趙梅，趙 軍，周雄輝

（1.煙臺工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，山東煙臺264000；2.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，模具CAD國家工程研究中心，上海200030）

基于HyperMesh、MoldFlow與Nastran的注塑優(yōu)化集成

趙梅1，2，趙 軍2，周雄輝2

（1.煙臺工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，山東煙臺264000；2.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，模具CAD國家工程研究中心，上海200030）

對考慮充模歷史情況下的模具結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化進行了研究，綜合運用HyperMesh、Moldflow和Nastran等多種軟件完成從幾何建模、網(wǎng)格劃分、分析計算到結(jié)果處理的整個過程，實現(xiàn)了模流分析與模具結(jié)構(gòu)分析的集成優(yōu)化。結(jié)果表明，注射成型工藝與模具結(jié)構(gòu)分析的集成可以更加真實和全面地模擬注塑過程中塑料的流動情況和模具變形情況，為模具設(shè)計提供更為全面的參考依據(jù)。

注射成型；模具結(jié)構(gòu)；計算機輔助工程；模流分析；有限元分析

0 前言

目前的注射成型計算機輔助工程（CAE）技術(shù)及相應(yīng)的仿真軟件大多集中于某一個方面，而忽略了各個環(huán)節(jié)間的相互聯(lián)系。因為注射成型是一個系統(tǒng)工程，其流程包括產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計、工藝參數(shù)設(shè)計、產(chǎn)品性能分析等多個環(huán)節(jié)，涉及的相應(yīng)學(xué)科包括流變學(xué)、流體動力學(xué)、物理、化學(xué)、力學(xué)等多個方面。如注射成型工藝分析和模具結(jié)構(gòu)分析就分屬不同的學(xué)科范疇，并分別在不同的軟件中獨立進行，前者常用的分析軟件有MoldFlow、Moldex3D，后者有Ansys、Nastran等。而事實上注射成型工藝分析與模具結(jié)構(gòu)分析應(yīng)該是整個模具CAE分析與優(yōu)化設(shè)計過程中不可分割的2個方面：一方面模流分析結(jié)果可以給模具結(jié)構(gòu)分析提供準(zhǔn)確的邊界條件；另一方面，模具結(jié)構(gòu)的變形問題又直接影響模流分析的準(zhǔn)確性，但由于各自適用軟件的求解機理以及所用的求解器和內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，一般自成體系，相對封閉，制約了兩者的集成以及CAE效能的進一步發(fā)揮，導(dǎo)致仿真精度下降，造成分析結(jié)果不全面或不準(zhǔn)確，從而影響對整個設(shè)計方案與制造工藝的合理判斷。因此，在傳統(tǒng)注射成型工藝CAE模擬的基礎(chǔ)上，采用多學(xué)科集成分析的方法對成型過程進行比較完整地模擬分析與研究就顯得尤為必要。本文介紹了一種合理選擇相關(guān)軟件及建立各軟件間精確的數(shù)據(jù)交換機制，有效提高CAE分析的效率與精度的方法。

1 綜合應(yīng)用各種軟件進行CAD建模、模流分析、有限元分析及其前后處理

充分發(fā)揮UG、HyperMesh、MoldFlow、Nastran各種軟件的優(yōu)勢，揚長避短，使建模、網(wǎng)格劃分、計算分析及結(jié)果處理等過程操作方便、計算準(zhǔn)確、精度提高［1－3］。采用多種軟件集成分析的流程如圖1所示。

圖1 采用多種軟件集成分析Fig.1 Integration analysis based on various softwares

將UG NX建立的產(chǎn)品的計算機輔助設(shè)計（CAD）模型和模具的CAD模型，導(dǎo)入HyperMesh進行網(wǎng)格劃分前處理，再分別導(dǎo)入MoldFlow、Nastran進行產(chǎn)品的模流分析和模具結(jié)構(gòu)的有限元分析。因為UG采用基于約束的特征建模和傳統(tǒng)幾何建模為一體的復(fù)合建模技術(shù)，建模高速高效，但其在有限元網(wǎng)格劃分及有限元分析計算和后處理方面較為薄弱。HyperMesh是一款強大的有限元前處理軟件，在網(wǎng)格劃分方面與其他軟件相比有著無與倫比的優(yōu)越性，而且它與其他多種CAD和CAE軟件具有良好的數(shù)據(jù)接口，尤其適合于大型的復(fù)雜制品，因為該類制品如果直接在有限元軟件中處理，不僅耗費大量的時間和精力，而且可能影響結(jié)果的精度。

