張遠(yuǎn)村 汪海濤 張 杰

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

隨著用戶需求逐漸提高，產(chǎn)品更新迭代的速度不斷加快，在激烈市場競爭下，產(chǎn)品研發(fā)制造的周期縮短，而對產(chǎn)品的品質(zhì)及可制造性要求逐步提高，如何快速的占領(lǐng)市場，短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出高質(zhì)量的產(chǎn)品是研發(fā)人員需要面對的客觀問題，利用CAE軟件進(jìn)行在前期分析評估，快速，高效的提供優(yōu)化方案和數(shù)據(jù)支持是產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要手段。本文中以墻壁開關(guān)電子門鈴類產(chǎn)品中的面蓋為例，介紹分析過程中的中性面網(wǎng)格應(yīng)用及方案優(yōu)化過程。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及材料簡介

此產(chǎn)品主體面積為69*58 mm，面蓋中部通過網(wǎng)孔特征為出聲途徑，其中網(wǎng)孔特征約占產(chǎn)品主體面的1/4左右，為直徑1.2 mm的圓孔陣列排布而成，孔邊距為0.8 mm，此種網(wǎng)孔特征在模流分析種通常視為復(fù)雜橫截面，產(chǎn)品主壁厚及網(wǎng)孔特征區(qū)域壁厚初步設(shè)定為1.6 mm，四周為翻邊和卡扣結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品為外觀件，外表面為高光，采用熱塑性注塑成型。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。

產(chǎn)品材料為聚碳酸酯，簡稱PC，為非結(jié)晶性材料無定型熱塑性塑料，通常以優(yōu)異的電氣性能，良好的尺寸穩(wěn)定性，以及使用時(shí)對人體良好的安全性和機(jī)械性能，廣泛的用于電子電器行業(yè)。本次案例中所使用的材料為科思創(chuàng)Makrolon 2665，推薦的熔體溫度為280 ℃～320 ℃，模具溫度為80 ℃～120 ℃，熔融指數(shù)為12.5 cm3/10 min。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

2 初步風(fēng)險(xiǎn)評估及進(jìn)膠位置限制

產(chǎn)品整體壁厚較薄，為1.6 mm，中部的網(wǎng)孔區(qū)域通常充填困難區(qū)域，有產(chǎn)生熔接痕以及氣穴風(fēng)險(xiǎn)，容易造成外觀缺陷及品質(zhì)不良問題；進(jìn)膠位置的選擇上通常要避開外觀面以及自動化生成，因此側(cè)邊卡腳位置是比較理想的選擇，見圖2所示。

圖2 進(jìn)膠位置

3 問題分析

熔接痕及氣穴等缺陷屬于充填時(shí)熔膠流動造成缺陷，主要受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)影響，此產(chǎn)品需要防止在網(wǎng)孔區(qū)域產(chǎn)生困氣，燒焦等嚴(yán)重外觀問題，并盡可能的優(yōu)化熔接角度；此產(chǎn)品上的網(wǎng)孔特征空間窄小導(dǎo)致充填阻力大，其次更多的接觸面積也相應(yīng)從模壁上獲得較多的冷卻效因，因此需要調(diào)整網(wǎng)孔區(qū)域的幾何特征來進(jìn)行優(yōu)化，工藝上需要選用較高的模溫及料溫改善流動性。

4 模流分析方案制定

4.1 Moldflow網(wǎng)格模型的適用性

鑒于此類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性，合理選用Moldflow網(wǎng)格類型及分析技術(shù)是決定分析是否有效的前提條件。因此，網(wǎng)格模型對流動的準(zhǔn)確性為最重要的指標(biāo)，另外準(zhǔn)確的熱量損失計(jì)算也能進(jìn)一步提高分析結(jié)果準(zhǔn)確度。

在Moldflow中有以下3種常用于產(chǎn)品零件的網(wǎng)格建模：中性面網(wǎng)格，雙層面網(wǎng)格，3D網(wǎng)格，從CAE的假設(shè)和計(jì)算上有以下特性：

1）其中對于中性面及雙層面，其流動求解方程基于廣義hele-shaw流動模型；

2）3D模型是基于全三維的Nvier-stokes模型[1]；

3）對于制件幾何Hele-shaw流動模型要求最小長度和寬度應(yīng)大于厚度的四倍;而3D網(wǎng)格適合厚壁制件，局部長度和寬度小于局部厚度的四倍時(shí)推薦使用3D。另外中性面可對類似于網(wǎng)孔特征的復(fù)雜截面使用近似表示。

4.2 不同網(wǎng)格模型前處理特點(diǎn)

Moldflow對數(shù)模前處理步驟較為簡單。兼容多種通用CAD模型作為數(shù)據(jù)來源，進(jìn)行導(dǎo)入后可嘗試劃分網(wǎng)格，或通過CADdoctor軟件進(jìn)行模型簡化或修復(fù)后進(jìn)行網(wǎng)格劃分；對于此產(chǎn)品中部的網(wǎng)孔特征需網(wǎng)格劃分需要細(xì)化處理，以免模型失真，雙層面很難達(dá)到需要的精度和良好的匹配率，低于85%的匹配率的模型不被推薦使用；Moldflow中性面常用的做法有通過Hypermesh對模型進(jìn)行前處理后導(dǎo)入Moldflow計(jì)算，另外也可通過獲取產(chǎn)品外型進(jìn)行偏置，得到的中性面曲面模型來生成網(wǎng)格。

4.3 方案調(diào)整及計(jì)算效率

從后期方案調(diào)整的難易程度上來講：中性面可通過對網(wǎng)格單元的屬性設(shè)定，直接定義壁厚或進(jìn)行等效壁厚，形狀因子等屬性，來指定模型壁厚，不必對網(wǎng)格幾何進(jìn)行調(diào)整。3D網(wǎng)格通常無法直接調(diào)整厚度及幾何，需要分析方案的模型進(jìn)行更新。

