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塑胶产品CAE分析原理及实例

责任编辑：小林时间：2023-07-31 来源：转载于：数模科技

责任编辑：小林
时间：2023-07-31 来源：转载于：数模科技

分类：观点评述

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第一节 CAE理论基础

1．CAE概念

CAE（Computer-aid engineering）即计算机辅助工程。它是用计算机来生成新产品的模型，并由计算机来预测产品的性能，也就是利用计算机进行分析和仿真的过程。具体而言，CAE包括了采用各种不同的能模拟塑料注塑部件的工艺条件，以决定其注塑条件，预测塑料部件的最终性能即尺寸精度。工程技术人员还可通过该系统，对注塑制件各种性能进行全面分析，实现优化塑料品种选择和模具设计参数及制造工艺的目的。通过大量实践证明，在注塑工艺及加工中引入CAE技术，大大缩短了模具设计和制造周期，同时又为工艺条件的选择开辟了广阔的前景。

2．CAE发展的历史和现状

自本世纪40年代以来短短60余年，塑料加工行业飞速发展，从而带动了注塑模的迅速发展。塑料工业对模具的迫切需要是注塑模CAE技术发展的原动力，而近20年来，塑料流变学、几何造型技术、数控加工技术、计算机技术的飞速发展为注塑模CAE系统的开发创造了有利条件。综观CAE发展的历程，它经历了从一维、二维到三维的过程。注塑成型过程模拟的研究在国外开展的比较早，成果较多，出现了许多商品化CAE软件，如澳大利亚MOLDFLOW公司的MOLDFLOW软件，美国AC-TECH公司的C-MOLD，英国RAPRA公司的FillcalcIV等。我国注塑成型模拟研究开始于80年代。特别是在“八五“期间，在国家“八五“科技攻关项目的支持下，我国在注塑流动模拟，冷却模拟等方面取得了长足进展，并在某些方面达到了国际90年代初的水平。较为优秀的成果如华中科技大学的HSC3DRF软件等。这些软件一般都分为：数据库、几何造型和网格划分模块，初始设计模块、分析计算模块、结果显示等几个部分。本教材CAE分析均采用C-MOLD。

目前注塑模CAE技术的研究工作主要集中在流动模拟、冷却模拟以及压实和翘曲等几方面。

注射模流动充填过程模拟分析

流动充填模拟分析一般包括浇道系统分析和型腔充填分析。浇道系统分析的目的是确定合理的流道尺寸、布置以及最佳的浇口数量、位置和形状。型腔充填分析的主要目的是为了得到合理的型腔形状及最佳注塑压力、注射速率等。

注射模冷却系统模拟分析

注射模冷却系统的设计直接影响着注塑生产率和塑件质量，冷却系统的冷却效果决定着注塑模的冷却时间，而模具的冷却时间约占整个注塑循环周期的2/3。一个完善的冷却系统能显著的减小冷却时间。从而提高注塑生产效率。塑件的翘曲变形和内部残余应力常常是由于冷却不均引起的。利用CAE技术进行分析，可获得经济的冷却时间、合理的冷却管道尺寸和布置，使塑件尽可能均匀冷却。

3． CAE的作用

优化塑料制品设计

塑料的壁厚、浇口数量及位置、注塑模流道系统等对于塑料制品的成败和质量关系重大。以往全凭制品设计者个人的经验，用手工方法去实现，往往费力费时设计出的制品不尽合理。利用注塑模CAE系统，可以快速的设计出最优化的塑料制品。

优化塑料模具设计

模具设计者最担心的是反复试验，每次试模不成功后，往往要整改的是浇注系统。利用注塑模CAE系统，可以对型腔尺寸、浇口位置及尺寸等进行优化设计，在计算机上模拟试模改模，可以大大提高模具质量，减少实际试模次数。

优化注射工艺参数

注塑模CAE系统对注塑工艺人员有很大的帮助。它可以帮助确定最佳的注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、压实压力和时间、冷却时间等，以及注射出最佳的塑料制品来。

