大型注塑模的流动分析

夏征盛

摘要:随着近代工业的飞速发展,注塑模具工艺空前发展,依靠人工经验来设计模具已经不能满足需要,企业越来越多地利用注塑模流分析技术来辅助塑料模具的设计。利用注塑模流分析技术,能预先分析模具设计的合理性,减少试模次数,加快产品研发,提高企业效率。文章对此进行了探讨。

关键词:注塑模流动分析;注塑模具工艺;注塑过程

中图分类号:0652文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)20-0175-02

塑料具有密度小、质量轻、比强度大、绝缘性好、介电损耗低、化学稳定性强、成型生产率高和价格低廉等优点,在国民经济和人民日常生活的各个领域得到了日益广泛的应用。早在20世纪90年代初,塑料的年产量按体积计算已经超过钢铁和有色金属年产量的总和。在机电(如所谓的黑色家电)、仪表、化工、汽车和航天航空等领域,塑料已成为金属的良好代用材料,出现了金属材料塑料化的趋势。根据海关统计,我国2000年共进口模具9.77亿美元,其中塑胶模具共5.5亿美元,占56.3%,2001年共进口模具11.12亿美元,其中塑胶模具共6.16亿美元,占55.4%。从品种上来说,进口量最大的是塑胶模具。

一、三维模流分析技术

三维模流分析技术必需拥有正确的真三维流动分析理论,能有效模拟各种三维流动效应,并且为了完整呈现真实塑料件外观,分析模型需以真实对象为基准,将所有特征形状列入考虑,建立三维分析模型。但是发展一套既稳定精确又快速的三维模流分析技术仍有许多瓶颈需待解决。首先,欲完整正确地将三维流动效应列入分析理论考虑并不容易,需经过严谨的理论推导与反复的验证,倘若有微小差错即会造成数值分析的不稳定与不正确的分析结果。其次,分析模型依赖三维真实对象所建立,虽然可真实呈现所有外型特征,但也造成分析网格元素变得较多较复杂,大量增加分析时间与内存(Memory)需求量,并且分析网格品质好坏不易控制,严重影响数值分析的稳定度。

二、三维实体模流分析软件

Moldex3D Moldex3D为科盛科技公司研发的三维实体模流分析软件,它不但能将Skin-Surface分析法与Mid-lane分析法没有考虑的实际状况列入分析,更拥有计算快速准确的能力,并且搭配超人性化的操作界面与最新引入的三维立体绘图技术,真实呈现所有分析结果,让用户学习更容易,操作更方便。在分析模型方面,Moldex3D采用三维实体元素网格,依塑料件实体来建造,完全符合真实情况,并且网格产生可完全自动化,轻松建模完全不费力。Moldex3D不但含有传统的模流分析软件的各项功能,而且真正实现真三维模流分析技术,理论严谨,准确反映真实现象,同时其具有分析速度快,易学易用等诸多特点,是模流分析工程师不可多得的CAE工具。自2002年来,红地公司与台湾科盛公司全面合作,在中国大陆地区推广Moldex3D模流分析技术,目前已经应用于众多企业。

三、注塑过程数值分析

塑料在模具模腔中要经过流动、保压和冷却三个主要阶段,其流动、力学行为和热行为非常复杂,采用CAE方法可以模拟塑料熔体在模腔中的流动与保压过程,其结果包括熔体在浇注系统和型腔中流动过程的动态图,提供不同时刻熔体及制品在型腔各处的温度、压力、剪切速率、切应力以及所需的最大锁模力等,其预测结果对改进模具浇注系统及调整注塑工艺参数有着重要的指导意义;同时还可计算模具在注塑过程中最大的变形和应力,以此来检验模具的刚度和强度能否保证模具正常工作;对制品可能发生的翘曲进行预测可使模具设计者在模具制造之前及时采取补救措施;运用CAE方法还可分析模壁的冷却过程,其预测结果有助于缩短模具冷却时间、改善制品在冷却过程中的温度分布不均匀性。

