Moldflow 模流分析在工程訓(xùn)練教學(xué)中的探索與實踐

陳如香，戴坤添，劉改霞，胡一博，雷喬治

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）實驗與創(chuàng)新實踐教育中心，廣東 深圳 518055）

加強現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)的深度融合是我國高校教學(xué)改革和創(chuàng)新的基本方向。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學(xué)上的應(yīng)用，開創(chuàng)了“虛擬教學(xué)”的嶄新領(lǐng)域，其是教育高科技的展示和體現(xiàn)，也是教育手段現(xiàn)代化、信息化的標志之一，有著極其廣闊的應(yīng)用前景。

在工程訓(xùn)練課程的注塑成型模塊中應(yīng)用Moldflow模流分析技術(shù)，開設(shè)虛擬教學(xué)，探索虛實結(jié)合的新工科教學(xué)模式，既豐富了課程教學(xué)內(nèi)容，又能加深學(xué)生對注塑成型的理解，提高課程教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，具有深遠的意義。

工程訓(xùn)練課程是高校工科教學(xué)規(guī)模最大、學(xué)生受眾最多的實踐課程，與其他課程相比較，工程訓(xùn)練課程對學(xué)生掌握理論知識、提升應(yīng)用水平、學(xué)習工程知識、形成職業(yè)素養(yǎng)、提高綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力具有不可替代的作用。

注塑成型是哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）（以下簡稱“我?！保┕こ逃?xùn)練課程制造成型工藝之一，是學(xué)生的必修環(huán)節(jié)，針對材料科學(xué)與工程和機械制造及自動化專業(yè)的學(xué)生。為了提高學(xué)生的工程認知和工程技能，注塑成型模塊的教學(xué)設(shè)計包括2 個教學(xué)環(huán)節(jié)，第一環(huán)節(jié)是實踐操作，包括注塑件生產(chǎn)、質(zhì)量缺陷優(yōu)化和鋁制注塑模具拆裝；第二環(huán)節(jié)是注塑成型Moldflow 模流分析，學(xué)生在初識注塑成型工藝、模具結(jié)構(gòu)和成型原理的基礎(chǔ)上，對注塑成型產(chǎn)品進行模流分析，將注塑成型生產(chǎn)的注塑件與模流分析的結(jié)果進行對比驗證和優(yōu)化方案設(shè)計與分析，了解模流分析軟件的分析流程和功能，加深了學(xué)生對模流分析的應(yīng)用和理解。

本文主要介紹我校工程訓(xùn)練課程注塑成型模塊的第二環(huán)節(jié)，注塑成型Moldflow 模流分析軟件在工程訓(xùn)練課程中的教學(xué)實踐。

一、課程概述

注塑成形技術(shù)廣泛應(yīng)用于塑料制品的開發(fā)與生產(chǎn)。注塑成形過程中，產(chǎn)品的成型質(zhì)量和成型周期很大程度上取決于模具的設(shè)計。傳統(tǒng)的模具設(shè)計依靠經(jīng)驗，缺乏完整、系統(tǒng)和定量的理論依據(jù)。通過引進注塑成型Moldflow 模流分析技術(shù)，可以在設(shè)計環(huán)節(jié)就對各種方案進行詳細的分析、論證，實現(xiàn)成型過程的動態(tài)仿真分析，實現(xiàn)模具設(shè)計和控制產(chǎn)品成型過程優(yōu)化，為獲得理想的最終產(chǎn)品提供科學(xué)依據(jù)和設(shè)計分析手段，從而大大提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期、降低成本，改變開模試制后才能發(fā)現(xiàn)缺陷、反復(fù)修改的被動局面[1-2]。

與傳統(tǒng)的模具設(shè)計相比，Moldflow 模流分析技術(shù)無論是在提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量方面，還是在降低成本、減輕勞動強度方面，都具有極大的效用[3-4]。

我校工程訓(xùn)練課程針對本校材料科學(xué)與工程、機械制造及自動化專業(yè)的學(xué)生，在注塑成型模塊實踐環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，增加注塑成型Moldflow 模流分析環(huán)節(jié)，可以模擬注塑成型過程及注塑成型對注射件質(zhì)量的影響，通過設(shè)計不同的成型方案，探究模具結(jié)構(gòu)和注塑成型工藝參數(shù)對注塑件質(zhì)量和成型周期的影響，加深同學(xué)們對注塑成型工藝的理解。

