塑料注射成形仿真系统HSCAE3D的关键技术

论述了注塑成形过程仿真系统HSCAE3D的关键技术和创新点。实验和实践证明 ,HSCAE3D系统为注塑制品和模具的虚拟制造奠定了坚实的理论和技术基础 ,构成了注塑制品成形质量全面控制的核心技术     

10年磨一剑 赶超国际先进水平——访华中科技大学模具技术国家重点实验室 李德群教授

采用计算机模拟塑料熔体成形过程具有很大的难度,虽然国际上各国的研究机构很多,但最终形成了有影响的商品化系统的只有澳大利亚的MF软件和美国的C-MOLD软件。国内的商品化软件以华中科技大学模具技术国家重点实验室开发的注塑成形流动分析系统(HSCAE)为代表。该软件经历了独立运行的CAE软件、二维模具设计软件与模拟软件的集成、三维模具设计制造软件与模拟软件的集成三个阶段,在国内注塑成形CAE技术的发展中具有领先地位。 5月,在“中国国际模具技术论坛”上,作为该系统的主持者,有着一派学者风度的李教授欣然接受了本刊记者的专访。     

[成形过程仿真优化与集成计算材料工程]限定加热管布局的快速热循环注塑成形模具电加热系统优化

针对管道布局、最大允许能耗给定条件下快速热循环注塑成形（RHCM）注塑模具型腔表面快速均匀加热的问题,提出以单根加热棒热流密度为设计变量,以模具型腔表面升温效率和温度分布均匀性为目标,结合有限元模拟、响应面设计以及多目标粒子群优化技术来优化RHCM模具电加热系统。与优化前相比,加热系统优化后,模具型腔表面最大温差降低63.4%,加热系统总能耗降低9%。对比了不同注塑成形工艺条件下成形的平板塑件表面质量,结果表明,相对传统注塑成形（CIM）工艺,RHCM工艺将制品表面粗糙度Ra从320 nm降低到118 nm,并有效抑制了制品表面熔接痕、缩痕等缺陷;发现制品表面粗糙度与型腔表面对应点温度成负相关,说明优化后的型腔表面温度分布更有利于提升制品表面质量。     

注塑成形制品收缩过程的数值模拟

根据注塑成形生产过程的特点,将模具型腔划分为由浇注系统起始的若干条流动路径,建立注塑制品收缩的理论模型,在此基础上由模具成形结构预测注塑制品收缩率分布趋势,并结合塑料供应商提供的收缩率数据,确定注塑制品各点收缩率。     

注塑成形制品的结构设计

注塑成形用树脂材料无论是物理性质还是化学性质都与金属材料不同,塑料制品的注塑成形方法也与金属切削加工不同,受到材料、模具及成形条件等很多因素影响。因此,注塑成形制品的设计也是不同的。注塑成形制品的设计主要应从树脂特性和模具加工两方面考虑。本文根据自己的工作实践,并结合有关资料从树脂特性方面论述保证注塑制品的精度、强发及使用性能等的设计方法。     

精密注塑制品残余应力的试验研究及其计算

注塑残余应力对精密注塑制品的力学性能和光学性能等有重要影响,是精密注塑制品质量控制的关键指标之一。为研究注塑成形过程中残余应力的发展,以丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物(Acrylonitrile butadiene styrene,ABS)塑料为研究对象,对其模内蠕变行为进行试验研究。将热弹性模型计算的收缩应变与试验测量的收缩应变之间的差值定义为制件的模内蠕变,得到注塑工艺条件对模内蠕变的影响规律。在此基础上构建计算精密注塑制品残余应力的蠕变模型。模型中的材料弹性模量可由Tait方程计算得到,粘壶系数采用反演方法计算得到。利用该模型结合薄壳有限元法对ABS平板注塑件残余应力进行计算,对计算结果进行试验验证,并与普通的松弛模型计算进行比较。计算结果表明,该模型的计算精度高于普通的松弛模型,是解决精密注塑制品残余应力预测问题的新的有效方法。     

注塑制品残余应力数值模拟的研究

通过预测和优化注塑成形中的残余应力，可以提高注塑制品最终形状的尺寸稳定性和力学性能。采用线性粘弹性模型，计算了无定形热塑性材料在成形过程中由温度和压力引起的残余应力。该模型可以较好地反映成形过程中的应力松弛现象和保压压力对残余应力的影响。通过采用在时间上进行差分和在厚度方向进行分层处理的方法，结合注塑成形中的特定边界条件，建立了残余应力的数值计算方法，并采用该方法模拟计算了典型注塑件的残余应力。结果表明：在脱模时刻，制品的表层有着较大的拉应力，袁层以下存在着一个应力低谷，在制品中间区域存在着抛物线形的应力分布。     

全三维注塑成形流动模拟有限元模型的研究

注塑制品往往具有复杂的几何形状，存在着壁厚的差异。三维流动模型比二维模型能更准确地模拟出熔体充模流动的情况。提出了一种基于全三维模型的注塑成形流动模拟的数学模型和数值实现方法，把速度和压力同次插值的方法成功地应用到三维注塑模拟的计算中，采用三维控制体积追踪塑料熔体的流动前沿，在温度场计算中，全面考虑了对流项在各个方向的影响，使模型的适用范围更广，结果更准确。在此基础上开发了相应的软件，可以计算熔体充模过程中的压力场、速度场和温度场等。实验验证和算例分析说明了三维流动模型的有效性。     

基于注射模具热流道技术的应用性研究

热流道技术是注塑模具成形过程中的一项先进应用技术.热流道技术应用在注塑模具上,从而达到产品质量优化、提高生产效率、节省原材料、节约能源、降低制品成本等目的.主要论述了热流道技术在注射模具上的应用研究,并对热流道技术应用在注射模具上的应用实例、热流道系统的适用性与热流道模具的技术经济性分析进行了详细讲解.     

