劉成娟 胡志超 李毅 李延平

(集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門，361021)

網(wǎng)格劃分在帶金屬嵌件打印機(jī)板模流分析中的應(yīng)用

劉成娟 胡志超 李毅 李延平

(集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門，361021)

以帶金屬嵌件打印機(jī)板的塑件部分為例，探討了雙層面和3D實(shí)體網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分、檢驗(yàn)及診斷修復(fù)等關(guān)鍵技術(shù)，為進(jìn)行流動(dòng)、冷卻、翹曲等后續(xù)分析工作提供依據(jù)。

金屬嵌件 注射成型 網(wǎng)格劃分 模流

Moldflow(模流)注射成型仿真軟件的核心思想是有限元方法，即利用假想的線或面將連續(xù)介質(zhì)的內(nèi)部和邊界分割成有限數(shù)量和大小的網(wǎng)格，在一定條件下，簡(jiǎn)化復(fù)雜問(wèn)題使求得的近似解趨于真實(shí)解。隨著計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)不斷發(fā)展和改進(jìn)，其經(jīng)歷了中面流技術(shù)到雙面流技術(shù)再到實(shí)體流技術(shù)的3個(gè)發(fā)展階段。

中面流技術(shù)是將三維流動(dòng)問(wèn)題合理簡(jiǎn)化為厚度方向的一維問(wèn)題和流動(dòng)方向的二維問(wèn)題，其分析結(jié)果不夠全面，具有局限性；雙面流技術(shù)的模型上下層表面網(wǎng)格匹配率的高低決定著分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，無(wú)法完全模擬真實(shí)三維流動(dòng)情形等;而實(shí)體流分析技術(shù)采用三維有限差分方法，可分析厚度分布不均勻的塑件和研究熔體壓力隨厚度方向的變化；采用先進(jìn)網(wǎng)格切分技術(shù)、耦合求解方法、網(wǎng)格映射和3D立體顯示技術(shù)，保證了快速、精確的進(jìn)行三維流動(dòng)仿真；但該模型網(wǎng)格數(shù)量大，運(yùn)算速度受限，技術(shù)難點(diǎn)較多[1]。

下面以某公司帶金屬嵌件打印機(jī)板為例，利用注射成型仿真軟件Moldflow 2012探討了雙層面和3D實(shí)體網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分、檢驗(yàn)及診斷修復(fù)等技術(shù)，為帶金屬嵌件的打印機(jī)板后續(xù)工藝優(yōu)化提供保證。

1 網(wǎng)格劃分

帶金屬嵌件打印機(jī)板三維模型如圖1所示，是金屬和塑料的組合體，表面質(zhì)量要求高。塑件部分壁厚在1～6 mm過(guò)渡。

首先，對(duì)導(dǎo)入的塑件幾何模型進(jìn)行前處理。圓角特征對(duì)網(wǎng)格劃分的影響如圖2所示。去除前網(wǎng)格縱橫比在小圓角的位置偏大，網(wǎng)格修復(fù)工作量較大且困難，而且全局網(wǎng)格邊長(zhǎng)需要取到1 mm才能滿足網(wǎng)格要求。網(wǎng)格數(shù)量多，計(jì)算機(jī)無(wú)法運(yùn)算,去除前后的對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示，其中網(wǎng)格數(shù)量包括塑件和嵌件。

表1 小圓角去除前后對(duì)比數(shù)據(jù)

注：總時(shí)間包括冷卻、填充、保壓和翹曲的時(shí)間。

由此可知，去除對(duì)分析結(jié)果影響可忽略的不規(guī)則小圓角、小倒角或螺紋等細(xì)微特征，可有效地提高網(wǎng)格質(zhì)量和分析效率[2]。

其次，網(wǎng)格采用自動(dòng)劃分技術(shù)，雙擊方案任務(wù)視窗中的“創(chuàng)建網(wǎng)格”→“工具”→“生成網(wǎng)格”圖標(biāo)，全局網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)置為1.9 mm (一般取壁厚的1.5～2倍)，弦高為0.1 mm，其他采取默認(rèn)方式。根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)和成型技術(shù)采用3D網(wǎng)格模型。劃分3D網(wǎng)格前，需先進(jìn)行雙層面網(wǎng)格劃分。

