网格划分在带金属嵌件打印机板模流分析中的应用

刘成娟 胡志超 李毅 李延平

(集美大学机械与能源工程学院，福建 厦门，361021)

网格划分在带金属嵌件打印机板模流分析中的应用

刘成娟 胡志超 李毅 李延平

(集美大学机械与能源工程学院，福建 厦门，361021)

以带金属嵌件打印机板的塑件部分为例，探讨了双层面和3D实体网格的网格划分、检验及诊断修复等关键技术，为进行流动、冷却、翘曲等后续分析工作提供依据。

金属嵌件 注射成型 网格划分 模流

Moldflow(模流)注射成型仿真软件的核心思想是有限元方法，即利用假想的线或面将连续介质的内部和边界分割成有限数量和大小的网格，在一定条件下，简化复杂问题使求得的近似解趋于真实解。随着计算机辅助工程(CAE)技术不断发展和改进，其经历了中面流技术到双面流技术再到实体流技术的3个发展阶段。

中面流技术是将三维流动问题合理简化为厚度方向的一维问题和流动方向的二维问题，其分析结果不够全面，具有局限性；双面流技术的模型上下层表面网格匹配率的高低决定着分析结果的准确性，无法完全模拟真实三维流动情形等;而实体流分析技术采用三维有限差分方法，可分析厚度分布不均匀的塑件和研究熔体压力随厚度方向的变化；采用先进网格切分技术、耦合求解方法、网格映射和3D立体显示技术，保证了快速、精确的进行三维流动仿真；但该模型网格数量大，运算速度受限，技术难点较多[1]。

下面以某公司带金属嵌件打印机板为例，利用注射成型仿真软件Moldflow 2012探讨了双层面和3D实体网格的网格划分、检验及诊断修复等技术，为带金属嵌件的打印机板后续工艺优化提供保证。

1 网格划分

带金属嵌件打印机板三维模型如图1所示，是金属和塑料的组合体，表面质量要求高。塑件部分壁厚在1～6 mm过渡。

首先，对导入的塑件几何模型进行前处理。圆角特征对网格划分的影响如图2所示。去除前网格纵横比在小圆角的位置偏大，网格修复工作量较大且困难，而且全局网格边长需要取到1 mm才能满足网格要求。网格数量多，计算机无法运算,去除前后的对比数据如表1所示，其中网格数量包括塑件和嵌件。

表1 小圆角去除前后对比数据

注：总时间包括冷却、填充、保压和翘曲的时间。

由此可知，去除对分析结果影响可忽略的不规则小圆角、小倒角或螺纹等细微特征，可有效地提高网格质量和分析效率[2]。

其次，网格采用自动划分技术，双击方案任务视窗中的“创建网格”→“工具”→“生成网格”图标，全局网格边长设置为1.9 mm (一般取壁厚的1.5～2倍)，弦高为0.1 mm，其他采取默认方式。根据塑件的结构和成型技术采用3D网格模型。划分3D网格前，需先进行双层面网格划分。

2 网格检验及诊断修复

2.1 检验网格质量

网格诊断修复之前，首先进行网格状态统计，可以把网格的全部信息展示出来，包括实体统计和各种网格缺陷、问题网格的数目以及匹配率等。然后，根据统计的结果对网格缺陷采取修正措施进行修复。不同产品网格划分后出现的问题不同，只需对有问题的网格进行修复。

选择下拉菜单“网格”中的“网格统计”命令，单击任务栏中“显示”，如图3所示。

从图3的网格统计结果可知，带金属嵌件打印机板塑件部分的双层面网格质量较好。其中，三角形和节点数目分别为14 040，7 022个，网格数量越多，使用的磁盘空间和RAM也越多；连通区域的个数应该为1个，不为1个时，说明整个模型中存在独立的连通区域，需要重新连接在一起或移除；自由边和多重边的数目为0；配向不正确的单元数目为0；相交单元和完全重叠单元数目为0；而单元纵横比数值为27.1，不满足要求，需要修复。

