楊　光 楊　燦 張　馳（上海大學(xué)；上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院）

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基于UG-CAE軟件的輪罩工藝分析

楊光 楊燦 張馳
（上海大學(xué)；上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院）

摘要：本文以汽車輪罩成型過程為對象，以注塑流動(dòng)原理、CAE有限元分析和數(shù)值模擬等理論為支撐，以UG與模流分析軟件Moldflow為工具平臺，對輪罩塑料成型過程進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬與數(shù)據(jù)分析，這些數(shù)據(jù)與有效結(jié)果可為生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：有限元分析 運(yùn)動(dòng)仿真 UG輪罩

1　引言

有限元分析和仿真是目前比較重要的科學(xué)研究方法，具備許多優(yōu)勢，如直觀、便捷、高效、參數(shù)化和低成本等，因此在理論模擬分析和實(shí)際加工生產(chǎn)，以及實(shí)驗(yàn)研究中具有非常重要的地位。目前市場上仿真軟件層出不窮，多種多樣，不同模塊的功能也逐步完善。Moldflow是一種便捷且行之有效的仿真工具，是針對塑件注射成型過程進(jìn)行仿真分析的軟件，軟件操作界面靈活，與UG的接口良好。該軟件將產(chǎn)品成型過程作為分析對象，以產(chǎn)品在注塑過程中的材料流動(dòng)原理、數(shù)據(jù)有限元和數(shù)值模擬等理論為支撐，在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性方面具有優(yōu)勢，模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)可為生產(chǎn)實(shí)踐提供重要參考。在多年的實(shí)際應(yīng)用中，軟件不斷地修補(bǔ)更新，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較高。

筆者以汽車輪罩成型過程作為研究對象，首先運(yùn)用UG軟件對汽車輪罩進(jìn)行三維實(shí)體造型，從產(chǎn)品的基本形狀和尺寸入手，對部件模具進(jìn)行前期的初步設(shè)計(jì)，并完成基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析，確保結(jié)構(gòu)合理性。然后，利用Moldflow軟件進(jìn)行模擬分析和仿真，通過對數(shù)據(jù)的分析與比較，適當(dāng)對汽車輪罩的模具進(jìn)行改進(jìn)，在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)模具和成型工藝等方面存在的問題，從而修改設(shè)計(jì)方案，有效降低生產(chǎn)成本，提高制品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，為生產(chǎn)出質(zhì)量完美的產(chǎn)品作前期準(zhǔn)備。

在實(shí)際操作過程中，筆者利用Moldflow軟件，對輪罩的初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行澆口定位、流動(dòng)、冷卻、翹曲和氣泡等方面的仿真模擬和數(shù)據(jù)分析，預(yù)測輪罩澆筑狀態(tài)下的流動(dòng)、保壓和冷卻過程，并根據(jù)分析結(jié)果和顯示圖譜，預(yù)測輪罩在模具生產(chǎn)過程中可能存在的缺陷。針對輪罩在熔接痕、收縮變形和外形設(shè)計(jì)方面的缺陷，有針對性地提出解決辦法與設(shè)計(jì)修改建議。同時(shí)，利用軟件判斷最佳澆口位置，進(jìn)行澆口位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)，調(diào)整輪罩的熔接痕大小和位置。借助Moldflow的成型工藝模塊判斷最佳成型工藝條件，減小收縮變形量，并利用對圖譜曲線的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)調(diào)整到最佳狀態(tài)。

筆者合理選擇注塑成型方法，結(jié)合材料性能分析，通過對塑件工藝性的分析和模具生產(chǎn)條件、制造水平的掌握，制定成形工藝卡。在制定成形工藝卡后，開始進(jìn)行模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程包括：型腔的數(shù)目和位置的確定，模具的總體結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)，動(dòng)模及定模成形零件尺寸的確定，澆注系統(tǒng)形式及尺寸的確定，脫模方式的確定，調(diào)溫及排氣系統(tǒng)的確定，以及模架選擇等。

在完成以上各步驟后，便開始繪制模具的結(jié)構(gòu)草圖，根據(jù)具體尺寸校核注塑模具及注塑機(jī)的有關(guān)尺寸，并對工藝參數(shù)進(jìn)行核定和計(jì)算。之后進(jìn)行初步的審查，對所存在的問題進(jìn)行確定和修正，然后繪制模具總裝配圖，按裝配圖繪制成型零件及所有需要加工的零件工作圖，同時(shí)考慮零件的加工工藝。

在本文中，筆者主要介紹塑件的成形工藝分析，模具結(jié)構(gòu)形式的確定，分型面位置的確定，澆注系統(tǒng)的形式和澆口的設(shè)計(jì)，成形零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算，模架的確定和標(biāo)準(zhǔn)件的選用，合模導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，脫模推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

2　輪罩的前期數(shù)據(jù)分析

為了更準(zhǔn)確地反應(yīng)產(chǎn)品的實(shí)際工況，并提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，首先要對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)作一些前期分析。