課程通過虛實結(jié)合的教學(xué)方式，提高學(xué)生實踐動手能力的同時，也提高學(xué)生應(yīng)用計算機輔助設(shè)計CAE 解決實際工程問題的能力。

二、教學(xué)設(shè)計

Moldflow 模流分析應(yīng)用實踐是在工程訓(xùn)練課程注塑成型模塊第一環(huán)節(jié)的實踐基礎(chǔ)上進行的，通過第一環(huán)節(jié)的實踐，學(xué)生基本了解注塑成型原理、注塑成型工藝和注塑成型工藝條件，模具結(jié)構(gòu)及模具的工作原理。

通過實踐生產(chǎn)出注塑件，透明小盤子如圖1 所示，通過教學(xué)設(shè)計，學(xué)生調(diào)節(jié)注塑機工藝條件，優(yōu)化小盤子的質(zhì)量，探究注塑工藝條件對注塑件質(zhì)量的影響；通過鋁制模具拆裝環(huán)節(jié)，了解不同類型的注塑模具的結(jié)構(gòu)、特點和工作原理。

圖1 注塑生產(chǎn)的小盤子

在此基礎(chǔ)上，將生產(chǎn)實踐環(huán)節(jié)中學(xué)生親自生產(chǎn)的小盤子作為Moldflow 模流分析的對象，通過課程的學(xué)習，對小盤子進行注塑成型仿真分析，包括模型導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格修復(fù)、選擇分析類型、選擇成型材料、創(chuàng)建澆注系統(tǒng)、創(chuàng)建冷卻系統(tǒng)、設(shè)置工藝參數(shù)、分析計算、查看分析結(jié)果和制作報告，學(xué)習Moldflow 模流分析的全流程，通過修改成型材料、澆注系統(tǒng)、工藝參數(shù)，探究模具結(jié)構(gòu)和成型工藝參數(shù)對注塑件質(zhì)量的影響。

注塑成型Moldflow 模流分析教學(xué)內(nèi)容設(shè)計見表1。

表1 注塑成型CAE 模流分析教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

三、教學(xué)實踐

（一）Moldflow 模流分析軟件介紹

Moldflow 是歐特克公司開發(fā)的一款用于塑料產(chǎn)品、模具的設(shè)計與制造的行業(yè)軟件。Moldflow 為企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計及制造的優(yōu)化提供了整體的解決方案，幫助工程人員輕松地完成整個流程中各個關(guān)鍵點的優(yōu)化工作。

Moldflow 可以模擬整個注射過程及這一過程對注射成型產(chǎn)品的影響。Moldflow 工具中融合了一整套設(shè)計原理，可以評價和優(yōu)化組合整個過程，可以在模具制造以前對塑料產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)和質(zhì)量進行優(yōu)化[5]。

（二）模型導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分與修復(fù)

給學(xué)生提供實踐環(huán)節(jié)注塑生產(chǎn)的小盤子的三維模型，作為Moldflow 模流分析的模型。

由老師先進行軟件操作講解，以及操作演示，學(xué)生根據(jù)軟件操作指導(dǎo)書進行軟件應(yīng)用分析的前處理操作，將模型導(dǎo)入軟件窗口中，如圖2 所示。學(xué)生可自由選擇模型類型并理解有限元法的基本思想和特點，模型類型包括中性面、雙層面和3D 實體模型，并進行網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格統(tǒng)計和網(wǎng)格修復(fù)，理解模型分析的基本要求，整個模型連通域必須為1，模型不存在自由邊、相交單元和重疊單元，單元縱橫比平均為15 左右，修復(fù)好的網(wǎng)格模型如圖3 所示。

圖2 導(dǎo)入三維模型

圖3 有限元網(wǎng)格模型

（三）最佳澆口分析及澆口位置設(shè)置

模型開始分析時，先通過澆口位置分析來確定最佳澆口位置。如果是一模一腔分析，可以直接選用最佳澆口位置作為案例分析的進澆點。學(xué)生首次接觸Moldflow軟件，推薦學(xué)生設(shè)計一模一腔，選擇最佳澆口位置作為注塑成型進澆口。

