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1.1 Autodesk Moldflow有限元分析基礎

Autodesk Moldflow作為成功的注塑產品成型仿真及分析軟件,采用的基本思想也是工程領域中最為常用的有限元法。有限元法的應用領域從最初的離散彈性系統發展到后來進入連續介質力學中,目前廣泛應用于工程結構強度、熱傳導、電磁場和流體力學等領域。經過多年的發展,現代的有限元法幾乎可以用來求解大部分的連續介質和場問題,包括靜力問題和與時間有關的變化問題以及振動問題。

1.1.1 有限元法的基本思想與特點

簡單來說,有限元法就是利用假想的線或面將連續介質的內部和邊界分割成有限大小的、有限數目的、離散的單元來研究。這樣就把原來一個連續的整體簡化成有限個單元體系,從而得到真實結構的近似模型,最終的數值計算就是在這個離散化的模型上進行的。直觀上,模型物體被劃分成網格狀,在Autodesk Moldflow中將這些網格狀的單元個體稱為單元網格(mesh)或單元格,如圖1-1所示。

圖1-1 有限元網格模型

1.有限元法的基本思想

有限元法的基本思想包括如下幾個方面。

·連續系統(包括桿系、連續體、連續介質)被假想地分割成數目有限的單元,單元之間只在數目有限的節點處相互連接,構成一個單元集合體來代替原來的連續系統,在節點上引進等效載荷(或邊界條件),代替實際作用于系統上的外載荷。

·由分塊近似的思想,對每個單元按一定的規則建立求解未知量與節點相互之間的關系。

·把所有單元的這種特性關系按一定的條件(變形協調條件、連續條件或變分原理及能量原理)集合起來,引入邊界條件,構成一組以接點變量(位移、溫度、電壓等)為未知量的代數方程組,求解它們就得到有限個接點處的待求變量。

因此,有限元法實質上是把具有無限個自由度的連續系統理想化為具有有限個自由度的單元集合體,使問題轉化為適合于數值求解的結構型問題。

2.有限元法的特點

有限元法正是由于它的諸多特點,在當今各個領域都得到了廣泛應用,具體表現如下。

·原理清楚,概念明確。

·應用范圍廣泛,適應性強。

·有利于計算機應用。

1.1.2 注塑成型模擬技術

注塑成型模擬技術是一種專業化的有限元分析技術,可以模擬熱塑性塑料注射成型過程中的充填、澆口和型腔中的流動過程,計算澆注系統及型腔的壓力場、溫度場、速度場、剪切應變速率場和剪切應力場的分布,從而可以優化澆口數目、澆口位置和注塑成型工藝參數,預測所需的注射壓力和鎖模力,并發現可能出現的短射、燒焦、不合理的熔接痕位置和氣穴等缺陷。

作為行業的主導和先驅者,Autodesk Moldflow的注塑成型模擬技術也經歷了中性面(也可簡稱中面)模型、表面(雙層面)模型和三維實體模型3個發展階段。

1.中性面模型技術

中性面模型技術是較早出現的注塑成型模擬技術,其采用的工程數值計算方法主要包括基于中性面模型的有限元法、有限差分法和控制體積法等。其大致的模擬過程如圖1-2所示。

圖1-2 中性面模型分析過程

中性面模型技術具有如下優點。

·技術原理簡明,容易理解。

·網格劃分結果簡單,單元數量少。

·計算量較小,即算即得。

由于中性面模型技術僅考慮產品厚度小于流動方向的尺寸,塑料熔體的黏度較大,將熔體的充模流動視為擴展層流,忽略了熔體在厚度方向的速度分量,因此所分析的結果是有限且不完整的。

2.表面(雙層面)模型技術

表面模型技術將型腔或制品在厚度方向上分成兩部分。與中性面模型不同,它不是在中性面,而是在型腔或制品表面產生有限網格,利用表面上的平面三角網格進行有限元分析。

相應地,與基于中性面的有限差分法在兩側進行不同,厚度方向上的有限差分僅在表面內側進行。在流動過程中,上下兩表面的塑料熔體同時并且協調地流動。其大致的模擬過程如圖1-3 所示。

圖1-3 表面模型分析過程

Autodesk Moldflow的Fusion模塊采用的就是表面(雙層面)模型技術,它基于Autodesk Moldflow的獨家專利Dualdomain分析技術使用戶可以直接進行薄壁實體模型分析。

雖然,從中性面模型技術跨入表面模型技術,可以說是一個巨大進步,也得到了用戶的好評,但是,表面模型技術仍然存在如下一些缺點。

·分析數據不完整。

·無法準確解決復雜問題。

·缺乏真實感。

3.三維實體模型技術

Autodesk Moldflow的Flow3D和Cool3D等模塊通過使用經過驗證的、基于四面體的有限元體積網格解決方案技術,可以對厚壁產品和厚度變化較大的產品進行真實的三維模型分析。