（1）產(chǎn)品外形尺寸分析，通過產(chǎn)品分析出產(chǎn)品尺寸：450mm×350mm×250mm，整個(gè)產(chǎn)品的體積為450cm3。

（2）產(chǎn)品壁厚診斷，從圖1看出產(chǎn)品壁厚分部情況，通過軟件對產(chǎn)品進(jìn)行厚度分析，產(chǎn)品最薄處是1.718mm，最厚處是1.865mm，整個(gè)產(chǎn)品均厚為1.8mm，可以看出主導(dǎo)部分均在1.8mm左右，整個(gè)產(chǎn)品壁厚的范圍在1～2mm內(nèi)。從而判斷出產(chǎn)品為均厚，并對極值部位進(jìn)行修改。

圖1

（3）產(chǎn)品材料分析，從圖2看出，產(chǎn)品整體材質(zhì)為PP，圖中展示了產(chǎn)品在190～250℃溫度下，產(chǎn)品的流變性變化圖譜。

（4）產(chǎn)品網(wǎng)格劃分分析，從圖3、圖4得出產(chǎn)品網(wǎng)格劃分結(jié)果。從網(wǎng)格質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，網(wǎng)格三角形面片數(shù)量是44810，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)是22385個(gè)，連接區(qū)域有2個(gè)，面積是4993.7cm2，產(chǎn)品網(wǎng)格最大的長寬比小于10，符合要求，網(wǎng)格平均長寬比為2.21，也符合基本要求，最小長寬比是1.16，整個(gè)網(wǎng)格的匹配度達(dá)到90.4%，反比例百分比是85.2%，整體劃分的網(wǎng)格是符合分析要求的。

圖2

圖3

圖4

（5）產(chǎn)品澆口位置分析。從圖5得出輪罩產(chǎn)品采用左右件注塑，可以節(jié)約成本。通過軟件分析，根據(jù)塑件的形狀結(jié)構(gòu)，分析出最佳的交口位置，并繪制流道的形狀與位置、大小等。該產(chǎn)品使用一模兩腔的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用閥式澆口，產(chǎn)品的澆口位置采用四處直澆口，澆口直徑5mm。分析結(jié)果比較適合實(shí)際要求，大面流速均勻。筆者通過軟件模擬，繪制出合理的流道，為進(jìn)一步的分析作數(shù)據(jù)參考，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)來判斷位置是否合理。

圖5

3　輪罩澆注分析的數(shù)據(jù)

在Moldflow環(huán)境中，運(yùn)用模流分析軟件實(shí)現(xiàn)對所選制件在注塑成型過程中的澆口、填充、流動(dòng)、冷卻和翹曲分析，以此來確定制件的最佳成型工藝方案，并對不合理的因素進(jìn)行不斷修正，為工程實(shí)際生產(chǎn)提供合理的工藝設(shè)置依據(jù)，減少因工藝引起的制件缺陷，有助于降低實(shí)際生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

圖6

（1）產(chǎn)品澆注時(shí)間分析。圖6展現(xiàn)了澆注時(shí)間，整個(gè)產(chǎn)品填充時(shí)間為1.745秒，從等值線可以看出部分時(shí)間是相等的。可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在澆注過程中溶液的變化情況圖譜，經(jīng)過圖譜分析，整個(gè)產(chǎn)品的填充時(shí)間是1.839秒，離澆口最遠(yuǎn)的位置時(shí)間最久，填充的樣本是均勻過渡，比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)分布不均的問題。

（2）產(chǎn)品的填充壓力變化。從圖7看出澆注時(shí)產(chǎn)生的填充壓力：流道壓力分部，當(dāng)部分體積填充在98.51%時(shí)，產(chǎn)生的壓力在25mPA左右。整個(gè)產(chǎn)品的壓力差在2mPA范圍內(nèi)，這一結(jié)果顯示了注塑時(shí)的壓力分布，相對比較勻稱，符合設(shè)計(jì)思路。通過在模具內(nèi)的流動(dòng)路徑，在填充階段結(jié)束壓力分配相對均勻合理。

圖7

（3）產(chǎn)品填充后的溫度變化。從圖8看出，澆注填充結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的溫度圖譜，溫度從209℃到215℃范圍。散裝溫度是速度加權(quán)平均溫度時(shí)，聚合物是流動(dòng)之和的簡單平均溫度時(shí)，流量停止。在這個(gè)范圍內(nèi)，澆注填充過程中，模具設(shè)計(jì)的理想情況是溫度均勻分布。

圖8

（4）產(chǎn)品氣穴熔接痕的變化圖譜，圖9模擬氣穴與熔接痕的位置，針對產(chǎn)品模擬位置來確定模具修改方案，對產(chǎn)品進(jìn)行合理修正以避免氣穴與熔接痕的產(chǎn)生，并通過填充、保壓、冷卻和開模等模擬，推算制品成型周期，預(yù)測是否出現(xiàn)缺膠或短射現(xiàn)象。該產(chǎn)品的氣穴有一兩處，在分型面位置出現(xiàn)的氣穴可以忽略，因?yàn)榉中兔嫣幣艢庑Ч^優(yōu)，而其他部位的氣穴應(yīng)通過加強(qiáng)排氣系統(tǒng)的設(shè)置來改善。分析證明，熔接痕較少，比較符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

