CAD/CAE在塑件成型中的模擬分析與優(yōu)化研究進(jìn)展

付 饒，王炳樂

（1. 綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川省綿陽市 621000；2. 重慶大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 重慶市 400030）

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）/計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)在塑料制品的設(shè)計(jì)制造中發(fā)揮著重要作用。利用CAD設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，形成三維數(shù)字模型，再使用CAE計(jì)算分析機(jī)械結(jié)構(gòu)，評價(jià)CAE計(jì)算結(jié)果。CAE是將工程問題模型化并運(yùn)用數(shù)值計(jì)算對模型進(jìn)行仿真分析的軟件系統(tǒng)［1-2］。常用的模具CAD/CAE軟件有Pro/E，UG，Moldflow，Solidworks，CATIA，ANSYS等。Pro/E軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司于1988年開發(fā)的，主要功能和特點(diǎn)是參數(shù)化設(shè)計(jì)以及基于特征建模的具有單一數(shù)據(jù)庫功能的實(shí)體模型化系統(tǒng)，可用于模具設(shè)計(jì)和機(jī)械制造［3-4］。UG軟件是西門子產(chǎn)品生命周期管理軟件公司的產(chǎn)品工程解決方案，可用于工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的仿真確認(rèn)和優(yōu)化，應(yīng)用于航空器、汽車制造及模具設(shè)計(jì)等領(lǐng)域［5］。MoldFlow軟件是澳大利亞Moldflow公司的產(chǎn)品，可以驗(yàn)證和優(yōu)化塑料模具和注塑成型流程［6］。Solidworks軟件是基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，用于工業(yè)設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域［7］。CATIA軟件是法國達(dá)索公司開發(fā)的，CATIA系列產(chǎn)品可為汽車、航空航天、船舶制造、鋼構(gòu)廠房設(shè)計(jì)、建筑、電子電力、通用機(jī)械制造等領(lǐng)域提供三維設(shè)計(jì)和模擬解決方案。ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，在眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用［8-9］。

借助CAD/CAE技術(shù)對注塑模具設(shè)計(jì)，首先要建立產(chǎn)品三維模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行塑件分析，通過對模具的設(shè)計(jì)分析和可行性分析，初步設(shè)計(jì)出模具的結(jié)構(gòu)，通過對模具進(jìn)行充填分析、流動(dòng)分析、冷卻分析和翹曲分析，對模具結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行完善和優(yōu)化，從而完成模具結(jié)構(gòu)概念化，之后進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。在概念化模具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行型芯型腔的設(shè)計(jì)以及成型零部件的設(shè)計(jì)，對澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、側(cè)向抽芯以及頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過充填分析、流動(dòng)分析、冷卻分析、翹曲分析優(yōu)化注塑模具的詳細(xì)設(shè)計(jì)，最后可調(diào)用模架和模具標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)［10］。本文主要綜述了CAD/CAE技術(shù)在普通塑料制品制造、汽車輕量化以及航天航空等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 CAD/CAE技術(shù)在普通塑料制品制造領(lǐng)域的應(yīng)用

