廖順松

（株洲九方裝備股份有限公司，湖南 株洲 412001）

模板是注塑機的關(guān)鍵部件，具有固定模具，作為運動導向定位基準的作用，也是整機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。現(xiàn)有注塑機模板的設(shè)計通常憑借經(jīng)驗進行類比設(shè)計導致現(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。實現(xiàn)注塑機模板的優(yōu)化設(shè)計，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 注塑機模板有限元分析

這里通過對某塑料機械有限公司30噸合模力的注塑機的模板進行研究，來獲得注塑機模板拓撲優(yōu)化的實用性結(jié)果。在進入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模板的實體模型。

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向，板四角孔處由導向拉桿相連，背部固定模具，承受合模時模具壓力，底部固定于床身。板基本結(jié)構(gòu)為長方體，左右對稱。為節(jié)省計算資源，按中軸線取一半模型，并簡化一些螺孔、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。在實際工況中，拉桿螺母對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，同樣強度下對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 動模板有限元分析

同理，得到動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。將動模板作為受彎構(gòu)件，該處所在的截面為危險截面，模擬結(jié)果也符合這點。

圖2 動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)分析前必須對模型作如下假設(shè)簡化處理，去除后模板上各種對最終應(yīng)力分布改變不大的細微結(jié)構(gòu)移除合模周期過程中的溫度場變化：后模板同樣取二分之一進行研究。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，顯然滿足強度要求，可大幅縮減。在對后模板進行拓撲優(yōu)化分析時，這些區(qū)域是優(yōu)化的重點。

圖3 后模板單元平均等效應(yīng)力分布云圖

2 結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化與模板改進設(shè)計

拓撲優(yōu)化是在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行，在拓撲優(yōu)化前，必須要考慮到模板在注塑機中的臨界安裝尺寸。

2.1 拓撲優(yōu)化的建模技術(shù)

注塑機模板屬于厚板連續(xù)體結(jié)構(gòu)，基于有限元分析獲得的拓撲優(yōu)化結(jié)果，結(jié)構(gòu)邊界呈現(xiàn)不規(guī)則性，若要提取對優(yōu)化方案有參考價值的信息，其優(yōu)化結(jié)果需要進行適當?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)體的拓撲優(yōu)化結(jié)果，轉(zhuǎn)化為易于理解的表達方式。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簡化冗余網(wǎng)格信息。

2.2 模板拓撲優(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，同時各處的厚度均勻。模板底部要來自機架的約束，所以簡化成矩形體獲得X向的約束。①對前模板結(jié)果進行分析可知：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動模板的拓撲密度結(jié)果云圖中可知動模板密度材料分布形成雙拱橋結(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后模板在拓撲優(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，為保證肘桿機構(gòu)正常完成順序動作，優(yōu)化前模型保留了相當大的深度，使得拓撲優(yōu)化時的余地變小。

3 結(jié)語

利用CAE技術(shù)進行注塑機模板的優(yōu)化設(shè)計既有學術(shù)意義，又具有較強的工程實用價值。采用有限元及拓撲優(yōu)化方法對模板進行分析設(shè)計，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，實現(xiàn)模板輕量化的目標。同時，與傳統(tǒng)的經(jīng)驗式的結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，它大大縮短了設(shè)計周期及降低成本，明顯提高了經(jīng)濟效益。

[1]曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]李競.注塑機模板的有限元分析及拓撲優(yōu)化設(shè)計[D].廣西：廣西大學，2002.

[3]涂書棟.基于的壓鑄機合模機構(gòu)有限元分析研究[D].武漢：武漢大學，2005.

[4]Rong JH，Xie YM，Yang XY.An imoptimical method for evolutionary structural optimization against buckling[J].J Computers&Structure，2001.

[5]夏明，王興天.注塑機合模機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[J].北京化工學院學報，1990，17（4）.