CAM集成化研究,人工智能在CAE中的应用也取得了一系列的发展。 我国注塑模CAE技术的研究起步比较晚,至到80年代后期才逐渐有研究成果发表。早期的研究仅限于注塑模具CAD系统和二维CAE的研究,到90年代受国外引进的先进的注塑模具CAE技术的影响,才开始复杂三维成型的CAE研究。华中理工大学是国内较早(1985年)自行研发注塑模具CAD/CAE系统的院校,1988年开发了实现注塑模具CAD/CAE一体化的HSC-1.0系统,目前最新版本为HSC-3.0。该系统建立了一个基于知识的注塑模缺陷诊断专家系统KBDDES,对常见的注塑件缺陷及注射过程中的故障进行诊断,此软件智能化系统的实现使国产软件整体水平有了很大的提高。上海交通大学从1983年起对注塑模具的计算机应用进行了多层次的研究,并在国内首次把人工智能技术引入注塑模的CAD系统。1987年以来,郑州大学模具研究所一直致力于橡塑模具成型过程模拟及模具优化设计软件)Z-MOLD的研究,该系统是目前国内处于领先水平的实用化、商品化的橡塑模CAE软件,可较准确地预测温度场、应力场、熔接线及气泡位置。中国科技大学、浙江大学、东南大学也对注塑模CAE技术进行了长期的研究,获得了相应的研究成果并在生产中取得了良好的效果。经过各科研院所的十多年不懈努力,我国的注塑模CAE技术取得了长足的进步,相关软件的国有化比重在不断增加。但是目前国内自行开发的注塑模CAE软件都是基于一定的平台基础上,而自行开发的图形系统软件较少,没有统一的标准,开发系统的实用性和局限性较大。因而,国产注塑模CAE系统软件还不成熟,和国外的系统具有一定差距,有待进一步技术研究和完善。
注塑模CAE的发展趋势 90年代以来,注塑模CAE技术从理论研究到实际应用取得了飞速的进步。模型建立、数值方法上日趋完善,数学模型对成型过程的描述更准确、真实。注塑模CAE技术的运用范围已经渗透到塑料模具的设计和制造的各个环节。但是注塑模CAE商品化软件的功能和精度还有一定的缺陷。例如,目前CAE技术不能代替人的创造性工作,只能作为一种辅助性工具帮助设计人员去判断设计方案是否合理,需要通过反复交互(分析一修改一分析),才能将设计人员的正确方案体现到模具设计中去,而设计方案的确定在很大程度上仍依靠设计人员的经验和水平。随着科学技术的进步和研究的深入,注塑模CAE技术将得到进一步的完善和提高,其发展趋势主要表现在如下几个方面: 1.注塑模CAE软件的完善和模拟精度的研究 注塑模CAE软件目前包括注塑流动模拟、保压模拟、冷却模拟、塑件应力及翘曲模拟等。一方面,这些软件的数学模型及算法还有待进一步完善并扩大其适应范围;另一方面,这些独立的分析软件还需要有机地结合起来, 才能获得更为符合实际情况的分析结果。这是因为在注塑过程中,流动与冷却、保压与冷却都,是交织在一起互相影响的。如熔体充模过程中,模壁温度的变化对塑料熔体的粘度影响显著,如何使模温变化设置与周期性重复的注塑成型过程、流动充模过程、以及制品成型顶出的全过程吻合,是模拟模型与模拟精度研究有待深入的问题。另外,用三维有限元分析模型取代目前的二维有限元与有限差分的藕合算法,来分析流动过程的压力场和温度场,也是日后注塑成型CAE算法研究的发展趋势。澳大利亚的MoldFlow公司正致力于这方面的研究。注塑成型过程是个连续重复的过程,将各独立的模块进行耦合计算分析,可以提高分析软件的模拟精度,扩大适用范围。 2.智能化注塑模CAE技术研究 在现有的CAE技术上,优化就是反复的交互,最终设计方案的确定仍依靠设计者的经验和技巧。将人工智能技术,如专家系统、神经网络等加入设计计算中,使模拟程序能智能化地选择注塑工艺参数,提供修正制品尺寸、冷却管道布置方案,减少人工对程序的干涉,改变目前CAE分析仍被动依靠人的经验提供设计方案的局面,实现注塑工艺参数、浇注系统、冷却系统的自动优化设计,以达到注塑CAE技术应用的广泛性。 3.注塑模具CAD/CAE/CAM的集成化研究 CAE软件可以模拟塑料在不同工艺条件下注塑情况,从而确定其合理的注塑条件,并对制品成型后的质量参数作出预测。工程技术人员利用CAE软件可以对注塑制件的各种性能进行全面分析,修改优化模具的设计参数和制造工艺。但是目前出售的商品化CAE软件与CAD、CAM软件之间的数据传递主要依靠文件的转换,这容易造成数据的丢失和错误,使得CAE图形处理工作加重,从而降低了工作效率。因此在设计制造过程中采取单一的模型,建立CAD/CAE/CAM系统的统一数据库,加强三者之间的联系并最终实现。设计一仿真一制造。一体化是今后的发展方向。 4.注塑成型新工艺及其模拟研究 随着注塑成型设备和成型工艺的不断发展,出现了气体辅助注塑成型的新工艺。该工艺将注塑成型与结构发泡成型结合在一起,降低了模具型腔内熔体的压力,所需注射压力下,制品成型后翘曲变形小,表面质量好,成型周期短。这项工艺在日本、欧美已被广泛用于汽车和家电行业的塑料生产。