四、CAE的发展概况

流动模拟的目的是预测塑料熔体流经流道、浇口并充填型腔的过程,计算流道、浇口及型腔内的压力场、温度场、速度场、剪切应变速率场和剪切应力场,并将分析结果以图表、等值线图和真实感图的方式直观地反映在计算机屏幕上。通过流动模拟可优化浇口数目、浇口位置及注射成型工艺参数,预测所需的注射压力及锁模力,并发现可能出现的注射不足、烧焦、不合理的熔接缝位置和气穴等缺陷。

(一)一维流动分析

对一维流动分析的研究始于20世纪60年代,研究对象主要是几何形状简单的圆管、矩形或中心浇注的圆盘等。一维流动分析采用有限差分法求解,可得到熔体的压力、温度分布以及所需的注射压力,一维流动分析计算速度快,流动前沿位置容易确定,可根据给定的流量和时间增量直接计算出下一时刻的熔体前沿位置,但仅局限于简单、规则的几何形状,在生产实际中的应用很受限制。

(二)二维流动分析

对二维流动分析的研究始于20世纪70年代。在二维流动分析中,除数值方法本身的难点外,另一个新的难点是对移动边界的处理,即如何确定每一时刻的熔体前沿位置。流动网络分析法的基本思想是:先对整个型腔剖分矩形网格,并形成相应于各节点的体积单元,随后建立节点压力与流入节点体积单元的流量之间的关系,得到一组以各节点压力为待求量的方程,求解方程组得到压力分布,进而计算出流入前沿节点体积单元的流量,最后根据节点体积单元的充填状况更新流动前沿位置。重复上述计算,直至型腔充满。

(三)三维流动分析

三维流动分析因采用模型不同而形成了如下两种基本的方法:

1.基于中性层模型的三维分析。基于中性层模型的分析是在二维流动分析的基础上发展起来的三维分析方法,其基本思想是将型腔简化为一系列具有一定厚度的中性层面片,每个中性层面片本身是二维的,但由于其法向可指向三维空间的任意方向,因此组合起来的中性层面片可用于近似描述三维薄壁制品。基于中性层模型三维分析的一个难点是如何将适用于单个中性层面片的算法推广到具有三维空间坐标的所有中性层面片。解决这一问题的方法主要有:(1)制品进行分解往往要依靠分析人员和模具设计者的经验,数据准备工作量很大;(2)有限元/有限差分混合法。这种方法沿用Hieber和Shen提出的数学模型,利用有限元方法先在单元局部坐标系中计算单元刚度矩阵,然后再组装成整体刚度矩阵,通过制品三维空间坐标系与中性层面片二维局部坐标系之间的变换,处理三维制品的流动分析,避免了三维制品的二维展开。这种方法还通过定义三角形单元的节点控制体积,将确定熔体流动前沿的FAN方法改造为控制体积法,这样在计算过程中就能自动更新熔体流动前沿,不需人工干预,并能对流道、浇口和型腔进行整体分析。构造中性层模型是基于中性层模型三维分析的另一难点,如何根据三维实体模型生成中性层长期以来一直是制约三维分析软件发展和推广应用的瓶颈。

2.基于三维有限元模型的三维分析。三维有限元方法是在三维实体模型基础上,用三维有限元网格取代二维有限元与一维有限差分混合算法来分析流动过程的压力场和温度场。这种方法不需要生成中性层模型,但注射成型中绝大部分是薄壁制品,厚度方向上的尺寸远小于其他两个方向的尺寸,温度、剪切速率等物理量在厚度方向上变化又很大,要保证足够的分析精度,势必要求网格十分细密,因而数据量相当庞大,计算效率非常低下,并不适合开发周期短并需要通过CAE进行反复修改验证的注射模设计。

五、结语

近代科学技术的飞速发展也带动了注塑模具工艺的空前发展,企业越来越多地利用注塑模流分析技术来辅助塑料模具的设计。利用注塑模流分析技术,不但能预先分析模具设计的合理性,而且减少了试模次数,加快了产品研发,提高企业效率。文章通过对大型注塑模流分析技术的探讨,以期与同行共勉。