第1章 注塑成型CAE技术

1.1 注塑成型CAE技术的发展

模具是利用其本身特定形状去成型具有一定形状和尺寸制品的工具，模具是生产各种工业产品的重要工艺装备。随着塑料工业的迅速发展以及塑料制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用，塑料成型模的作用越来越大。塑料模具是利用其本身特定密闭腔体去成型具有一定形状和尺寸的立体形状塑料制品的工具，塑料注射成型又是塑料成型生产中自动化程度最高、应用最广泛的一种成型方法。它能成型形状复杂、精度要求高的制品，具有生产效率高、成本低、产品质量好的优点。

注塑模成型工艺发展了近50年，分两个阶段，即开发/设计阶段（包括产品设计、模具设计和模具制造）和生产阶段（包括购买材料、试模和成型），但是注塑成型是一个复杂的加工过程。同时由于材料本身的特性，塑料制品的多样性、复杂性和工程技术人员经验的局限性，缺乏理论的有效指导，长期以来，工程技术人员很难精确地设置制品最合理的加工参数，选择合适的塑料材料和确定最优的工艺方案。模具工作者只能依据自身经验和简单公式设计模具和制订成型工艺。设计的合理性只能通过试模才知道，制造的缺陷主要靠修模来纠正，即依赖于经验及试错法：设计→试模→修模，如图1-1所示。这类经验的积累需要几年至十几年，以时间、金钱为代价并且不断重复。同时模具开发的周期长，成本高，模具及工艺只是“可行”的，而非“优化”的，市场需求的变化会使原来的经验失去作用，市场经济使得传统的设计方法逐步丧失竞争力。随着新材料和新成型方法的不断出现，问题更加突出。而在实际生产中，对于大型、复杂、精密模具，仅凭有限的经验难以对多种影响因素作综合考虑和正确处理，传统方法已无法适应现代塑料工业蓬勃发展的需要。

图1-1 传统模具开发流程

计算机辅助工程（Computer Aided Engineering）是广义CAD/CAM中的一个主要内容。模具成型计算机辅助分析已成为塑料产品开发、模具设计及产品加工中薄弱环节最有效的途径。注塑CAE技术是CAE技术中一个重要的组成部分，是一种专业化的有限元分析技术，注射模CAE技术建立在科学计算基础上，融合计算机技术、塑料流变学、弹性力学、传热学的基本理论，建立塑料熔体在模具型腔中流动、传热的物理、数学模型，利用数值计算理论构造其求解方法，利用计算机图形学技术在屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态填充、冷却等过程，定量地给出成型过程中的状态参数（如压力、温度、速度等），将试模过程全部用计算机模拟，并显示分析结果。利用计算机的高速度，在模具设计阶段对各种设计方案进行比较和评测，在设计阶段及时发现问题，避免了在模具加工完成后到试模阶段才能发现问题的尴尬。

注射模CAE软件的应用过程如图1-2所示。首先根据制品的几何模型剖分具有一定厚度的三角形单元，对各三角形单元在厚度方向上进行有限差分网格剖分，在此基础上，根据熔体流动控制方程在中性层三角形网格上建立节点压力与流量之间的关系，得到一组以各节点压力为变量的有限元方程，解方程组求得节点压力分布，同时将能量方程离散到有限元网格和有限差分网格上，建立以各节点在各差分层对应位置的温度为未知量的方程组，求解方程组得到节点温度在中性层上的分布及其在厚度方向上的变化，由于压力与温度通过熔体黏度互相影响，因此必须将压力场与温度场进行迭代耦合。

图1-2 注射模CAE软件的应用过程

成型过程数值模拟是模具CAE中的基础，目前所采用的数值模拟方法主要有：有限元法（Finite Element Method，FEM），有限差分法（Finite Difference Method，FDM），边界元法（Boundary Element Method，BEM）以及直接差分法（Direct Finite Difference Method，DFDM）。