（5）產(chǎn)品熔接痕的變化圖譜。圖10高亮多色的區(qū)域是焊縫可能出現(xiàn)的地方。如果焊縫線的角度小于135度，焊縫線可能由人的眼睛看到，焊接線可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)問題，并且它們也可能導(dǎo)致部分視覺缺陷。但是，一些焊接線是不可避免的，所以需要依靠加工條件和焊縫位置來判斷焊縫是否具有較高的質(zhì)量，焊接線的強(qiáng)度受焊縫線形成的溫度影響。焊接線位置處的流動(dòng)前沿溫度接近熔溫，則焊縫的強(qiáng)度足夠。

圖9

圖10

（6）產(chǎn)品注射后容積的變化圖譜。觀察圖11的顏色分布，顏色過渡是均勻的收縮。相鄰表面的體積收縮率之間的差異小于3%，則該產(chǎn)品收縮均勻。從顏色看，相鄰表面深度差異小于3%，引起變形的主要原因是不同收縮率，可以通過提高模溫來改善該問題。

圖11

通過對比分析不同冷卻、不同收縮、不同分子取向所引起的翹曲變形量及變形位置和面積，來確定引起變形的主要原因。這樣可以判斷產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，為實(shí)際產(chǎn)品的生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)理論依據(jù)。

通過圖譜分析，得到輔助設(shè)計(jì)最佳澆注系統(tǒng)，并通過流動(dòng)分析圖譜可以幫助我們獲得最佳保壓階段的設(shè)置，從而盡可能地降低由保壓引起的產(chǎn)品收縮和翹曲等質(zhì)量缺陷。

而通過冷卻分析圖譜的結(jié)果，可以判斷制件冷卻效果的好壞，根據(jù)冷卻效果還可以計(jì)算出冷卻時(shí)間的長短，確定成型周期。而翹曲分析則是為了進(jìn)一步檢查制件最終成形后的尺寸合格情況，通過各個(gè)方向上的偏差，來檢查前面的流動(dòng)和冷卻條件設(shè)置的合理程度。

4　輪罩澆口位置參數(shù)不同比較分析

（1）熔體流動(dòng)前沿溫度比較，從圖12和圖13分析得出，前者熔體流動(dòng)前沿溫度Case 1：7℃，后者Case 2：9.2℃，產(chǎn)品外觀面溫差Case 1：7℃，Case 2：9.2℃。

圖12

圖13

（2）熔體剪切速率和最大剪切速率的比較。從圖14和圖15得出Case 1：752851/s，Case 2：348071/s。產(chǎn)生最大時(shí)刻Case1：1.745s，Case2：1.777s。產(chǎn)品95%的剪切速率Case1：26390（1/s），Case2：28273（1/s）。產(chǎn)生最大時(shí)刻Case1：1.745s，Case2：1.777s。

圖14

圖15

（3）熔體不同方向上的變形比較（如圖16、圖17所示）。

Case 1：每個(gè)節(jié)點(diǎn)的冷卻變形不相同，最大的變形量是2.868mm，最小的變形量是0.0111mm，透明部分為原始形狀，比例系數(shù)為1，通過觀察可以看出第一種情況最遲到達(dá)的位置在產(chǎn)品彎角的最低處。

Case 2：每個(gè)節(jié)點(diǎn)的冷卻變形不相同，最大的變形量是3.542mm，最小的變形量是0.0114mm，透明的為原始形狀，比例系數(shù)為1，最遲到達(dá)的位置在產(chǎn)品的彎角。

（4）熔體冷卻時(shí)間比較。測量從一開始達(dá)到噴射溫度的時(shí)間。

圖16

圖17

Case 1：整體產(chǎn)品冷卻的時(shí)間為14.23s，Case 2：整體產(chǎn)品冷卻的時(shí)間為13.78s。由冷卻時(shí)間分析結(jié)果看出，優(yōu)化方案相對于初始方案，制品冷卻凝固時(shí)間由14.23s縮短到13.78s。

圖18

圖19

5　結(jié)語

本課題首先運(yùn)用UG對汽車輪罩進(jìn)行三維實(shí)體造型，對部件模具進(jìn)行前期的初步設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，接著運(yùn)用Moldflow軟件進(jìn)行模擬分析和仿真，通過對數(shù)據(jù)的分析與比較，適當(dāng)對汽車輪罩的模具進(jìn)行改進(jìn)，在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)制品結(jié)構(gòu)和模具、成型工藝等方面存在的問題，從而修改設(shè)計(jì)方案，有效降低生產(chǎn)成本、提高制品質(zhì)量和縮短生產(chǎn)周期。在實(shí)際生產(chǎn)中，設(shè)計(jì)師的主要目標(biāo)是提高生產(chǎn)效率，要求設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)力求結(jié)構(gòu)簡單，并保證其精度要求，最終需要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、精度穩(wěn)定和表面質(zhì)量高的注塑模具。

收稿日期：2016年5月9日