陳開源

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東 佛山 528137）

0 引言

目前，世界塑料成型CAE 軟件市場(chǎng)由Moldflow 軟件主導(dǎo)。利用CAE 技術(shù)可以在模具加工前，在計(jì)算機(jī)上對(duì)整個(gè)注塑成型過程進(jìn)行模擬分析，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熔體的填充、保壓、冷卻情況，以及制品中的應(yīng)力分布、分子和纖維取向分布、制品的收縮和翹曲變形等情況，以便設(shè)計(jì)者能盡早發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)修改制件結(jié)構(gòu)和模具設(shè)計(jì)，而不是等到試模以后再返修模具。這不僅是對(duì)傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)方法的一次突破，而且對(duì)減少甚至避免模具返修報(bào)廢、提高制品質(zhì)量和降低成本等，都有著重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。

1 Moldflow 和Hypermesh 軟件介紹

作為優(yōu)秀的一款塑料成型CAE 軟件，Moldflow 在注塑模擬分析方面有著強(qiáng)大的功能；然而要獲得準(zhǔn)確的模擬分析結(jié)果，模型的前處理非常關(guān)鍵；而網(wǎng)格的劃分又是前處理中極為關(guān)鍵的一步，網(wǎng)格質(zhì)量劃分的好壞直接影響到模流分析結(jié)果的優(yōu)劣。

Moldflow 在網(wǎng)格處理方面有著一定的功能，在該軟體環(huán)境下，可以對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的自動(dòng)劃分，用各種方法編輯網(wǎng)格，合并接點(diǎn)，選擇不同的單元類型以優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，滿足了大部分用戶的需要。然而，Moldflow 不是專業(yè)的網(wǎng)格前處理軟件，在網(wǎng)格處理方面存在一些不足。當(dāng)模型較為復(fù)雜，小特征眾多時(shí)，網(wǎng)格生成速度很慢，網(wǎng)格修改煩瑣，時(shí)間很長(zhǎng)，影響了工作效率。

Hypermesh 軟件是一款世界領(lǐng)先的、功能強(qiáng)大的CAE 應(yīng)用軟件。HyperMesh 具有強(qiáng)大的前后處理功能，它能讓CAE 分析工程師在高度交互及可視化的環(huán)境下進(jìn)行仿真分析工作。與其他的有限元前后處理器比較，HyperMesh 的圖形用戶界面易于學(xué)習(xí)，特別是它支持直接輸入已有的三維CAD 幾何模型（UG、Pro/E、CATIA 等）已有的有限元模型，并且導(dǎo)入的效率和模型質(zhì)量都很高，可以大大減少很多重復(fù)性的工作，使得CAE 分析工程師能夠投入更多的精力和時(shí)間到分析計(jì)算工作上去。

在處理幾何模型和有限元網(wǎng)格的效率和質(zhì)量方面，HyperMesh 具有很好的速度，適應(yīng)性和可定制性，并且模型規(guī)模沒有軟件限制。其他很多有限元前處理軟件對(duì)于一些復(fù)雜的，大規(guī)模的模型在讀取數(shù)據(jù)時(shí)候，需要很長(zhǎng)時(shí)間，而且很多情況下并不能夠成功導(dǎo)入模型，這樣后續(xù)的CAE 分析工作就無法進(jìn)行；而如果采用Hypermesh，其強(qiáng)大的幾何處理能力使得Hypermesh 可以很快的讀取那些結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，規(guī)模非常大的模型數(shù)據(jù)，從而大大提高了CAE 分析工程師的工作效率，也使得很多應(yīng)用其他前后處理軟件很難或者不能解決的問題變得迎刃而解。

2 Moldflow 與Hypermesh 的數(shù)據(jù)交換

目前，Moldflow 軟件支持midplane，fusion 和3D 三種網(wǎng)格類型，而后面兩種是在midplane 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。但目前為止，Hypermesh 主要是用于midplane 網(wǎng)格的劃分。主要原因是hypermesh 軟件劃分fusion 網(wǎng)格沒有考慮到匹配率，所以，盡管使用hypermesh 劃分得到的fusion 網(wǎng)格質(zhì)量很好，但不能輸出導(dǎo)入到moldflow中進(jìn)行分析，因?yàn)榫W(wǎng)格匹配率實(shí)在是過低。

由于在moldflow 軟件中，3D 網(wǎng)格是在fusion 網(wǎng)格的基礎(chǔ)上生成的，而hypermesh 的fusion 網(wǎng)格劃分時(shí)沒有考慮到網(wǎng)格的匹配率問題，因此，moldflow 不支持hypermesh 的3D 網(wǎng)格。

根據(jù)前面分析，兩軟件的網(wǎng)格數(shù)據(jù)交換就只支持midplane 類型的網(wǎng)格了，但由于hypermesh 強(qiáng)大的中性面提取能力和高效的網(wǎng)格劃分質(zhì)量，因此，使用hypermesh 來做midplane 的網(wǎng)格前處理，無疑會(huì)大大提高網(wǎng)格的劃分速度和質(zhì)量，從而節(jié)省前處理時(shí)間并保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