基于仿真误差补偿模型的回弹补偿新方法

模具补偿是消除汽车外覆盖件回弹的一种有效方法，采用CAE迭代计算可获得模具的补偿型面，但由于回弹仿真计算存在较大的误差，因此实际成形件与设计模型有着一定的差异。针对回弹仿真不准确的问题提出了仿真误差补偿模型，并介绍了其建立过程，在仿真误差补偿模型的基础上通过CAE迭代计算获得模具的补偿型面，由于补偿过程考虑了回弹仿真误差，因此可以大幅度地提高成形精度。试验结果表明，由新方法所得到的实际成形件与其设计模型的差异非常小。     

精密注塑成型系统中注塑参数的优化设计

以注塑成型过程仿真获得的注塑过程中模具型腔的压力数据作为注塑机系统仿真的初始压力数据，进而通过系统动力学仿真，解决了设备系统参数的优化配置问题。针对仿真计算结果，讨论了影响注塑成型过程中精密压力控制的主要因素。系统动态特性试验结果表明，注塑成型过程仿真与系统动力学动态仿真相结合的综合分析方法是实现注塑成型参数优化和开发高精度注塑成型设备的一条有效途径。     

聚合物注塑内应力计算的蠕变模型

从聚合物粘弹性理论出发,构建了注塑制品内应力计算的蠕变模型。结合蠕变试验结果,分析聚合物注塑粘弹性行为的非线性响应,并提出在应力、温度作用下聚合物弹性模量和粘度的计算公式。在此基础上,利用有限元法对工程塑料ABS(Acrylonitrile butadiene styrene)平板注塑制件脱模前的内应力进行了模拟计算并与相关试验数据及模拟结果进行比较。结果表明该模型计算精度较高,且计算过程简便,为进一步准确预测注塑制件内应力提供了新的途径。     

注塑成形CAE系统分析模型研究

目前共有4种分析模型应用于注塑成形CAE系统:1维分析模型;2·5维中面分析模型;2·5维双面网格分析模型;3维实体分析模型。详细讨论了2·5维中面分析模型,2·5维双面网格分析模型和3维实体分析模型3种分析模型的优缺点,并通过理论分析和实例模拟结果的比较,研究了不同分析模型对注塑分析结果的影响,提出了在使用CAE系统中选择分析模型的规则。     

Three-dimensional numerical simulation for plastic injection-compression molding

Compared with conventional injection molding, injection-compression molding can mold optical parts with higher precision and lower flow residual stress. However, the melt flow process in a closed cavity becomes more complex because of the moving cavity boundary during compression and the nonlinear problems caused by non-Newtonian polymer melt. In this study, a 3D simulation method was developed for injection-compression molding. In this method, arbitrary Lagrangian- Eulerian was introduced to model the moving-boundary flow problem in the compression stage. The non-Newtonian characteristics and compressibility of the polymer melt were considered. The melt flow and pressure distribution in the cavity were investigated by using the proposed simulation method and compared with those of injection molding. Results reveal that the fountain flow effect becomes significant when the cavity thickness increases during compression. The back flow also plays an important role in the flow pattern and redistribution of cavity pressure. The discrepancy in pressures at different points along the flow path is complicated rather than monotonically decreased in injection molding.     

复杂曲面注塑产品模型集成分析技术

基于Hele—Shaw流动模型，研究了具有复杂曲面特征的注塑产品模型集成分析的技术方法，给出了在建立曲面型产品CAD特征实体模型时，考虑产品在结构上的可分析性，并按照该产品CAD几何形状的厚度分布对CAE网格单元模型附加其厚度属性信息的技术构架和实施方法。通过对影响注塑产品型腔充模流动过程的重要参数——流动率与cAE网格单元模型关系的研究，用数值仿真方法对两型腔钟表前后壳体注塑产品进行了CAE分析，其结果接近试验过程，从而验证了模型集成方法的有效性和准确性。     

气体辅助注射成型CAE分析前处理技术

介绍了三维实体流动模型的分析技术 ,指出了在进行 3D气体辅助注射成型 CAE中所采用的面网格分析及中面生成技术是目前薄壁注塑件流动模拟中适应性强 ,数值收敛性好 ,且能满足 CAE快速分析的关键技术。从此技术得到的 Shell和 Beam单元是进行气辅注射成型 CAE前处理 ,并进行准确预测分析的重要过程和方法。     

Optimization of conformal cooling channels with array of baffles for plastic injection mold

Cooling system has an important role in the injection molding process in terms of not only productivity and quality, but also mold-making cost. In this paper, a conformal cooling channel with an array of baffles is proposed for obtaining uniform cooling over the entire free-form surface of molded parts. A new algorithm for calculating temperature distribution through molding thickness, mold surface temperature and cooling time was presented. The relation among cooling channels’ configuration, process parameters, mold material, molding thickness and temperature distribution in the mold for a given polymer is expressed by a system of approximate equations. This relation was established by the design of experiment and response surface methodology based on an adequate physical-mathematical model, finite difference method and numerical simulation. By applying this approximate mathematical relation, the optimization process for obtaining target mold temperature, uniform temperature distribution and minimizing the cooling time becomes more effective. Two case studies were carried out to test and validate the proposed method. The results show that present approach improves the cooling performance and facilitates the mold design process in comparison to the trial-and-error simulation-based method.