CAD/CAE技術(shù)廣泛用于普通塑料制品的設(shè)計(jì)制造。周天元［11］選取聚碳酸酯（PC）與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）合金作為筆記本電腦后蓋的原料，使用Pro/E軟件對產(chǎn)品的平均厚度、拔模角度以及分型面等進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)分析，并對塑膠模具的模仁部分進(jìn)行三維分模，獲得模具的型腔尺寸。使用Moldflow軟件的MPI功能模塊以及模流分析對注塑過程進(jìn)行模擬，采用系統(tǒng)推薦的成型參數(shù)模擬填充、保壓、冷卻等過程，找出最佳注塑成型澆口，得出最佳參數(shù)：注塑時(shí)間為1.8 s、保壓時(shí)間為8.0 s、冷卻時(shí)間為19.0 s、熔體溫度為256 ℃、模具溫度為80 ℃，制品的總翹曲變形量為0.864 4 mm，確定了影響翹曲變形的工藝參數(shù)從大到小依次為注塑時(shí)間、熔體溫度、冷卻時(shí)間、保壓時(shí)間、模具溫度。研究表明，利用CAD/CAE技術(shù)對塑膠模具進(jìn)行設(shè)計(jì)，并模擬成型工藝可以提升實(shí)際成型產(chǎn)品的質(zhì)量以及注塑成型效率，降低后續(xù)注塑成型過程中模具試模、修模的次數(shù)。王?。?2］使用PC與ABS合金制作手機(jī)外殼。首先使用Pro/E軟件中的零件模塊，經(jīng)過拉伸、鏡像、抽殼、復(fù)制、倒圓角等特征命令創(chuàng)建手機(jī)外殼實(shí)體模型。利用ANSYS軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，對手機(jī)外殼模型進(jìn)行改進(jìn)，通過增設(shè)加強(qiáng)筋、增加厚度和采用圓角過渡，以避免在表面區(qū)域出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。再利用Pro/E Plastics軟件，選取澆口位置、充模時(shí)間和注塑壓力進(jìn)行塑件模流仿真分析，得到澆口位置選取在側(cè)面點(diǎn)，充模時(shí)間0.56 s，最大進(jìn)口壓力57.47 MPa。再使用Pro/E軟件對手機(jī)殼進(jìn)行模具設(shè)計(jì)分析?；赑ro/E軟件對“裙邊曲面”功能的模具進(jìn)行分型面選擇，澆注過程采用一模兩腔平衡進(jìn)料。在成型零件設(shè)計(jì)、優(yōu)化過程中，結(jié)合選擇的分型面，自動(dòng)生成凹模和凸模，對其進(jìn)行虛擬裝配。選擇模架及零部件并將手機(jī)殼模具和模架裝配進(jìn)行開模仿真操作實(shí)驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)出符合標(biāo)準(zhǔn)要求的手機(jī)外殼模架。

2 CAD/CAE技術(shù)在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用

汽車輕量化技術(shù)可以降低汽車油耗、減少汽車尾氣排放。汽車輕量化的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)車身輕量化以及零件輕量化，可以通過采用輕量化材料以及車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。使用輕量化材料（如工程塑料以及碳纖維復(fù)合材料）代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料廣泛應(yīng)用于汽車隔音板、前端支架、車身底架、傳動(dòng)軸和輪轂等部件的制造。汽車輕量化工程塑料主要有聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚氨酯等，通常采用注塑工藝。在塑料制品量產(chǎn)前，可以采用CAD/CAE技術(shù)建立塑件模型，針對注塑制品存在的缺陷（如填充不滿、收縮、燒焦、毛刺、流痕、翹曲變形等），需要用CAE模擬優(yōu)化，可以方便快捷地優(yōu)化注塑材料、成型模具和工藝參數(shù)，提高制品質(zhì)量、生產(chǎn)效率，以及降低生產(chǎn)成本。