4．CAE模拟分析方法

模拟方法有许多，如：流动路径法（BFM）、流动分析网格法（FAN）、有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）即边界元法（BEM）等。熔体三维流动分析主要采用流动路径法和有限元/有限差分混合法。流动路径法所需计算时间短，但它对形状复杂的制品分析起来比较困难，在对展平的制件进行形状组合时，常需要靠设计人员的经验，准备工作比较多，有限元/有限差分法的计算不需人工干预，计算精度高，是目前大多数商品化流动模拟软件普遍采用的方法。熔体的冷却分析主要采用边界元素法，有限元法。现在的CAE软件多采用多种分析方法结合，这样可以提高准确性。

5．CAE软件

CAE领域中主流软件有两个，即MOLDFLOW和C-MOLD。C-MOLD是第一个以完备的科学理论为基础的CAE软件，该软件采用有限元/有限差分/控制体积的分析方法。MOLDFLOW是目前市场上最主流的CAE模拟软件。该软件已经进展到以四面体网格为基础的三维真实模拟。目前两家软件已经合并为一家。

第二节 CAE建模

在本节中，我们以海尔新外观洗衣机盖板为例。简要介绍了CAE的一些建模技巧，包括格式转换，模型处理，网格划分，流道、水道的建立方式等。以便使读者对C-MOLD的建模有一个概括的的认识，并能够简单的运用。

1.新外观洗衣机盖板模型

图4-1. 海尔新外观洗衣机盖板模型

如图1所示，洗衣机盖板是一个平板，由于平板容易翘曲变形，所以在一面增加了几条筋，而另一面是光滑的平面。

2.文件格式转换

我们用的制品模型一般都是用Pro/E做出的模型，Pro/E的文件格式是*.prt文件格式，而C-MOLD的文件格式是*.cvg文件格式,二者不能兼容，但是Pro/E和C-MOLD两种软件都可以使用*.igs文件，所以我们开始的第一步就是把*.prt文件格式转换为*.igs文件格式。

在转换格式的过程中，最重要的就是选面，如果面选的好，那么可以节省至少三分之一的工作量，如果面选的不好，工作量变大。在后续的操作中，需要花费大量时间和精力来修整模型，而且还可能导致分析误差加大。选面要注意的是尽可能让所选的面互相连接，并且尽可能选复杂面，这样才能把制品的特征全部表现出来。在本例子中，就是选带筋的复杂面。转换后的*igs文件如图4-2所示。

3.建立C-MOLD几何模型

文件格式转换完成后，进入C-MOLD系统，用File\Import Geometry\Improt IGES(.igs)命令把文件导进去。

在C-MOLD流动分析中，塑料在模型中的流动都是从一个面流到另一个面，如果一个面处在另一个面的中间，那么塑料是不会流入进去的，它将视中间的面为不存在。所以我们所要做的工作就是使每一条筋都处在面的边界处，使所有的面都相交，使所有相交的面都处在面的边界处。

图4-2 .转换后的洗衣机盖板*.igs文件

下面我对在模型修整时常用的几个命令作一下简单的介绍：

1.建立点（Creat Geom\Points）

在C-MOLD中，点的作用非常大，无论在二维空间或三维空间中，我们经常需要用点来确定位置和方位。建立点有五种方法：用绝对坐标来建立点，如（x,y）或（x,y,z）；用相对坐标来建立点，如（@x,y）或（@x,y,z）；通过旋转角度来建立点，这种方法是先建立或选一个点，然后输入>r,θ(r为长度，θ为角度)；通过物体相交来确定交点；还有通过一个点确定其在一个物体上的投影点。

2.画线（Creat Geom\Lines）

画线有4种方法：通过两点画线；通过一点确定与一条直线的垂直线；通过一点或一个物体建立与另一个物体的切线；通过选择的一条线和圆（或圆弧），建立一条指定角度的与圆（或圆弧）相切的切线（如图4-3）。

图4-3

3.建立流道（Creat Geom\Runners）

在这个命令中有三种选项，cold，hot，part。

cold表示冷流道；

hot表示热流道；

part既可以作为气道，又可以在建模的时候代替圆柱使用。

4.建立水道（Creat Geom\Channels）

在这个命令中有四种选项，regular，hose，baffle，or bubbler。

Regular表示普通的冷却水道；

hose表示水道与水道之间用胶管相连的部分；

baffle表示用铜片隔开的冷却水道（如图4-4所示）；

图4-4 baffle模型概要

bubbler表示冷却水从一个细小的管道进入套在这个细小管道外面的大管道中，冷却水从大管道中返流出来（如图5所示）。

图4-5 bubbler模型概要

5.建立连接器（Create Geom\Connectors）

Connectors是一条特殊的直线，它的两个端点必须是要连接的两个实体被用的点。在C-MOLD中，浇口与流道不能直接相连，这就要用到 Connectors命令。