從計(jì)算效率上來講：中性面網(wǎng)格數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩種網(wǎng)格類型，計(jì)算耗費(fèi)的時(shí)間也遠(yuǎn)小于其他兩種網(wǎng)格類型。

綜合以上因素，在此產(chǎn)品可使用中性面模型做為主要分析手段，3D網(wǎng)格為對比參考。

5 中性面模型方案建立

5.1 獲取中性層曲面

此方案中，直接使用了將產(chǎn)品表面進(jìn)行偏置，如圖3。

并對中間網(wǎng)孔面特征區(qū)域分割為獨(dú)立曲面進(jìn)行區(qū)分設(shè)定，如圖4。

5.2 網(wǎng)孔特征面處理

對網(wǎng)孔特征區(qū)域，需要進(jìn)行中性面表面特征的橫截面形狀等價(jià)處理：利用中性面三角單元的屬性通過使用具有相等厚度和形狀因子（用于修正表面樣式引起的冷卻和流動阻力）的單元進(jìn)行建模，主要有以下概念：

1）基本單元:將組成整個(gè)網(wǎng)孔特征的重復(fù)出現(xiàn)的最小特征作為基本單元，如圖5所示。

2）基本單元的投影區(qū)域A，如圖6所示。

3）型腔接觸面S，如圖7所示。

4）基本單元的體積V，如圖8。

本產(chǎn)品中，產(chǎn)品模型壁厚為b=1.6 mm，孔直徑d=1.2 mm，孔距為2 mm，a=0.8 mm計(jì)算可得:A=4，S=11.77,V=4.59;可得產(chǎn)品的等效厚度為t=1.15，形狀因子為1.47。

另外在Moldflow中對于簡單的圓孔及方孔也可直接輸入孔間距，壁厚，以及孔徑對中性面進(jìn)行屬性設(shè)定。最終壁厚診斷結(jié)果如圖9。

圖3 中性層曲面

圖4 網(wǎng)孔特征片體

圖5 基本單元

圖6 投影區(qū)域

圖8 體積V

圖9 壁厚診斷

6 中性面與其他兩種網(wǎng)格分析對比

6.1 流動結(jié)果對比

相同工藝設(shè)定下的等值線的對比，如圖10所示。

中性面與3D網(wǎng)格的分析結(jié)果均現(xiàn)出明顯的滯留現(xiàn)象，流動等值線一致性較高，而雙層面由于網(wǎng)格原因，結(jié)果無明顯滯留流現(xiàn)象，流動結(jié)果與中性面及3D差異大。

6.2 分析時(shí)間對比

通過對比分析消耗的時(shí)間，中性面存在明顯優(yōu)勢，如圖11所示。

在本案例單次充填計(jì)算中，非中性面網(wǎng)格消耗的時(shí)間是中性面網(wǎng)格的20倍以上，當(dāng)存在多方案需要進(jìn)行分析時(shí)，優(yōu)勢會更加明顯。

圖10 等值線對比

7 Moldflow優(yōu)化方案驗(yàn)證

經(jīng)初步問題分析及模流方案設(shè)計(jì)結(jié)果，對產(chǎn)品進(jìn)行相同工藝條件設(shè)定：模具表面溫度：120 ℃，熔體溫度315 ℃，注射時(shí)間為0.7 s，VP切換點(diǎn)為99%。

方案1為原始方案；

方案2在網(wǎng)孔區(qū)域進(jìn)行壁厚增加將壁厚，從1.6增加到1.9 mm；

方案3加大網(wǎng)孔區(qū)域的孔間距從0.8 mm加大到1.0 mm；

方案4將與網(wǎng)孔特征區(qū)域不變，將同一平面的主壁厚減薄改為1.5 mm。

驗(yàn)證不同壁厚分布及網(wǎng)孔特征下的產(chǎn)品充填狀態(tài)。充填時(shí)間等值線結(jié)果，如圖12所示。

前沿溫度，vp切換壓力，充填末端壓力結(jié)果對比，見表1。

從分析結(jié)果來看,調(diào)整后的等值線匯合位置都出現(xiàn)了不同程度后移，說明滯留現(xiàn)象得到改善，方案3的具有相對最高的流動前沿溫度以及最低的壓力，匯合點(diǎn)后移程度更大，說明改善效果相對最為明顯，方案4對溫度上升2.2 ℃，改善較小，壓力上升明顯，大面積減小壁厚對流動平衡性改善有限，但對產(chǎn)品整體充填不利。

綜合以上方案，加大網(wǎng)孔區(qū)域的孔間距效果最好，增加網(wǎng)孔區(qū)域壁厚次之，最終優(yōu)化方案選用增加壁厚及加大孔間距。對初始方案和優(yōu)化方案進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)對比，如圖13所示。

圖11 消耗時(shí)間對比

從熔接痕和氣穴結(jié)果對比來看，風(fēng)險(xiǎn)變小。優(yōu)化后未在網(wǎng)孔區(qū)域形成氣穴。

圖12 不同方案等值線對比

表1 充填末端壓力結(jié)果對比

圖13 熔接痕及氣穴結(jié)果

8 結(jié)論

合理利用中性面網(wǎng)格，對網(wǎng)孔特征此類復(fù)雜截面進(jìn)行簡化處理，不僅可以保證計(jì)算結(jié)果的有效性，而且分析計(jì)算快速，通過網(wǎng)格屬性定義分析模型壁厚，可減少反復(fù)修改CAD模型的步驟，節(jié)省時(shí)間，提高設(shè)計(jì)、分析過程中的效率，具有較高的使用價(jià)值。