CAD/CAE技術(shù)應(yīng)用于汽車輕量化部件設(shè)計(jì)，首先依據(jù)典型的汽車零件。通常先測量實(shí)物得到典型零件具體尺寸，使用Pro/E，UG，CATIA等軟件根據(jù)測量數(shù)據(jù)建立三維模型，利用有限元分析軟件ANSYS和Pro/E之間的數(shù)據(jù)交換接口，直接將模型導(dǎo)入ANSYS，Ansys Workbench，Abaqus等軟件，根據(jù)零件的實(shí)際工況設(shè)置約束和載荷進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果可使用Ansys Workbench軟件進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。楊咸啟等［13］使用UG NX軟件新建繪圖界面，根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制UG NX草圖。執(zhí)行拉伸、孔、倒斜角、邊倒圓等命令完成產(chǎn)品三維模型，然后進(jìn)行零件模具設(shè)計(jì)。采用注射模具生產(chǎn)汽車輕量化零件，需要對凹模和凸模的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在對凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)模具型腔的強(qiáng)度、剛度、耐磨性及抗疲勞性選取凹模材質(zhì)，確定凹模形式以及型腔壁厚。對于凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要確定模芯結(jié)構(gòu)，并確定凹模與凸模的固定方式。零件仿真設(shè)計(jì)完成后，計(jì)算模具參數(shù)，包括注塑量計(jì)算、鎖模力計(jì)算和注射壓力及成型結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算等。對于注塑量的計(jì)算，先點(diǎn)擊UG三維模型中的計(jì)算體可以得到零件的體積，根據(jù)澆注系統(tǒng)凝料的總體積計(jì)算方法，選取適當(dāng)估值，計(jì)算注塑成型機(jī)最大注射量。對于鎖模力，根據(jù)UG軟件計(jì)算的塑件在分型面上的投影面積，選取投影面積系數(shù)，依據(jù)鎖模力的計(jì)算公式求取鎖模力。注射壓力和成型結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算可以使用常規(guī)公式求得。最后，選擇注塑機(jī)和注塑材料，利用模具加工輔助系統(tǒng)提出合理的加工工藝進(jìn)行零件的加工成型。通過對典型汽車零件的仿真設(shè)計(jì)可以縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期并提高設(shè)計(jì)效率。陸玲梅等［14］在對汽車天窗滑軌塑件設(shè)計(jì)中，首先使用UG軟件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，然后運(yùn)用Moldflow模流分析軟件對汽車天窗滑軌進(jìn)行預(yù)成型模擬。先將CAD模型導(dǎo)入Moldflow軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即進(jìn)行中層面網(wǎng)格、表面網(wǎng)格和實(shí)體網(wǎng)格的劃分，再對網(wǎng)格進(jìn)行診斷并修復(fù)。之后進(jìn)行模塊分析，包括填充分析、保壓分析、冷卻分析、翹曲分析等，以選取適宜的塑件材料，建立澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，設(shè)置工藝參數(shù)，最后進(jìn)行計(jì)算并分析可視化結(jié)果。根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行原料更換、方案修改和工藝調(diào)整，以得到最佳的注塑成型制品。Moldflow軟件模擬最佳工藝組合參數(shù)：保壓壓力為注射壓力的99.53%，保壓時(shí)間為13 s，模具溫度為64 ℃，熔體溫度為265 ℃。

3 CAD/CAE技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域，燃油成本約占航空總成本的26%。飛行器輕量化能有效降低燃料消耗，減少飛行器動(dòng)力消耗。因此，可以使用工程塑料替代金屬材料，還可以使用碳纖維增強(qiáng)塑料進(jìn)一步減輕飛行器質(zhì)量。但由于航空構(gòu)件輕量化對于航空器高速飛行和空中姿態(tài)等安全性能有影響，在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)制造時(shí)需要進(jìn)行嚴(yán)格仿真分析。