Connectors不仅作为浇口与流道的连接部分，还可以作为进料的阀门。比如有多个进胶点的时候，通过设定，可以控制每一个进胶点进料的时间。

注意：Connectors具有方向性，它的起点和终点必须和塑料流动的方向相一致。

6．Edit Geom\Merge Points\Merge Selected Points

这个命令是把所选的一系列点合并成一个点。

7． Edit Geom\Project Points

这个命令是建立一个点在一个物体上的投影点。

8．Edit Geom\Merge Edges

这个命令是把一系列所选的物体合并为一个物体（如图6所示，两个物体（A1和L1），Merge后成为一个新的物体（S1））。

9．Edit Geom\Break Edges\Break Edges

这个命令是把一个物体在它与另外一个物体相交处打断，变为两个物体（如图7所示，L1和L2两条直线，打断后L1变为L3和L4两条直线，L2变为L5和L6两条直线）。

图4-6 .把两个物体Merge为一个物体

图4-7

10．Edit Geom\Move Geometry

Edit Geom\Copy Geometry

这两个命令所带的选项是一样的：

Translate：把一个物体从一个位置移动/复制到另一个位置；

Rotate：把一个物体沿一轴以一定角度旋转（移动/复制）（如图4-8）；

Scale：把一个物体以一定比例放大或缩小；

图4-8. C1以P5点为轴，逆时针旋转45°

Reflect：把一个物体沿一个面进行镜像（如图4-9）。

图4-9 .C1以L1为轴进行镜像

11．Topology\Regions

当我们把*.igs 文件导入C-MOLD中时，物体是以线框的形式存在的，而分析需要的是三维实体，所以我们需要把这些线框转变为具有一定厚度的面，这就要用到Regions命令了。

12.Mesh\Auot.Mesh\Mesh All

C-MOLD主要采用有限元/有限差分混合法，所以我们要用Mesh命令对所修整的几何造型进行有限元划分，把几何造型划分成许多细小的网格。点这一个命令后，系统会自动对造型进行划分。

以上就是几何造型中常用到的一些命令。

当一个物体导入C-MOLD后，具体的操作步骤是这样的（以洗衣机盖板为例）：

1.对导入的几何造型进行修整，修整后的物体如图4-10所示；

2.对修整后的造型进行Regions，Regions后如图4-11所示；

3.接下来需要加上流道，流道直径6mm，浇口为扇形浇口，由于洗衣机盖板是一模两件，所以我们还需要对造型进行对称处理。如图4-12所示；

4.对造型进行Mesh，Mesh后如图4-13所示；

5.把Mesh后的造型存为*.fem文件，这样，我们这一步骤就完成了。

图4-10 .修整后的洗衣机盖板几何造型

图4-11.Regions后的洗衣机盖板几何造型

图4-12 .加上流道后的造型

图4-13 .Mesh后的造型

第三节 CAE分析过程

1．流动模拟分析：

1.1选择材料、注塑机以及设定加工条件：

现在，我们进入C-MOLD Process Estimator界面。

C-MOLD Process Estimator是很有用的部分，在它的数据库中储存了大量的塑料材料、冷却水、模具材料以及注塑设备的性质特性，并且根据需要我们可以增加新的材料。

图4-14 .C-MOLD Process Estimator主窗口

图4-14是C-MOLD Process Estimator的主窗口，在这里选择我们需要的各种材料以及加工条件。

菜单Resin Sel.是选择各种塑料品种，在这里它把塑料按大的类别放在一起，如ABS、PP、PS、POM等，这样我们就可以很快根据塑料类别找到所需要的牌号的塑料。

