文 宏

（蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730050）

分析CAE在薄壁殼體件注塑模具制造中的應(yīng)用

文 宏

（蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730050）

介紹了CAE技術(shù)的功能與注塑模具的設(shè)計(jì)需求的切合性，并分析了CAE技術(shù)在薄壁殼體件注塑模具設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)應(yīng)用，最后對(duì)于CAE技術(shù)未來(lái)的發(fā)展做了展望。

注塑模具；CAE；設(shè)計(jì)；制造

0 前言

薄壁殼體模具要根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品的類(lèi)型、特點(diǎn)以及產(chǎn)品的材質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中模具的結(jié)構(gòu)包括模具的流道類(lèi)型、尺寸，澆口類(lèi)型、數(shù)量、尺寸、位置，以確保設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)合理，并且使模具有利于產(chǎn)品制作在澆注和冷卻。因此模具設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)工程師的要求很?chē)?yán)格，要求他們不僅要有豐富的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，還要在材料、制作工藝等方面的知識(shí)相當(dāng)熟悉，這樣對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)師的要求就非常高。而一個(gè)工程師就算有很好的模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但是實(shí)際設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品是多種多樣的，材料也不一而同，所以再有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)的過(guò)程中都無(wú)法避免不出錯(cuò)誤。有時(shí)候一個(gè)細(xì)微的變化或者特定的產(chǎn)品要求可能使得已有經(jīng)驗(yàn)不可用，或者即使可用但在實(shí)際試模之前，也無(wú)法進(jìn)行有效的驗(yàn)證。這導(dǎo)致了模具設(shè)計(jì)過(guò)程具有明顯的設(shè)計(jì)——修正——再設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。如何減少該過(guò)程中的循環(huán)次數(shù)，使初始設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到或者逼近合用的結(jié)果，這在實(shí)踐中具有重要意義。

CAE系統(tǒng)的功能正好可以解決在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的這些問(wèn)題，因?yàn)镃AE是以數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型為基礎(chǔ)的，可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)模型分析得到近似于實(shí)際結(jié)果，這樣就大大節(jié)約的模具制作的成本和制作的時(shí)間，并能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量，能夠有效的提高企業(yè)的效益。因此研究CAE技術(shù)在薄壁殼體件注塑模具中的應(yīng)用有很重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

1 CAE技術(shù)的詳細(xì)介紹

1.1 CAE的定義及基本結(jié)構(gòu)

CAE技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算解決產(chǎn)品的復(fù)雜的力學(xué)性能分析和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化分析，是利用數(shù)學(xué)模型的近似數(shù)值分析方法。CAE軟件以有限分析軟件為主體，分為兩類(lèi)，一種是以產(chǎn)品開(kāi)發(fā)為主的專(zhuān)用CAE軟件，一種是用于產(chǎn)品優(yōu)化創(chuàng)新的通用CAE軟件。CAE系統(tǒng)，其核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化。CAE軟件主要包含以下模塊：

（1）電腦建模模塊—安照設(shè)計(jì)模型的有效信息和相關(guān)的有效數(shù)據(jù)建立分析處理模型，運(yùn)用布爾運(yùn)算將模型分析，然后將產(chǎn)品生產(chǎn)材料參數(shù)和產(chǎn)品的使用載荷數(shù)據(jù)輸入到模型中，自動(dòng)分割成幾個(gè)單元，生成有限元模型信息。

（2）有限元分析模塊—該模塊將有限的單元庫(kù)中的有關(guān)產(chǎn)品模型、生產(chǎn)材料及產(chǎn)品應(yīng)用荷載等數(shù)據(jù)進(jìn)行約束處理等運(yùn)算方法計(jì)算，將這些數(shù)據(jù)帶入到線(xiàn)性和非線(xiàn)性的數(shù)據(jù)模型中運(yùn)算處理。

（3）修正模塊—通過(guò)有限元分析之后會(huì)發(fā)現(xiàn)建立模型中與實(shí)際的沖突，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)模型的各種物理特性進(jìn)行調(diào)整，將沖突消減，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化、修改。

（4）用戶(hù)界面模塊、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)、專(zhuān)家系統(tǒng)、知識(shí)庫(kù)。

CAE軟件對(duì)工程和產(chǎn)品的分析、模擬能力，主要決定于單元庫(kù)和材料庫(kù)的豐富和完善程度，單元庫(kù)所包含的單元類(lèi)型越多，材料庫(kù)所包括的材料特性種類(lèi)越全，其CAE軟件對(duì)工程或產(chǎn)品的分析、仿真能力越強(qiáng)。

一個(gè)CAE軟件的計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果的精度，主要決定于解法庫(kù)。先進(jìn)高效的求解算法與常規(guī)的求解算法，在計(jì)算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異。

1.2 發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

CAE系統(tǒng)早上世紀(jì)60年代就出現(xiàn)，并在模具設(shè)計(jì)中開(kāi)始應(yīng)用，經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展，CAE系統(tǒng)發(fā)展越來(lái)越完善，在模具設(shè)計(jì)方面發(fā)展也越來(lái)越全面，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛?，F(xiàn)已成為注塑模具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析中不可或缺的計(jì)算軟件。

CAE軟件在美國(guó)最先研究和開(kāi)發(fā)的，并且該軟件從研發(fā)開(kāi)始就在模具設(shè)計(jì)中得到了充分的肯定，隨著幾十年的完善發(fā)展成熟，現(xiàn)在CAE系統(tǒng)已經(jīng)在航空航天、汽車(chē)制造等大型模具生產(chǎn)中得到了充分的利用。并且德國(guó)、日本等機(jī)械加工強(qiáng)國(guó)也分別開(kāi)發(fā)了自己CAE軟件。

