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（株洲九方裝備股份有限公司，湖南 株洲 412001）

模板是注塑機(jī)的關(guān)鍵部件，具有固定模具，作為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向定位基準(zhǔn)的作用，也是整機(jī)中消耗鋼材最多的部件。模板的性能很大程度上影響注塑制品的質(zhì)量?，F(xiàn)有注塑機(jī)模板的設(shè)計(jì)通常憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比設(shè)計(jì)導(dǎo)致現(xiàn)有模板過于笨重、巨大，且存在變形過大、失效甚至斷裂的問題。實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)模板的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小變形，優(yōu)化應(yīng)力分布，并最大限度的節(jié)省材料，具有重要意義。

1 注塑機(jī)模板有限元分析

這里通過對(duì)某塑料機(jī)械有限公司30噸合模力的注塑機(jī)的模板進(jìn)行研究，來(lái)獲得注塑機(jī)模板拓?fù)鋬?yōu)化的實(shí)用性結(jié)果。在進(jìn)入ANSYS的求解器開始分析前，可選擇ANSYS本身自帶的建模功能或者其他3D建模軟件得到注塑機(jī)模板的實(shí)體模型。

1.2 前模板有限元分析

前模板的主要作用是固定模具及定位導(dǎo)向，板四角孔處由導(dǎo)向拉桿相連，背部固定模具，承受合模時(shí)模具壓力，底部固定于床身。板基本結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方體，左右對(duì)稱。為節(jié)省計(jì)算資源，按中軸線取一半模型，并簡(jiǎn)化一些螺孔、小凹槽及圓角后，在軟件中建立前模板的三維幾何模型，轉(zhuǎn)化成IGES格式導(dǎo)入ANSYS中。

通過建模、劃分網(wǎng)格、施加邊界調(diào)節(jié)和載荷后，進(jìn)入求解器求解后，再通用后處理器查看結(jié)果。在后處理器中查得單元平均應(yīng)力云圖如圖1。該云圖反應(yīng)了前模板應(yīng)力分布比較均勻。在實(shí)際工況中，拉桿螺母對(duì)模板的的約束并非完全限制，是系統(tǒng)剛度與載荷之間的平衡。前模板的大部分區(qū)域應(yīng)力都在70MPa以下，基本符合強(qiáng)度要求。模板大平面上最大應(yīng)力出現(xiàn)在模具安裝區(qū)四角上，該處承受的主要是壓應(yīng)力，同樣強(qiáng)度下對(duì)模板的破壞作用有限。因此，必須使模板上的應(yīng)力分布趨于合理。

圖1 單元平均應(yīng)力云圖

1.3 動(dòng)模板有限元分析

同理，得到動(dòng)模板單元平均等效應(yīng)力分布云圖2，從應(yīng)力云圖中可以清晰得到其應(yīng)力分布。大多數(shù)單元應(yīng)力都在70 MPa以下，在部分應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力可達(dá)200 MPa以上，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鉸孔安裝平面，在QT500-7的許用強(qiáng)度之內(nèi)。應(yīng)力的分布不盡合理尤其是在安裝模具的中心區(qū)域邊緣過大。將動(dòng)模板作為受彎構(gòu)件，該處所在的截面為危險(xiǎn)截面，模擬結(jié)果也符合這點(diǎn)。

圖2 動(dòng)模板單元平均等效應(yīng)力分布云圖

1.4 后模板有限元分析

后模板結(jié)構(gòu)分析前必須對(duì)模型作如下假設(shè)簡(jiǎn)化處理，去除后模板上各種對(duì)最終應(yīng)力分布改變不大的細(xì)微結(jié)構(gòu)移除合模周期過程中的溫度場(chǎng)變化：后模板同樣取二分之一進(jìn)行研究。同上處理過程，得到后模板單元平均等效應(yīng)力分布云圖3。該云圖顯示后模板大部分區(qū)域承受應(yīng)力均30MPa在以下，應(yīng)力最大的區(qū)域在拉桿孔附近固定螺母的約束平面，極值達(dá)168MPa。從后處理器中查看變形云圖可得后模板最大變形并不在于中心區(qū)域，而是在安裝鉸孔處背面。后模板的力學(xué)模型剛度較大，在底層和邊緣的材料應(yīng)力均很小，顯然滿足強(qiáng)度要求，可大幅縮減。在對(duì)后模板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析時(shí)，這些區(qū)域是優(yōu)化的重點(diǎn)。