2 網(wǎng)格檢驗(yàn)及診斷修復(fù)

2.1 檢驗(yàn)網(wǎng)格質(zhì)量

網(wǎng)格診斷修復(fù)之前，首先進(jìn)行網(wǎng)格狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，可以把網(wǎng)格的全部信息展示出來(lái)，包括實(shí)體統(tǒng)計(jì)和各種網(wǎng)格缺陷、問(wèn)題網(wǎng)格的數(shù)目以及匹配率等。然后，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果對(duì)網(wǎng)格缺陷采取修正措施進(jìn)行修復(fù)。不同產(chǎn)品網(wǎng)格劃分后出現(xiàn)的問(wèn)題不同，只需對(duì)有問(wèn)題的網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)。

選擇下拉菜單“網(wǎng)格”中的“網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)”命令，單擊任務(wù)欄中“顯示”，如圖3所示。

從圖3的網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，帶金屬嵌件打印機(jī)板塑件部分的雙層面網(wǎng)格質(zhì)量較好。其中，三角形和節(jié)點(diǎn)數(shù)目分別為14 040，7 022個(gè)，網(wǎng)格數(shù)量越多，使用的磁盤空間和RAM也越多；連通區(qū)域的個(gè)數(shù)應(yīng)該為1個(gè)，不為1個(gè)時(shí)，說(shuō)明整個(gè)模型中存在獨(dú)立的連通區(qū)域，需要重新連接在一起或移除；自由邊和多重邊的數(shù)目為0；配向不正確的單元數(shù)目為0；相交單元和完全重疊單元數(shù)目為0；而單元縱橫比數(shù)值為27.1，不滿足要求，需要修復(fù)。

2.2 診斷與修復(fù)網(wǎng)格

網(wǎng)格修復(fù)時(shí)，一般遵循局部性、對(duì)稱性、發(fā)現(xiàn)性、從大到小的原則，這樣不僅可以將同一區(qū)域或?qū)ΨQ區(qū)域的同類問(wèn)題網(wǎng)格修補(bǔ)完畢，減少移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)模型的時(shí)間，而且隨時(shí)發(fā)現(xiàn)修補(bǔ)過(guò)程中非問(wèn)題網(wǎng)格出現(xiàn)的局部變形，如網(wǎng)格塌陷、扭曲等，提高修模效率。此前處理是模流分析最重要復(fù)雜的環(huán)節(jié)，修復(fù)的好壞，直接影響產(chǎn)品的分析結(jié)果。

三角形單元縱橫比R是指三角形的長(zhǎng)和高2個(gè)方向的極限尺寸之比。R的取值范圍為1.16～∞(1.16指等邊三角形的縱橫比，∞指成直線的情況)。R值越大，三角形越趨于扁長(zhǎng)，當(dāng)R無(wú)限大時(shí)，出現(xiàn)零面積三角形缺陷。修復(fù)網(wǎng)格時(shí)，需特別注意模型的某些敏感區(qū)域，比如澆口對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量要求較高。避免高縱橫比單元，尤其長(zhǎng)邊不要沿著流動(dòng)方向，否則單元的后節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生附加抗力，導(dǎo)致流動(dòng)壓力、溫度和速度產(chǎn)生急劇變化，影響分析精度和速度。

綜上所述，圍手術(shù)期急性腎衰傷是圍手術(shù)期一種常見并發(fā)癥，通過(guò)對(duì)急性腎衰傷進(jìn)行早期診斷，急性腎衰傷分級(jí)越低患者預(yù)后越好。

針對(duì)帶金屬嵌件打印機(jī)板塑件部分，網(wǎng)格縱橫比不滿足要求，需要進(jìn)一步修改。

2.2.1 自動(dòng)修復(fù)

單擊“主頁(yè)”→“網(wǎng)格”→“網(wǎng)格診斷及修復(fù)”工具欄。首先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行“網(wǎng)格修復(fù)向?qū)А边M(jìn)行自動(dòng)修復(fù)，它可以自動(dòng)搜索處理模型中的交叉、重疊單元及縱橫比等問(wèn)題，可反復(fù)使用該功能，但需要結(jié)合手動(dòng)修復(fù)功能，才能解決所有網(wǎng)格問(wèn)題。自動(dòng)修復(fù)結(jié)果摘要顯示：退化單元已修復(fù)0個(gè)，縱橫比第一次修復(fù)9個(gè)單元，第二次修復(fù)21個(gè)單元，第三次修復(fù)0個(gè)單元。