賈鶴［15］在對航空機(jī)箱成型模具的研究中，使用UG軟件完成航空機(jī)箱、電子模塊、蓋板等的三維建模，航空機(jī)箱長320 mm，寬194 mm，高120 mm，厚2 mm。按照零件相互關(guān)系建立航空機(jī)箱體成型模具的三維裝配模型。以Parasolid的格式將裝配模型導(dǎo)入到Ansys Workbench軟件建立有限元模型。使用相同的網(wǎng)格劃分、施加負(fù)載、分析時(shí)間以及邊界條件對分別以碳纖維增強(qiáng)塑料和鋁合金材料為原料制造的航空機(jī)箱進(jìn)行力學(xué)分析，并對應(yīng)力云圖和總變形云圖進(jìn)行對比。結(jié)果表明，以鋁合金為原料，箱體質(zhì)量為820.6 g，應(yīng)力集中區(qū)域在箱體底部一端，應(yīng)力最大值為1.117 MPa，主要變形位置發(fā)生在箱體底部中心，最大變形量為0.001 160 mm；以碳纖維增強(qiáng)塑料為原料，箱體質(zhì)量為468.9 g，較鋁合金材質(zhì)箱體質(zhì)量減輕了42.86%，應(yīng)力集中區(qū)域在箱體底部一端，應(yīng)力最大值為1.092 MPa，主要變形位置在箱體底部中心，最大變形量為0.000 990 mm。以碳纖維增強(qiáng)塑料為原料制造航空機(jī)箱，成型方式為鋪疊擠壓成型，即由多層碳纖維織布浸漬樹脂，之后進(jìn)行逐層鋪疊，最終通過擠壓成型。成型過程中要求機(jī)箱內(nèi)部不能有氣泡和空穴，不能有塌陷、凸起和角落堆疊。利用CAD自頂向下建立內(nèi)模、外模及驅(qū)動(dòng)裝置，并用Ansys Workbench軟件對成型模具進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，得出成型模具最大應(yīng)力發(fā)生在外模上部，為40.693 MPa，最大變形量為0.004 148 mm。最后使用UG軟件對成型模具進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，明確各零部件之間沒有干涉情況。結(jié)果表明，使用碳纖維增強(qiáng)塑料替代鋁合金制造航空機(jī)箱，各項(xiàng)性能沒有明顯改變，并且航空機(jī)箱質(zhì)量減輕了42.86%。裴允嘉［16］使用有限元分析方法對使用碳纖維制備的重載四旋翼無人機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了力學(xué)分析和裝配體結(jié)構(gòu)分析。該無人機(jī)采用燃油驅(qū)動(dòng)，通過傳動(dòng)系統(tǒng)，帶動(dòng)4個(gè)變距涵道螺旋槳系統(tǒng)高效工作。使用三維制圖軟件（如CATIA，UG）對傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)（包括傳動(dòng)軸中間軸結(jié)構(gòu)、支臂外軸試驗(yàn)臺(tái)、支臂內(nèi)軸聯(lián)軸器）進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，應(yīng)用ANSYS軟件對傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析。首先在Ansys Workbench軟件中，分別以-45°，45°，0°，90°纖維逐層鋪設(shè)角度建立仿真模型并計(jì)算出受力情況最好的鋪層方式。應(yīng)用有限元軟件ANSYS求解碳纖維傳動(dòng)軸承受扭矩載荷時(shí)的應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)角度，并對碳纖維管扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，得出銷孔位置所受應(yīng)力最大為787.11 MPa，傳動(dòng)軸受轉(zhuǎn)矩載荷后，扭轉(zhuǎn)角度為1.67°。在對碳纖維中間軸結(jié)構(gòu)有限元分析中，選用碳纖維T700作為中間軸材料。使用CATIA三維建模軟件進(jìn)行軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及網(wǎng)格劃分，并用Ansys Workbench軟件中的MeshMetric工具進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查。結(jié)果顯示，中間傳動(dòng)軸裝配結(jié)構(gòu)受載情況下，最大應(yīng)力點(diǎn)在中間傳動(dòng)軸上的銷釘孔位置，為219.43 MPa；大帶輪受力后位移最大，變形量最大為2.35 mm。對碳纖維支臂外殼部件的力學(xué)特性進(jìn)行有限元分析，導(dǎo)入有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用Jacobian Ratio方法檢查網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。結(jié)果顯示，支臂受拉載荷下，碳纖維外軸最大應(yīng)力為138.44 MPa，最大應(yīng)力部位在接觸邊緣；快拆結(jié)構(gòu)軸頭最大應(yīng)力為292.99 MPa，最大應(yīng)力部位在鉚釘孔，齒輪箱軸頭最大應(yīng)力為186.88 MPa。對內(nèi)軸聯(lián)軸器分析，金屬聯(lián)軸器使用鋁合金材質(zhì)，彈性模量7.1×104MPa，泊松比0.33；銷釘采用鋼材質(zhì)，彈性模量2.0×105MPa，泊松比0.30；墊塊使用聚乙烯材質(zhì)，彈性模量1 100 MPa，泊松比0.42。有限元分析結(jié)果表明，聯(lián)軸器所受最大應(yīng)力為63.92 MPa，最大變形量為0.12 mm。聯(lián)軸器墊塊最大應(yīng)力為13.35 MPa，最大變形量為0.11 mm。設(shè)計(jì)分析和優(yōu)化結(jié)果表明，使用碳纖維材料制造無人機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)軸可以在滿足強(qiáng)度基礎(chǔ)上降低傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，并可延長使用壽命。

4 結(jié)語

CAD/CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用于塑件加工模具的設(shè)計(jì)和制造，可以保證塑件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和高效性，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。