對比可知，Hypermesh劃分的網(wǎng)格質(zhì)量好、縱橫比等都符合有限元分析的要求，而且速度快，操作比較簡單，HyperMesh僅僅需要在MPI中做少量的修改就可以進行有限元分析，而直接使用MoldFlow劃分的網(wǎng)格畸變較嚴(yán)重，相交和重疊單元很多，尤其是單元的縱橫比超出了所允許的范圍，并在很多特征上都已經(jīng)改變了塑件原型。這時要用其自身的工具對網(wǎng)格進行修補，去除其重疊單元和非交疊邊，調(diào)整網(wǎng)格的縱橫比，這樣的修補過程極其繁瑣，調(diào)整的難度也比較大，因此需花費大量的時間來優(yōu)化網(wǎng)格才能保證分析結(jié)果的正確性。所以用HyperMesh作為MoldFlow的Midplane類型網(wǎng)格的前處理是非常合適的方法，可大大提高劃分網(wǎng)格的質(zhì)量和速度，從而提高分析的準(zhǔn)確性和工作效率。與模流分析軟件MoldFlow一樣，Nastran的缺點也是其幾何建模和網(wǎng)格劃分功能較差，且操作不方便，但它是具有高度可靠性的結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，其計算結(jié)果與其他質(zhì)量規(guī)范相比已成為最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，得到有限元界的一致公認(rèn)。它具有功能齊全的多種高級非線性有限元求解器，可以處理各種線性與非線性結(jié)構(gòu)分析；單元庫提供數(shù)百種單元類型，材料庫內(nèi)容十分豐富，具有多種線性與非線性及復(fù)雜材料模型；分析時采用具有高數(shù)值穩(wěn)定性、高精度與快速收斂的高度非線性問題求解技術(shù)，并采用加載步長自適應(yīng)控制技術(shù)，可自動確定非線性分析和動力響應(yīng)的加載步長，從而保證計算精度。

2 考慮充模歷史情況下的模具結(jié)構(gòu)強度校核與優(yōu)化

正交試驗設(shè)計在工藝優(yōu)化研究中的應(yīng)用非常廣泛，是安排多因素、多水平而不需要全面試驗的高效試驗設(shè)計方法［4－6］。但由于正交試驗往往沒有考慮交互作用，且只能在設(shè)計因素的水平點上給出解決方案，而不是在一定試驗范圍內(nèi)的最優(yōu)方案。為進一步提高優(yōu)化效果，采用回歸分析的方法得到試驗因素范圍內(nèi)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合?；貧w方程中最常用的模型為多元二次回歸方程，一般表示為：

式中 x——設(shè)計變量

Y——目標(biāo)變量

b0——常數(shù)項系數(shù)

bi——線性項系數(shù)

bii——二次項系數(shù)

bij——變量xi和xj之間的交互作用項系數(shù)

ε——試驗誤差

一般可根據(jù)物理或CAE實驗得到的數(shù)據(jù)，采用最小二乘法（或移動最小二乘法）求解此方程，得到設(shè)計變量與目標(biāo)函數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。采用多學(xué)科集成分析技術(shù)進行注射成型工藝與模具結(jié)構(gòu)強度校核與優(yōu)化的流程如圖2所示，其中N為實驗設(shè)計中的采樣次數(shù)。

3 實例分析

圖2 考慮充模歷史的模具結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化流程Fig.2 Structural analysis and optimization of injection mold based on filling process