菜单Coolant Sel.是选择各种类别的冷却液，如水、乙烯与乙二醇的混合物等。

菜单Model Material Sel.是选择各种模具材料的，如BRONZE 612、COPPER、TOOL STEEL P-20等。

菜单Machine Sel.是选择各种吨位的注塑机的，在这里它把各种注塑机按吨位放在一起，这样当我们查找注塑机时非常方便。

这四种材料的选择步骤是一样的，首先点该菜单下的Search选项，然后从弹出的窗口中选出要用的材料，然后再点该菜单下的Select选项即可。

菜单Process Estimators可以帮助我们在没有进行详细的分析之前，很快得到一些加工条件的评估，从而确定我们所选的材料是否合适。加工条件的评估主要依靠所选的材料、物体的几何造型以及加工条件。

假如我们要用菜单Process Estimators，首先必须选择一种塑料。如果还要进行冷却估计，那么还要选择冷却液。在评估时，C-MOLD会把所选材料的特征作为默认特征，比如我们从注塑机库中选择了一个注塑机，那么C-MOLD会自动把所选注塑机的特征作为评估时的条件。

在进行新外观洗衣机盖板分析时，我们所用的材料是ABS Chi Mai 707,冷却液是水，模具材料是STEEL P-20，注塑机是海天HTF180注塑机。

当我们把这一切步骤完成后，就要进行存盘，菜单File下目录如图4-15所示：

图4-15

图4-16

Save Material Props…是把所选的材料存为*.mtl文件。点击后弹出Template Selection窗口（如图4-16）。进行流动分析的时候选择Process Solution；进行保压分析的时候选择Productivity Solution；进行非晶体材料的冷却、翘曲变形分析时选择Performance(amorph)；进行晶体材料的冷却、翘曲变形分析时选择Performance(cryst)。由于我们现在进行的是注塑流动分析，所以选Process Solution，然后点OK、Save、Yes，取一个名字后再点OK即可。

Save Process Conds…，这个菜单是把所选的加工条件存为*.prc文件。点击后也弹出Template Selection窗口。这个窗口只有三个选项：Process Solution是进行流动分析；Productivity Solution是进行保压分析；Performance Solution是进行冷却、翘曲变形分析的。在这里我们仍然选Process Solution，点OK按纽后弹出C-MOLD Process Conditions窗口（如图4-17）。

图4-17 Process Conditions窗口

这是一个很重要的窗口，我们的许多注塑工艺条件都要在这里输入，比如注塑机螺杆速度、塑料注射温度、冷却水温度、流速以及热流道温度等。输入后点Save，起一个名字后点OK即可。

当这一切完成后，我们的材料选择、条件设定这一步骤就完成了。

1．2开始分析

现在我们进入C-MOLD的主界面（C-MOLD Control Panel）（如图4-18）。

在这个界面中，我们把所存的三个文件都吊出来，存为一个新的*.dsn文件。然后点击Design Diagnostics…，弹出Design Diagnostics窗口（如图4-19）。

图4-19 .Desin Diagnostics窗口

在这个窗口里面，Filling EZ表示快速充填，它只能显示流动情况的大概；Filling进行注塑流动模拟分析；Filling and Post-Filling进行注塑流动和保压分析；Integrated Filling and Cooling是进行注塑流动、保压以及冷却分析；Integrated Shrinkage and Warpage是进行注塑流动、保压、冷却以及翘曲变形分析。

我们选择Filling EZ,点Run Now按纽，然后弹出一个窗口，这个窗口是显示计算机运算的程度，当运算完成后，我们点Visualizer按纽，进入C-MOLD Visualizer窗口，从这里边我们记下螺杆速度以及制品体积，然后分别在C-MOLD Process Estimator和C-MOLD Process Conditions中把这些数值输入进去，再按上面的步骤重新把这些文件存一遍。

当再次进入Desin Diagnostics窗口后，我们选Filling，点Run Now按纽，计算机就开始分析了，这要花费一段时间，当计算机分析完成后，我们的注塑流动分析也就完成了。

1．3．分析结果：

现在，我们进入C-MOLD 2000系统，看分析结果。C-MOLD 2000是 C-MOLD的最高级版本，但是它的建模功能却不如C-MOLD 99版本，所以我们在99版本里建模，在2000版本里看分析结果。