气体辅助注射成型比普通注射成型多了气体注射阶段,气体推动塑料熔体充满模具型腔,塑料熔体在高压气体作用下的流变行为及其复杂且直接影响塑件能否成型以及成型制件的质量和性能。因此,该新工艺对cAE技术要求较高。目前,美国的C-Mold公司、澳大利亚的Moldflow等公司正在进行该类软件的研制开发工作。 3.注塑模CAE商品化软件 从80年代开始,注塑模CAE技术从实验室阶段进入了实用化阶段,目前国际上具有代表性的商品化软件有: 1.美国Ac-Tech公司最新推出的注射模CAE软件C-MOLD。该软件具有三个层次的解决方案。第一层次的软件Process Solution用于初始阶段的设计。第二层次软件Productivity Solution包括三维流动模拟C-Flow、三维冷却模拟C-Cool和保压分析软件C-Pack。第三层的软件Performance Solution基于第二层的流动、保压、冷却分析结果,进行了纤维定向分析、塑料制品的应力和翘曲分析。 2.美国SDRC公司的I-DEAS软件。该软件原为通用的机械CAD/CAM软件,90年代初,公司开发注射成型流动和冷却分析软件,并与卜DEAS集成,推出了适合注射模的I-DEAS。 3.德国IKV研究所的CAD/CAE软件CADMOULD。该软件主要包括模具方案构思与设计软件Layout&Design、二维流动模拟Flow Pattern Lay_flat、三维流动分析MEFISTO、二维冷却分析Thermal layout和模具强度、刚度分析Mechanieal Layout of Moulds等。 4.澳大利亚MOULDFLOW公司的注射模CAE软件MF。该软件包括流动模拟程序(MF/Flow)、冷却分析程序(MF/Cool)、翘曲分析程序(MF/Warp)和应力分析程序(MF/Stress)等。2000年4月MOLDFLOW公司收购了美国的Ac-Tech公司,并与2001年发布了集MPI2.0和C-MOLD2000优点于一体的MPI3.O,而后又推出了MPI4.0。MPI软件一直主导塑料注射成型CAE软件市场,在世界上拥有较多的用户。 此外,还有美国GRAFTEK公司、PRIME-CV公司、PRIME一以LMA公司、意大利P&C公司和英国的Delta CAM公司的注射模设计制造软件包。 国内的高等院校和研究所对塑料成型模拟研究起步较晚,但是经过对国外软件开发经验和技术的吸收和研究,也取得了一定的成果。如郑州大学模具研究所的模具优化设计软件)Z-MOLD,华中理工大学模具技术国家重点实验室自行开发的国内第一个注射模CAD/CAE/CAM集成系统HSC2.0。 塑料成型数值模拟技术在实际应用中取得了飞速发展,但是商品化的软件无论在功能上还是精度上,还未达到尽善尽美的程度,如三维模拟,CAE与CAD/CAM的集成,AUTO-CAE的引入等都是今后的研究重点。
注塑模CAE的研究意义和目的 长期以来,我国的注塑模具设计主要依靠设计者的经验和直觉,通过反复试模、修模修正设计方案,缺乏科学依据,具有较大的盲目性,不仅使模具的生产周期加长、成本变高(如图1.1),而且质量也难以保证.对于大型精密、薄壳注塑、新结构产品,问题就更加突出.随着塑料制品应用日益广泛,传统的注塑模具的生产方式不能满足现代社会发展对塑料制品产量、质量、产品更新换代的需求。 注塑模CAE(Computer-AidedEngineering)是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论,建立塑料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,利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出在实际注塑成型过程中熔体的动态填充、保压、冷却过程,定量的给出成型过程的状态参数(如压力、温度、速度等)。样以来,设计人员结合注射模CAE来进行模具的设计(如图1.2),可以使设计人员避免设计中的盲目性,使工程技术人员在模具加工前完成试模工作,也可以使生产操作人员预测工艺参数对制品外观和性能的影响.注塑模CAE技术的应用所带来的直接好处是直观反映充模过程,减少试模、修模次数和模具报废率,缩短模具开发周期,降低模具开发成本,并提高了模具的质量。 总之,设计人员和生产人员可利用注塑模CAE技术有目的地修改设计方案和工艺条件,克服因经验少、设计失误所带来的不良后果,把更多的精力用在新产品和新工艺的研究上,以适应日益激烈的市场竞争.因此,近年来模具及塑料加工领域发展最快的是CAE技术,通过对成型加工过程进行数值模拟,研究加工条件的变化规律,预测制品的结构及其性能,选择制品、模具设计及工艺条件的最优方案,使塑料成型加工从一项实用技术变为一门应用科学。
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