下面介紹如何使用hypermesh 來劃分midplane 網(wǎng)格，從而實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)交換的。

（1）加載mpi 模塊。要使hypermesh 劃分的網(wǎng)格能使用在moldflow 中進(jìn)行分析，首先，要在hypermesh 加載模型前加載mpi 模塊，如圖1 所示是加載面板。

圖1 加載MPI 模板Fig.1 MPI template loaded

（2）加載模型。加載mpi 模塊后，需要加載模型。Hypermesh 支持多種格式的產(chǎn)品模型，可以根據(jù)需要直接導(dǎo)入相關(guān)的幾何模型。模型導(dǎo)入后可以根據(jù)實(shí)際的需要來對(duì)模型作一些修改。比如：為了提高劃分網(wǎng)格的質(zhì)量，可以刪除模型中的一些小特征，如圓角、小孔等特征。

（3）抽取中性面和劃分網(wǎng)格。處理好模型后，接下來就要使用hypermesh 的中性面提取功能提取出產(chǎn)品的中性面，如圖2 所示是中性面提取面板。Hypermesh 具有強(qiáng)大的中性面提取功能，可以迅速提取出高質(zhì)量的產(chǎn)品模型中性面。

中性面提取完后，可以使用hypermesh 的2D 網(wǎng)格劃分功能劃分中性面的網(wǎng)格。圖3 所示分別是hypermesh 和moldflow 所得的相同產(chǎn)品的網(wǎng)格，但劃分網(wǎng)格過程中，hypermesh 更加迅速，而且，從圖中可知，hypermesh 所得的網(wǎng)格更加規(guī)整。因此，使用hypermesh 作moldflow 的網(wǎng)格前處理是一個(gè)非常適用的方法。

圖2 中性面提取面板Fig.2 Midplane mesh extraction panel

圖3 Hypermesh 和Moldflow 的網(wǎng)格Fig.3 Mesh of Hypermesh and Moldflow software

（4）提取中性面厚度。產(chǎn)品模型都具有一定的厚度，而模型的中性面代表一個(gè)產(chǎn)品的模型信息，因此，需要定義中性面的厚度，通過圖4 所示對(duì)話框可以自動(dòng)抽取中性面的厚度，在抽取中性面厚度的同時(shí)可以定義模腔的數(shù)目，抽取算法，以及公差等參數(shù)。

圖4 自動(dòng)抽取中性面的厚度Fig.4 Automatic extraction of the thickness of midplane mesh

（5）導(dǎo)出數(shù)據(jù)。接下來就可以導(dǎo)出midplane 的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，導(dǎo)入moldflow 中使用，導(dǎo)出格式為.udm 格式，導(dǎo)出對(duì)話框如圖5 所示。導(dǎo)入moldflow 后，系統(tǒng)可識(shí)別出相關(guān)的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，然后根據(jù)網(wǎng)格進(jìn)行相應(yīng)的模流分析計(jì)算。

從以上兩個(gè)軟件在相同條件下所作的有限元前處理的整個(gè)過程可以看出：

第一，Hypermesh 具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)接口功能，能直接接收和輸出各種格式的數(shù)據(jù)。

圖5 導(dǎo)出數(shù)據(jù)對(duì)話框Fig.5 Export data dialog

第二，Hypermesh 具有更強(qiáng)大的幾何清理功能。

第三，Hypermesh 具有更強(qiáng)大而便捷的網(wǎng)格編輯功能。

第四，在相同條件下，Hypermesh 劃分的網(wǎng)格更加完整有序。

第五，Hypermesh 在網(wǎng)格質(zhì)量控制指標(biāo)方面有更完整的數(shù)據(jù)，因此，所得的網(wǎng)格更加趨于合理。

因此，在進(jìn)行注塑成型CAE 分析時(shí)，推薦使用Hypermesh 進(jìn)行前處理，對(duì)Midplane 網(wǎng)格進(jìn)行劃分和修改，再將所得的網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入Moldflow 中進(jìn)行CAE 分析，可以節(jié)省網(wǎng)格劃分和優(yōu)化的時(shí)間，提高工作效率。

3 結(jié)束語

模型的有限元前處理一直是CAE 技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，前處理占用整個(gè)CAE 過程約80%的時(shí)間，而且它直接影響到結(jié)果的準(zhǔn)確性。Hypermesh 軟件作為一款優(yōu)秀的CAE 前處理軟件，網(wǎng)格劃分功能強(qiáng)大。本文從有限元網(wǎng)格的優(yōu)化出發(fā)，基于Midplane 網(wǎng)格單元，實(shí)現(xiàn)了Hypermesh 與Moldflow 軟件的數(shù)據(jù)交換，從而大大地提高了劃分Midplane 網(wǎng)格生成的速度和質(zhì)量，為獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)論作保證。

[1]于開平. Hypermesh 從入門到精通[M]. 北京: 科學(xué)出版社，2005.

[2]李楚琳.Hyperworks 分析應(yīng)用實(shí)例[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2008.