圖3 后模板單元平均等效應(yīng)力分布云圖

2 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化與模板改進(jìn)設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化是在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行，在拓?fù)鋬?yōu)化前，必須要考慮到模板在注塑機(jī)中的臨界安裝尺寸。

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化的建模技術(shù)

注塑機(jī)模板屬于厚板連續(xù)體結(jié)構(gòu)，基于有限元分析獲得的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，結(jié)構(gòu)邊界呈現(xiàn)不規(guī)則性，若要提取對(duì)優(yōu)化方案有參考價(jià)值的信息，其優(yōu)化結(jié)果需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮筇幚恚孩偬崛〗Y(jié)構(gòu)，將以密度分布介于表示連續(xù)體的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，轉(zhuǎn)化為易于理解的表達(dá)方式。②鋸齒形狀的優(yōu)化結(jié)果的光順，將帶有有限元網(wǎng)格幾何特征的鋸齒形狀的折線光順為直線邊緣。③簡(jiǎn)化冗余網(wǎng)格信息。

2.2 模板拓?fù)鋬?yōu)化

為方便單元的映射網(wǎng)格劃分，省略所有孔洞；厚度應(yīng)大于原模板，以便于得到更大的優(yōu)化空間，同時(shí)各處的厚度均勻。模板底部要來(lái)自機(jī)架的約束，所以簡(jiǎn)化成矩形體獲得X向的約束。①對(duì)前模板結(jié)果進(jìn)行分析可知：非優(yōu)化區(qū)域的選擇是正確的，在云圖中體現(xiàn)這些區(qū)域內(nèi)的材料承受大應(yīng)力，且隨體積約束的變化，原模型上部分材料的在結(jié)構(gòu)布局中的也逐步被邊緣化。②動(dòng)模板的拓?fù)涿芏冉Y(jié)果云圖中可知?jiǎng)幽０迕芏炔牧戏植夹纬呻p拱橋結(jié)構(gòu)，即肘桿施壓區(qū)和背面承力區(qū)形成的拱橋結(jié)構(gòu)，拉桿孔和肘桿施壓區(qū)形成的拱橋結(jié)構(gòu)。肘桿施壓區(qū)和背面承力區(qū)在不同平面上，這種結(jié)構(gòu)就極力適用于動(dòng)模板的受力情況。在拱橋的中間，仍體現(xiàn)出表面材料的重要性大于中間的傾向。另一拱橋結(jié)構(gòu)由于拉桿孔貫穿模板Z向，拱形并不明顯，而拉桿孔周圍材料的密度分布仍體現(xiàn)出表面重中間輕的彎曲梁原則。③后模板在拓?fù)鋬?yōu)化之后的筋板形式比其他兩塊模板凌亂。這與后模板優(yōu)化前的模型結(jié)構(gòu)有關(guān)系，為保證肘桿機(jī)構(gòu)正常完成順序動(dòng)作，優(yōu)化前模型保留了相當(dāng)大的深度，使得拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)的余地變小。

3 結(jié)語(yǔ)

利用CAE技術(shù)進(jìn)行注塑機(jī)模板的優(yōu)化設(shè)計(jì)既有學(xué)術(shù)意義，又具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。采用有限元及拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)模板進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，可以在不提高結(jié)構(gòu)岡度，優(yōu)化應(yīng)力分布前提下大幅節(jié)省模板的材料，實(shí)現(xiàn)模板輕量化的目標(biāo)。同時(shí)，與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，它大大縮短了設(shè)計(jì)周期及降低成本，明顯提高了經(jīng)濟(jì)效益。

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