下面是新外观洗衣机盖板的分析结果：

1.流动情况（图4-20）

图4-20. 图中红色部分为塑料最后充填部分

从C-MOLD 2000中，我们可以看到塑料充满型腔的整个动态过程，从而，我们对塑料在型腔中的流动方向、趋势有一个动态的认识。这对模具的结构设计有一定的帮助。

2．气穴位置（图4-21）

图4-21 .图中红色部分为容易困气位置

在注塑的时候，制品常常因为困气而出现烧焦现象，通过CAE分析，我们可以预先找到容易困气的位置，从而在该处开设排气槽，使缺陷在设计的时候就被排除掉。

3．注射压力（图4-22）

图4-22 .图中所显示的是浇口处注射压力随时间变化情况

在以前的时候，一套模具哪一种结构比较好，注射压力大不大，是否能够充满，这些问题都只能在试模的时候才能知道，而在设计的时候，只能大致估计。所以，生产的模具常常要试许多次模才能达到要求，浪费了大量的人力、物力以及时间。而现在，通过CAE分析，我们可以对各种方案进行比较，找出最佳的方案，并且可以明确告诉你这种方案是否能够充满，它的注射压力有多大。这样就能够避免由于设计的问题而出现的缺陷，提高一次试模的成功率，不仅降低生产成本，而且还能够大大缩短模具的生产周期，提高模具的生产效率。

4．锁模力（图4-23）

工程师在选择注塑机的时候，一般是凭经验而定，多大的模具用多大的注塑机，而这就会导致有的模具由于注塑机的锁模力达不到要求而在试模的时候出现飞边等缺陷。而通过CAE分析，我们可以清楚的知道这套模具需要多大的锁模力，从而可以知道所选的注塑机是否能够达到要求。

图4-23 图中显示的是锁模力随时间变化的情况

还有其它的一些结果，这里就不一一列举了。

2．保压模拟分析

保压模拟分析步骤和流动模拟分析差不多，只是在Template Selection窗口中选择Productivity Solution，在C-MOLD Process Conditions窗口中还要输入保压时间和开模时间，以及在Design Diagnostics窗口中选择Filling and Post-Filling选项，运算后出现的结果就是保压分析的结果。

保压分析的结果和流动分析的结果差不多，只是比流动分析的结果更精确，这里就不举例了。

3．冷却模拟分析

进行冷却模拟分析时，需要在C-MOLD Modeler界面中给模型加上冷却水管道。如图4-24就是洗衣机盖板加上冷却水管道后的模型，该模的冷却水管道直径10mm，前模一注水，后模一注水。其它步骤和保压分析一样，只是在Template Selection窗口中分别选择Performance (amorph)和Performance Solution选项，在C-MOLD Process Conditions窗口中除了输入保压时间和开模时间外，还要输入冷却水温度和冷却水流速，以及在Design Diagnostics窗口中选择Integrated Filing and Cooling选项，运算后出现的结果就是冷却模拟分析的结果。

4-24 .加上冷却水的洗衣机盖板模型

下面是新外观洗衣机盖板冷却模拟分析后的部分结果：

3.1可以优化成型时间（图4-25）

图4-25.当浇口的凝固层比例（Frozen layer fraction）为1时，浇口完全凝固，保压补料结束

通过CAE分析，我们可以知道模具大致的成型时间，从而在试模的时候优化模具的成型周期。

3.2验证前模型腔温度是否均匀（图4-26）

图4-26 .前模型腔温度分布

3．3后模型腔温度是否均匀（图4-27）

图4-27 .后模型腔温度分布

3．4验证前后模温度差异（图4-28）

原则上前后模温差越小约好，最大不应超过10度，否则冷却不均匀，制品易变形

图4-28 .前后模温度差异分布图

4．翘曲、变形分析

翘曲、变形分析步骤和冷却分析是一样的，只不过在Design Diagnostics窗口中选择Integrated Shrinkage and Warpage选项，运算后出现的结果就是翘曲、变形分析的结果。在模具设计中，翘曲、变形是最让人头痛、最麻烦的事情。当然对模具的修改也是很困难的。现在有了CAE的帮助，我们不仅可以预先知道该制品的变形情况，而且还能够验证种种方案，优化制品和模具设计，使工作更高效，更轻松，从而还提高了公司的竞争力。下面是新外观洗衣机盖板翘曲、变形分析后的部分结果，

从图中可以看出，变形并不明显。

来源：转载于：数模科技

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