（四）成型工藝設(shè)置

成型工藝設(shè)置用于設(shè)定注射成型類型，課程可直接選用熱塑性注塑成型。

分析序列可根據(jù)需要選擇填充、填充+保壓、快速充填、填充+保壓+翹曲、冷卻、冷卻+填充+保壓+翹曲、成型窗口、澆口位置、冷卻（FEM）及冷卻（FEM）+填充+保壓+翹曲等分析類型[6-7]。

注塑成型工藝選擇系統(tǒng)默認設(shè)置，工藝參數(shù)包括模具表面溫度、熔體溫度、注塑壓力、保壓壓力和保壓時間，冷卻時間等。

課堂案例分析類型推薦學(xué)生選擇填充+保壓+翹曲，了解小盤子注塑成型過程中的流動行為，保壓階段對注塑件質(zhì)量的影響，以及翹曲變形量和影響因素。工藝參數(shù)直接選用系統(tǒng)推薦的默認值即可。

（五）分析計算及結(jié)果分析

小盤子模型前處理及分析參數(shù)設(shè)置完成，直接選擇“分析”，系統(tǒng)會進行分析計算。

分析完成，可以查看小盤子模具分析結(jié)果。

比如方案一有限元網(wǎng)格類型為3D 實體模型，材料為PP，分析類型為填充+保壓+翹曲，分析結(jié)果填充時間、流動前沿溫度、注塑位置壓力和翹曲變形量等結(jié)果如圖4 所示。

圖4 方案一模流分析結(jié)果

（六）修改模型或參數(shù)，優(yōu)化分析

為了讓學(xué)生探究模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對注塑件質(zhì)量的影響，由學(xué)生自行設(shè)計實驗方案二和方案三，并進行模流分析，對分析結(jié)果進行對比，總結(jié)模具結(jié)構(gòu)和注塑成型工藝參數(shù)對注塑件質(zhì)量的影響。

給學(xué)生提供幾個參考方案，見表2。比如分析不同材料，一模一腔和一模多腔的模具結(jié)構(gòu)，不同工藝參數(shù)如溫度、壓力、速度和時間對注塑件成型質(zhì)量的影響，由學(xué)生通過思考并確定不同的實驗方案，對方案一的小盤子成型質(zhì)量進行優(yōu)化。

表2 Moldflow 模流分析實驗方案設(shè)計

比如通過更改材料，將方案一的材料PP 更改為PS材料，分析不同材料成型的注塑件質(zhì)量，其中流動前沿溫度、體積收縮率等結(jié)果如圖5 所示。通過實驗對比，了解不同材料對注塑成型過程中熔體的流動、填充時間、體積收縮率和翹曲變形量的影響。

圖5 方案一和方案二模流分析結(jié)果對比

通過設(shè)計一模兩腔的側(cè)澆口注塑方案三，與一模一腔的方案一注塑件質(zhì)量進行對比，填充時間、流動前沿溫度、平均體積收縮率和路徑線等結(jié)果如圖6 所示。通過實驗對比，了解澆口位置對注塑成型過程中的熔體流動行為的影響，澆口位置直接影響填充時間、流動前沿溫度、成型周期及注塑件質(zhì)量。

圖6 方案一和方案三模流分析結(jié)果對比

四、結(jié)束語

我校工程訓(xùn)練課程注塑成型模塊引入Moldflow 模流分析教學(xué)內(nèi)容，探索注塑成型教學(xué)虛實結(jié)合的教學(xué)模式，通過課程的實踐，學(xué)生學(xué)習了注塑成型基礎(chǔ)知識、注塑成型工藝和模具結(jié)構(gòu)，了解Moldflow 模流分析在注塑成型過程中的應(yīng)用。課程通過實踐環(huán)節(jié)和Moldflow 模流分析相結(jié)合的方式，讓學(xué)生探究注塑成型工藝條件和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計對注塑件質(zhì)量的影響，提前預(yù)測和優(yōu)化模具設(shè)計方案，提前發(fā)現(xiàn)模具設(shè)計方案可能存在的問題，及時進行優(yōu)化，縮短模具開發(fā)周期。Moldflow 模流分析豐富了課程的教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生的工程認知、工程技能和工程綜合能力。