2.2.2 手工修復(fù)

點(diǎn)擊軟件工具欄中的“縱橫比”，為了清晰顯示，隱藏“新建節(jié)點(diǎn)”?？v橫比大于6的診斷結(jié)果如圖4所示。

單擊“合并節(jié)點(diǎn)”按鈕，選擇目標(biāo)節(jié)點(diǎn)N3410和起始節(jié)點(diǎn)N3415，應(yīng)用后結(jié)果如圖5(b)。

在凸耳部分，反復(fù)靈活使用“插入節(jié)點(diǎn)”“交換邊”“移動(dòng)節(jié)點(diǎn)”等功能，不斷減小產(chǎn)品的縱橫比。同時(shí)隨時(shí)檢查網(wǎng)格質(zhì)量，防止新缺陷的產(chǎn)生，如圖7所示。

劃分3D網(wǎng)格前，對(duì)雙層面網(wǎng)格劃分的縱橫比一般要求15及以下，最大縱橫比不超過(guò)25，這樣有利于提高分析的準(zhǔn)確性。如圖8所示，劃分好的雙層面網(wǎng)格最大縱橫比為13.1，滿足要求。

2.2.3 劃分3D網(wǎng)格

對(duì)帶金屬嵌件打印機(jī)板的塑件部分進(jìn)行初始雙層面網(wǎng)格劃分以及對(duì)所有網(wǎng)格缺陷修復(fù)完成后，設(shè)置網(wǎng)格類型為3D實(shí)體網(wǎng)格，并再次進(jìn)行網(wǎng)格劃分。全局網(wǎng)格邊長(zhǎng)為1.9 mm，網(wǎng)格匹配對(duì)于3D網(wǎng)格而言為可選項(xiàng)，當(dāng)表面單元匹配時(shí)，網(wǎng)格更好。

增加厚度方向最小層的數(shù)目，模型網(wǎng)格數(shù)目和分析時(shí)間會(huì)相應(yīng)增加，而減少最小層的數(shù)目可能會(huì)影響一些能量在模型厚度方向上的傳遞(如溫度、應(yīng)力、纖維取向等)和分析精度，常規(guī)分析類型采用6層即能獲得準(zhǔn)確結(jié)果，有特殊要求的分析，最小層的數(shù)目不能小于10層，數(shù)目高可捕獲非常精細(xì)的細(xì)節(jié)。該試驗(yàn)塑件需要考慮塑料與鍍鋅鋼板嵌件間熱量傳遞和收縮的相互影響，所以，厚度方向最小單元數(shù)取8個(gè)，四面體和四面體高級(jí)選項(xiàng)采用默認(rèn)設(shè)置。

使用“預(yù)覽”按鈕在劃分網(wǎng)格之前查看網(wǎng)格密度，合理后點(diǎn)擊確定。使用3D網(wǎng)格修復(fù)向?qū)г\斷網(wǎng)格質(zhì)量。顯示最大縱橫比為35.6，不滿足要求。搜索和修復(fù)縱橫比大于25的四面體單元。劃分好的3D網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)結(jié)果及網(wǎng)格模型如圖9所示。

圖10為帶金屬嵌件打印機(jī)板的部分?jǐn)?shù)值模擬結(jié)果。

其中，3D實(shí)體網(wǎng)格最大縱橫比為13.79，材料選用德國(guó)Bayer Material Science公司生產(chǎn)的熱塑性聚氨酯彈性體TPU，牌號(hào)為Desmopan DP 3660D，熔體溫度為225 ℃，模具溫度為40 ℃。

從圖10可知型腔充填完全，沒有澆不足的現(xiàn)象；熔接痕、氣穴的位置和數(shù)量以及分布也可清楚地看出；所有因素引起的總翹曲變形為0.417 6 mm。模流分析結(jié)果能很好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化。