我國(guó)CAE系統(tǒng)的應(yīng)用是比較早的，只是在早期只是通過(guò)購(gòu)買(mǎi)的方式引進(jìn)了其他國(guó)家的CAE系統(tǒng)?，F(xiàn)在我國(guó)也在逐漸開(kāi)發(fā)自己的CAE系統(tǒng)，并且有的系統(tǒng)已經(jīng)比較完善，如鄭州大學(xué)的Z-Mold軟件、杭州自動(dòng)化技術(shù)研究院的MFEP4.0等。但是這些軟件的開(kāi)發(fā)沒(méi)有廣泛的與機(jī)械制造企業(yè)對(duì)接，主要是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的企業(yè)很少愿意使用CAE系統(tǒng)。主要是現(xiàn)在企業(yè)沒(méi)有認(rèn)識(shí)到CAE系統(tǒng)應(yīng)用的價(jià)值，和CAE系統(tǒng)能給企業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 CAE在薄壁殼體件注塑模具制造中各模塊的主要功能

在文章的前面已經(jīng)對(duì)CAE在注塑模具設(shè)計(jì)中的作用做了簡(jiǎn)要的敘述，下面將會(huì)對(duì)CAE系統(tǒng)在薄壁殼體件注塑模具制造中的主要功能做詳細(xì)的介紹。

薄壁殼體件注塑件在制作中有較大難度，由于薄壁帶來(lái)注塑難度，由于薄壁會(huì)帶來(lái)充型難，出模難，易變形，精度難以保證等難題的存在，若單純的靠設(shè)計(jì)工程師憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，很難得到理想的產(chǎn)品。而CAE系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和性能在薄壁殼體件注塑模具制造中得到了充分的展現(xiàn)。

2.1 薄壁殼體件注塑模具設(shè)計(jì)過(guò)程的預(yù)處理

CAE系統(tǒng)對(duì)于薄壁殼體件注塑模具設(shè)計(jì)的預(yù)處理是指注塑模具形狀在電腦三維塑性，在CAE系統(tǒng)中建立模具的幾何圖形，然后用CAE系統(tǒng)對(duì)圖形進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，將加工材料的材質(zhì)參數(shù)輸入到CAE系統(tǒng)中，為注塑模型過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬建立數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。當(dāng)模具圖形有限元網(wǎng)格劃分完畢后，對(duì)圖形進(jìn)行有限元計(jì)算，得出注塑模具時(shí)澆口的位置。然后對(duì)澆筑的流道、澆筑時(shí)模具的溫度、溶料的溫度進(jìn)行設(shè)定，最后設(shè)置注塑工程中的各個(gè)工藝參數(shù)，為后面的模擬注塑工程做準(zhǔn)備。

2.2 薄壁殼體件注塑模具制作的過(guò)程模擬

注塑過(guò)程的模擬根據(jù)時(shí)間先后分為：材料熔體的流動(dòng)模擬、澆筑模擬、冷卻過(guò)程模擬。因?yàn)樵谀＞咧圃爝^(guò)程中材料熔體的形態(tài)、溫度、狀態(tài)不不斷變化的，這樣就很難有效的把握，所以在模擬過(guò)程中要經(jīng)過(guò)一系列的能量守恒、過(guò)程假設(shè)、因素影響的計(jì)算，為了讓整個(gè)模擬過(guò)程更加接近于實(shí)際情況。而整個(gè)過(guò)程的模擬都是在以前建立的模型和數(shù)據(jù)庫(kù)中抽調(diào)的，操作非常方便，可行性也很高。

2.3 薄壁殼體件注塑模具制造模擬結(jié)果的分析

CAE系統(tǒng)在完成對(duì)整個(gè)薄壁殼體件注塑模具制造過(guò)程的模擬之后，會(huì)得出一系列的數(shù)據(jù)，反應(yīng)建立的模型的可行性。這個(gè)時(shí)候就需要工程師對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出模型中的不足之處，然后對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行修改。

2.4 CAE系統(tǒng)在薄壁殼體件注塑模具制造中的工藝流程

薄壁殼體件注塑模具制造中的工藝流程如圖1所示。

3 CAE系統(tǒng)在薄壁殼體件注塑模具制造中應(yīng)用展望

現(xiàn)在CAE系統(tǒng)無(wú)論在理論還是技術(shù)應(yīng)用等各方面已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，在模具制造方面也已經(jīng)得到了很大范圍內(nèi)的應(yīng)用，為模具制造業(yè)帶來(lái)了很大的發(fā)展，取得了巨大的成功，為企業(yè)帶來(lái)了巨大的效益，為設(shè)計(jì)工程的設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了很大便利。但是隨著科技的發(fā)展CAE系統(tǒng)在未來(lái)有更廣闊的發(fā)展，在薄壁殼體件注塑模具制造中起的作用也會(huì)越來(lái)越大。CAE系統(tǒng)在未來(lái)的發(fā)展方向應(yīng)該會(huì)有以下幾個(gè)方面：

（1）CAE與CAD技術(shù)的結(jié)合。CAD對(duì)于三維圖形的設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而CAD技術(shù)發(fā)展也越來(lái)越成熟，隨著它的發(fā)展會(huì)對(duì)圖形的設(shè)計(jì)越來(lái)越便捷，CAE系統(tǒng)有其結(jié)合會(huì)節(jié)省很多建立圖形的時(shí)間和工作。

（2）CAE技術(shù)與3D打印技術(shù)的結(jié)合。現(xiàn)在3D打印技術(shù)已經(jīng)逐步在模具制造中嶄露頭角，因其便利性廣受各制造企業(yè)的好評(píng)，只是現(xiàn)在技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展成熟。如果CAE系統(tǒng)與3D打印技術(shù)相結(jié)合那么在模具制造中會(huì)大大提高工作效率。

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