圖3 垃圾桶的CAE模型Fig.3 CAE model of the trash can

如圖3所示，材料為高密度聚乙烯，采用直澆口的澆注系統(tǒng)，對制品的內(nèi)外表面均采用螺旋式水路進行冷卻，模具型腔材料定為P20鋼。在UG NX中建立垃圾桶產(chǎn)品CAD模型，將其導(dǎo)入HyperMesh進行網(wǎng)格劃分和修復(fù)之后再導(dǎo)入MoldFlow進行分析，工藝參數(shù)值為：模具溫度52℃、熔體溫度230℃、注射時間5s、保壓時間10s、保壓壓力為注射壓力的80%、冷卻時間20s，進行流動分析，將壓力分析結(jié)果導(dǎo)出，用于載荷映射，進行模具結(jié)構(gòu)分析，檢驗?zāi)＞叩淖冃吻闆r。

在UG NX中建立垃圾桶模具型腔CAD模型，將其導(dǎo)入HyperMesh進行網(wǎng)格劃分和修復(fù)，得到用于結(jié)構(gòu)分析的垃圾桶模具型腔有限元模型。然后根據(jù)模流分析結(jié)果，選擇模流分析所得壓力結(jié)果作為載荷，通過載荷映射程序，獲得模具型腔有限元模型的表面壓力分布，最后用Nastran進行模具結(jié)構(gòu)變形分析，并觀察保壓切換控制點（注塑填充過程中當(dāng)型腔快要充滿時，螺桿的運動從流動速率控制轉(zhuǎn)換到壓力控制，即V／P轉(zhuǎn)換點）、鎖模力最大時刻等關(guān)鍵工況時刻的模具變形結(jié)果，發(fā)現(xiàn)整個過程中鎖模力最大時刻模具的變形量最大。

采用正交試驗設(shè)計方法，通過極差分析比較工藝參數(shù)對垃圾桶模具變形的影響程度分別為：保壓壓力＞熔體溫度＞模具溫度＞注射時間＞冷卻時間＞保壓時間。通過回歸分析，求得單純考慮模具變形情況下的優(yōu)化工藝參數(shù)為：模具溫度32℃、熔體溫度280℃、注射時間4s、保壓時間14s、保壓壓力為注射壓力的60%、冷卻時間20s。

為了驗證模具變形效果，在此工藝條件下再次進行模流分析，并通過載荷映射程序得到垃圾桶模具型腔在注塑過程中的壓力分布后，在Nastran中分析模具變形，得到模具最大變形量如圖4所示，變形量明顯減少。當(dāng)然，只單純考慮模具變形是不夠的，此時雖然變形量明顯減小，但280℃熔體溫度可能使產(chǎn)品變形量增加，因此，還需要綜合考慮產(chǎn)品變形，進行多目標(biāo)優(yōu)化。

圖4 優(yōu)化前后最大鎖模力時刻的模具變形Fig.4 Transformation at maximum clamping force time

4 結(jié)論

（1）選用合理的有限元前處理軟件可提高有限元分析工作的質(zhì)量和效率，對計算精度和計算量產(chǎn)生直接的影響；

（2）注射成型工藝與模具結(jié)構(gòu)分析的集成可以更加真實和全面地模擬注塑過程中塑料的流動情況和模具變形情況。

［1］ 周臨震，劉德仿.基于MSC／Nastran的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計［J］.機械設(shè)計與制造，2006，（10）：15－17.

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Optimization Integration of Injection Molding Analysis Based on HyperMesh，MoldFlow and Nastran

ZHAO Mei1，2，ZHAO Jun2，ZHOU Xionghui2

（1.Department of Mechanical Engneering，Yantai Engineering and Technology College，Yantai 264000，China；2.National Engineering Research Center of Die and Mold CAD，School of Materials Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China）

The modeling，plotting finite element grids，analyzing，and calculating for an injection mold were completed with the aid of softwares HyperMesh，Moldflow，and Nastran，optimization integration of mold structure and mold flow was realized.The integration of injection technology and mold structure could comprehensively simulate the flowing of materials and the deformation of injection mold，and thus provided a basis for the mold design.

injection molding；mould structure；computer aided engineering；mold flow analysis；finite element analysis

TQ320.66＋2

B

1001－9278（2012）03－0099－04

2011－11－28

聯(lián)系人，xyt1022＠126.com

（本文編輯：劉 學(xué)）