3 結(jié)語(yǔ)

a) 以帶金屬嵌件打印機(jī)板為案例，利用注射成型仿真軟件Moldflow 2012探討了雙層面和3D實(shí)體網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分、檢驗(yàn)及診斷修復(fù)等技術(shù)。

b) 采用3D實(shí)體網(wǎng)格模型之前，需對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行雙層面網(wǎng)格預(yù)處理，網(wǎng)格質(zhì)量滿足要求后，再轉(zhuǎn)成3D實(shí)體網(wǎng)格。合理的全局網(wǎng)格邊長(zhǎng)、厚度方向、最小單元數(shù)目等網(wǎng)格參數(shù)，是順利進(jìn)行網(wǎng)格劃分及后續(xù)分析的基礎(chǔ)條件。

c) 對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修復(fù)時(shí)，一般遵循局部性、對(duì)稱性、發(fā)現(xiàn)性、從大到小的原則，并隨時(shí)檢查網(wǎng)格質(zhì)量，防止非問(wèn)題網(wǎng)格出現(xiàn)新的缺陷。

d) 正確、高效地進(jìn)行網(wǎng)格劃分是有限元準(zhǔn)確分析計(jì)算的根本保證。

[1] 劉迎春，郭成.Moldflow 3D技術(shù)在模流分析中的應(yīng)用[J].模具工業(yè)，2008，34(3):10-11.

[2] 賀燦輝，劉斌，鄒仕放.帶金屬嵌件的手機(jī)外殼注塑成型翹曲分析[J].工程塑料實(shí)用，2011，(11):29-30.

剛性聚丙烯產(chǎn)品和聚丙烯纖維用的HSBC改性劑

據(jù)"www.ptonline.com"報(bào)道，總部位于休斯頓的科騰高性能聚合物有限公司推出了一種新型氫化苯乙烯嵌段共聚物(HSBC)，作為聚烯烴改性劑效果好。MD1648是一種增強(qiáng)橡膠段(ERS)的SBC(苯乙烯類嵌段共聚物)，它與聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)的相容性好，應(yīng)用于手術(shù)防護(hù)服裝、尿布和工業(yè)紡織品用的彈性無(wú)紡布。MD1648不像常規(guī)的SBC，據(jù)說(shuō)具有高的彈性和強(qiáng)度以及極低的黏度，以致它可以在現(xiàn)有的熔噴工藝設(shè)備上加工。這使內(nèi)燃機(jī)的消音裝置更安靜，且生產(chǎn)出更靈活、更柔軟織物結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。

此外，新型HSBC可用來(lái)改善PP性能，用HSBC改性后的PP可制備家庭用品、汽車部件、絕緣材料以及黏合膠帶等。

聚烯烴用抗菌劑母料

據(jù)“www.ptonline.com”報(bào)道，在美國(guó)環(huán)保署注冊(cè)的Sanafor PO-5，為含吡啶硫酮鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%抗菌母料，在聚烯烴加工過(guò)程中添加，對(duì)聚烯烴力學(xué)性能不會(huì)產(chǎn)生任何不利影響。

Sanafor PO-5為新澤西州泰特斯維爾Janssen PMP公司的新產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有好的成本效益，可替代銀基抗菌劑，而銀基抗菌劑有好的防細(xì)菌性，但成本很高。Sanafor PO-5應(yīng)用結(jié)果表明，其能有效控制微生物在塑料表面上生長(zhǎng)，能對(duì)塑料提供長(zhǎng)期保護(hù)，防止細(xì)菌、霉菌、霉、藻類可能會(huì)導(dǎo)致的污漬、氣味和產(chǎn)物降解。這種添加劑母料還擁有良好的熱穩(wěn)定性和低的水溶解度，限制其從塑料中遷移出。

(以上由中國(guó)石化揚(yáng)子石油化工有限公司南京研究院

嚴(yán)淑芬供稿)

Application of Meshing in Moldflow Analysis on Printer Board with Metal Insert

Liu Chengjuan Hu Zhichao Li yi Li Yanping

(College of Mechanical and Energy Engineering of Jimei University, Xiamen ，F(xiàn)ujian,361021)

Using the plastic part of printer board with metal insert as a example, key technologies such as the dual-level and meshing, test and repair of 3D entitative mesh were discussed. The basis for flowing, cooling, warping and other follow-up analysis is provided.

metal insert；injection molding；meshing；moldflow

2014-09-09;修改稿收到日期:2014-12-25。

劉成娟(1983—)，女，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槟＞逤AD/CAE。E-mail：qzcj11@163.com。