劉成娟 胡志超 李毅 李延平

(集美大學機械與能源工程學院，福建 廈門，361021)

網(wǎng)格劃分在帶金屬嵌件打印機板模流分析中的應用

劉成娟 胡志超 李毅 李延平

(集美大學機械與能源工程學院，福建 廈門，361021)

以帶金屬嵌件打印機板的塑件部分為例，探討了雙層面和3D實體網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分、檢驗及診斷修復等關(guān)鍵技術(shù)，為進行流動、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，簡化復雜問題使求得的近似解趨于真實解。隨著計算機輔助工程(CAE)技術(shù)不斷發(fā)展和改進，其經(jīng)歷了中面流技術(shù)到雙面流技術(shù)再到實體流技術(shù)的3個發(fā)展階段。

中面流技術(shù)是將三維流動問題合理簡化為厚度方向的一維問題和流動方向的二維問題，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)果的準確性，無法完全模擬真實三維流動情形等;而實體流分析技術(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、精確的進行三維流動仿真；但該模型網(wǎng)格數(shù)量大，運算速度受限，技術(shù)難點較多[1]。

下面以某公司帶金屬嵌件打印機板為例，利用注射成型仿真軟件Moldflow 2012探討了雙層面和3D實體網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分、檢驗及診斷修復等技術(shù)，為帶金屬嵌件的打印機板后續(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過渡。

首先，對導入的塑件幾何模型進行前處理。圓角特征對網(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)格修復工作量較大且困難，而且全局網(wǎng)格邊長需要取到1 mm才能滿足網(wǎng)格要求。網(wǎng)格數(shù)量多，計算機無法運算,去除前后的對比數(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 小圓角去除前后對比數(shù)據(jù)

注：總時間包括冷卻、填充、保壓和翹曲的時間。

由此可知，去除對分析結(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)格采用自動劃分技術(shù)，雙擊方案任務視窗中的“創(chuàng)建網(wǎng)格”→“工具”→“生成網(wǎng)格”圖標，全局網(wǎng)格邊長設(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，需先進行雙層面網(wǎng)格劃分。

2 網(wǎng)格檢驗及診斷修復

2.1 檢驗網(wǎng)格質(zhì)量

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

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

從圖3的網(wǎng)格統(tǒng)計結(jié)果可知，帶金屬嵌件打印機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)點數(shù)目分別為14 040，7 022個，網(wǎng)格數(shù)量越多，使用的磁盤空間和RAM也越多；連通區(qū)域的個數(shù)應該為1個，不為1個時，說明整個模型中存在獨立的連通區(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。

2.2 診斷與修復網(wǎng)格

網(wǎng)格修復時，一般遵循局部性、對稱性、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)域的同類問題網(wǎng)格修補完畢，減少移動、旋轉(zhuǎn)模型的時間，而且隨時發(fā)現(xiàn)修補過程中非問題網(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雜的環(huán)節(jié)，修復的好壞，直接影響產(chǎn)品的分析結(jié)果。

三角形單元縱橫比R是指三角形的長和高2個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，當R無限大時，出現(xiàn)零面積三角形缺陷。修復網(wǎng)格時，需特別注意模型的某些敏感區(qū)域，比如澆口對網(wǎng)格質(zhì)量要求較高。避免高縱橫比單元，尤其長邊不要沿著流動方向，否則單元的后節(jié)點會對流動產(chǎn)生附加抗力，導致流動壓力、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，通過對急性腎衰傷進行早期診斷，急性腎衰傷分級越低患者預后越好。

針對帶金屬嵌件打印機板塑件部分，網(wǎng)格縱橫比不滿足要求，需要進一步修改。

2.2.1 自動修復

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

2.2.2 手工修復

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

單擊“合并節(jié)點”按鈕，選擇目標節(jié)點N3410和起始節(jié)點N3415，應用后結(jié)果如圖5(b)。

在凸耳部分，反復靈活使用“插入節(jié)點”“交換邊”“移動節(jié)點”等功能，不斷減小產(chǎn)品的縱橫比。同時隨時檢查網(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25，這樣有利于提高分析的準確性。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

對帶金屬嵌件打印機板的塑件部分進行初始雙層面網(wǎng)格劃分以及對所有網(wǎng)格缺陷修復完成后，設(shè)置網(wǎng)格類型為3D實體網(wǎng)格，并再次進行網(wǎng)格劃分。全局網(wǎng)格邊長為1.9 mm，網(wǎng)格匹配對于3D網(wǎng)格而言為可選項，當表面單元匹配時，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)目和分析時間會相應增加，而減少最小層的數(shù)目可能會影響一些能量在模型厚度方向上的傳遞(如溫度、應力、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的細節(jié)。該試驗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，四面體和四面體高級選項采用默認設(shè)置。

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

圖10為帶金屬嵌件打印機板的部分數(shù)值模擬結(jié)果。

其中，3D實體網(wǎng)格最大縱橫比為13.79，材料選用德國Bayer Material Science公司生產(chǎn)的熱塑性聚氨酯彈性體TPU，牌號為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)果能很好地指導設(shè)計人員進行模具設(shè)計和工藝優(yōu)化。

3 結(jié)語

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

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

c) 對網(wǎng)格進行修復時，一般遵循局部性、對稱性、發(fā)現(xiàn)性、從大到小的原則，并隨時檢查網(wǎng)格質(zhì)量，防止非問題網(wǎng)格出現(xiàn)新的缺陷。

d) 正確、高效地進行網(wǎng)格劃分是有限元準確分析計算的根本保證。

[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.帶金屬嵌件的手機外殼注塑成型翹曲分析[J].工程塑料實用，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，應用于手術(shù)防護服裝、尿布和工業(yè)紡織品用的彈性無紡布。MD1648不像常規(guī)的SBC，據(jù)說具有高的彈性和強度以及極低的黏度，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”報道，在美國環(huán)保署注冊的Sanafor PO-5，為含吡啶硫酮鋅質(zhì)量分數(shù)5%抗菌母料，在聚烯烴加工過程中添加，對聚烯烴力學性能不會產(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菌性，但成本很高。Sanafor PO-5應用結(jié)果表明，其能有效控制微生物在塑料表面上生長，能對塑料提供長期保護，防止細菌、霉菌、霉、藻類可能會導致的污漬、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。

(以上由中國石化揚子石油化工有限公司南京研究院

嚴淑芬供稿)

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，研究方向為模具CAD/CAE。E-mail：qzcj11@163.com。