2.2 诊断与修复网格

网格修复时，一般遵循局部性、对称性、发现性、从大到小的原则，这样不仅可以将同一区域或对称区域的同类问题网格修补完毕，减少移动、旋转模型的时间，而且随时发现修补过程中非问题网格出现的局部变形，如网格塌陷、扭曲等，提高修模效率。此前处理是模流分析最重要复杂的环节，修复的好坏，直接影响产品的分析结果。

三角形单元纵横比R是指三角形的长和高2个方向的极限尺寸之比。R的取值范围为1.16～∞(1.16指等边三角形的纵横比，∞指成直线的情况)。R值越大，三角形越趋于扁长，当R无限大时，出现零面积三角形缺陷。修复网格时，需特别注意模型的某些敏感区域，比如浇口对网格质量要求较高。避免高纵横比单元，尤其长边不要沿着流动方向，否则单元的后节点会对流动产生附加抗力，导致流动压力、温度和速度产生急剧变化，影响分析精度和速度。

综上所述，围手术期急性肾衰伤是围手术期一种常见并发症，通过对急性肾衰伤进行早期诊断，急性肾衰伤分级越低患者预后越好。

针对带金属嵌件打印机板塑件部分，网格纵横比不满足要求，需要进一步修改。

2.2.1 自动修复

单击“主页”→“网格”→“网格诊断及修复”工具栏。首先对产品进行“网格修复向导”进行自动修复，它可以自动搜索处理模型中的交叉、重叠单元及纵横比等问题，可反复使用该功能，但需要结合手动修复功能，才能解决所有网格问题。自动修复结果摘要显示：退化单元已修复0个，纵横比第一次修复9个单元，第二次修复21个单元，第三次修复0个单元。

2.2.2 手工修复

点击软件工具栏中的“纵横比”，为了清晰显示，隐藏“新建节点”。纵横比大于6的诊断结果如图4所示。

单击“合并节点”按钮，选择目标节点N3410和起始节点N3415，应用后结果如图5(b)。

在凸耳部分，反复灵活使用“插入节点”“交换边”“移动节点”等功能，不断减小产品的纵横比。同时随时检查网格质量，防止新缺陷的产生，如图7所示。

划分3D网格前，对双层面网格划分的纵横比一般要求15及以下，最大纵横比不超过25，这样有利于提高分析的准确性。如图8所示，划分好的双层面网格最大纵横比为13.1，满足要求。

2.2.3 划分3D网格

对带金属嵌件打印机板的塑件部分进行初始双层面网格划分以及对所有网格缺陷修复完成后，设置网格类型为3D实体网格，并再次进行网格划分。全局网格边长为1.9 mm，网格匹配对于3D网格而言为可选项，当表面单元匹配时，网格更好。

增加厚度方向最小层的数目，模型网格数目和分析时间会相应增加，而减少最小层的数目可能会影响一些能量在模型厚度方向上的传递(如温度、应力、纤维取向等)和分析精度，常规分析类型采用6层即能获得准确结果，有特殊要求的分析，最小层的数目不能小于10层，数目高可捕获非常精细的细节。该试验塑件需要考虑塑料与镀锌钢板嵌件间热量传递和收缩的相互影响，所以，厚度方向最小单元数取8个，四面体和四面体高级选项采用默认设置。

使用“预览”按钮在划分网格之前查看网格密度，合理后点击确定。使用3D网格修复向导诊断网格质量。显示最大纵横比为35.6，不满足要求。搜索和修复纵横比大于25的四面体单元。划分好的3D网格统计结果及网格模型如图9所示。

图10为带金属嵌件打印机板的部分数值模拟结果。

其中，3D实体网格最大纵横比为13.79，材料选用德国Bayer Material Science公司生产的热塑性聚氨酯弹性体TPU，牌号为Desmopan DP 3660D，熔体温度为225 ℃，模具温度为40 ℃。

从图10可知型腔充填完全，没有浇不足的现象；熔接痕、气穴的位置和数量以及分布也可清楚地看出；所有因素引起的总翘曲变形为0.417 6 mm。模流分析结果能很好地指导设计人员进行模具设计和工艺优化。

3 结语

a) 以带金属嵌件打印机板为案例，利用注射成型仿真软件Moldflow 2012探讨了双层面和3D实体网格的网格划分、检验及诊断修复等技术。

b) 采用3D实体网格模型之前，需对产品进行双层面网格预处理，网格质量满足要求后，再转成3D实体网格。合理的全局网格边长、厚度方向、最小单元数目等网格参数，是顺利进行网格划分及后续分析的基础条件。

c) 对网格进行修复时，一般遵循局部性、对称性、发现性、从大到小的原则，并随时检查网格质量，防止非问题网格出现新的缺陷。

d) 正确、高效地进行网格划分是有限元准确分析计算的根本保证。

[1] 刘迎春，郭成.Moldflow 3D技术在模流分析中的应用[J].模具工业，2008，34(3):10-11.

[2] 贺灿辉，刘斌，邹仕放.带金属嵌件的手机外壳注塑成型翘曲分析[J].工程塑料实用，2011，(11):29-30.

刚性聚丙烯产品和聚丙烯纤维用的HSBC改性剂

据"www.ptonline.com"报道，总部位于休斯顿的科腾高性能聚合物有限公司推出了一种新型氢化苯乙烯嵌段共聚物(HSBC)，作为聚烯烃改性剂效果好。MD1648是一种增强橡胶段(ERS)的SBC(苯乙烯类嵌段共聚物)，它与聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)的相容性好，应用于手术防护服装、尿布和工业纺织品用的弹性无纺布。MD1648不像常规的SBC，据说具有高的弹性和强度以及极低的黏度，以致它可以在现有的熔喷工艺设备上加工。这使内燃机的消音装置更安静，且生产出更灵活、更柔软织物结构的产品。

此外，新型HSBC可用来改善PP性能，用HSBC改性后的PP可制备家庭用品、汽车部件、绝缘材料以及黏合胶带等。

聚烯烃用抗菌剂母料

据“www.ptonline.com”报道，在美国环保署注册的Sanafor PO-5，为含吡啶硫酮锌质量分数5%抗菌母料，在聚烯烃加工过程中添加，对聚烯烃力学性能不会产生任何不利影响。

Sanafor PO-5为新泽西州泰特斯维尔Janssen PMP公司的新产品，该产品具有好的成本效益，可替代银基抗菌剂，而银基抗菌剂有好的防细菌性，但成本很高。Sanafor PO-5应用结果表明，其能有效控制微生物在塑料表面上生长，能对塑料提供长期保护，防止细菌、霉菌、霉、藻类可能会导致的污渍、气味和产物降解。这种添加剂母料还拥有良好的热稳定性和低的水溶解度，限制其从塑料中迁移出。

(以上由中国石化扬子石油化工有限公司南京研究院

严淑芬供稿)

Application of Meshing in Moldflow Analysis on Printer Board with Metal Insert

Liu Chengjuan Hu Zhichao Li yi Li Yanping

(College of Mechanical and Energy Engineering of Jimei University, Xiamen ，Fujian,361021)

Using the plastic part of printer board with metal insert as a example, key technologies such as the dual-level and meshing, test and repair of 3D entitative mesh were discussed. The basis for flowing, cooling, warping and other follow-up analysis is provided.

metal insert；injection molding；meshing；moldflow

2014-09-09;修改稿收到日期:2014-12-25。

刘成娟(1983—)，女，在读硕士研究生，研究方向为模具CAD/CAE。E-mail：qzcj11@163.com。