實體模型技術在數值分析方法上與中性面流技術有較大變化。在實體模型技術中熔體在厚度方向上的速度分量不再被忽略,熔體的壓力隨厚度方向變化。其大致的模擬過程如圖1-4所示。

圖1-4 三維實體模型分析過程

與中性面模型或表面模型相比,由于實體模型考慮了桶體在厚度方向上的速度分量,因此其控制方程要復雜得多,導致相應的求解過程也復雜得多、計算量大且計算時間長,這是基于實體模型的注塑流動分析目前所存在的最大問題。

1.1.3 注塑制品的質量管理與常見缺陷處理方法

在注塑生產過程中,由于機器設備及人為操作等原因,制品經常出現各種各樣的品質缺陷。在Autodesk Moldflow應用之前,大多數注塑操作者僅憑積累的工作經驗進行處理,不僅盲目調機時間長,而且原料還浪費較大,對一些問題缺乏科學的系統性分析。

1.制品的質量管理

在實際注塑成型生產中,人們總是希望不要產生廢品,但是由于受到注塑原料、成型模具、注塑機及輔助設備、成型環境等因素的影響,總會出現各種各樣的質量問題,因此注塑制品的質量管理顯得極為重要。

質量管理包括正確選擇注塑機型、原材料的控制、模具的有效管理、注塑工藝操作與調整、推行品質檢查與全面品質管理、建立完善的品質保證體系、選擇適當的控制方法以及實現品質的網絡化管理等方面。

質量管理是一項系統、復雜和煩瑣的工作,沒有固定的模式,各個企業應該根據自身的特點確定自己的管理思路及管理方法??傊?,品質要常抓不懈、持之以恒,這樣才能抓出效果和品質。影響制品質量的因素包括如下幾方面。

·對注塑件有精度和質量(表面和內在)的要求。

·注塑件的精度取決于塑料材料、模具、注射工藝、制品的結構等。

·對于大制品,成型條件的波動所造成的誤差占制品公差的1/3;對于小制品,模具的制造精度占制品精度的1/3,單個型腔的制品精度較高,運動型芯的部位精度較低,澆注系統、冷卻系統、脫模力設計不當均會使制品變形從而影響精度。

·大批量生產中,要保證每次注射時所有型腔流動和固化條件(時間、溫度和壓力均影響收縮)的一致性。

·提高注塑件的精度,主要依賴模具的設計與制造,而保證注塑件的質量主要靠對注射工藝的控制,與流道系統關系密切。

2.常見制品缺陷及處理方法

常見制品缺陷及處理方法如下所述。

(1) 短射

短射是指由于模具型腔填充不完全造成的制品不完整的質量缺陷,即熔體在完成填充之前就已經凝結,易出現在偏薄膠位及角落位置,如圖1-5所示。

造成短射的原因如下所述。

·流動受限,由于澆注系統設計得不合理導致熔體流動受到限制,流道過早凝結。

·出現滯留或制品流程過長、過于復雜。

·排氣不充分,未能及時排出的氣體會產生阻止熔體流動壓力。

·模溫或料溫過低,降低了熔體流動性,導致填充不完全。

·成型材料不足,注塑機注塑量不足或者螺桿速率過低也會造成短射。

·注塑機的缺陷,入料堵塞或螺桿前端缺料。

短射的解決方案如下所述。

·避免遲滯現象發生。

·盡量消除氣穴,將氣穴位置設在利于排氣的位置或利用頂桿排氣。

·增加螺桿速率。

·改進制件設計,使用平衡流道,并盡量減小制件的厚度差異。

·更換成型材料。

·增大注塑壓力。

(2)氣穴

氣穴是指由于熔體前沿匯聚而小塑件內部或在模腔表層形成的氣泡。其現象為表面有氣泡孔、真空氣泡,通常在PC透明料中比較容易出現,如圖1-6所示。

圖1-5 短射

圖1-6 氣穴

造成氣穴的原因如下所述。

·跑道效應。

·滯留。

·不平衡,即使制件厚度均勻,各個方向上的流長也不一定相同,導致氣穴產生。

·排氣不充分。

氣穴的解決方案如下所述。

·平衡流長。

·避免滯留和跑道效應的出現,對澆注系統做修改,從而使制件最后填充位置位于容易排氣的區域。

·充分排氣,將氣穴位置設在利于排氣的位置或利用頂桿排氣。

(3)熔接痕與熔接線

當兩個或多個流動前沿融合時,會形成熔接痕和熔接線。兩者的區別是融合流動前沿的夾角的大小。圖1-7所示的物品中很明顯地可以看到制品表面出現的熔接線。

熔接痕和熔接線成因:由于制件的幾何形狀,填充過程中出現兩個或兩個以上的流動前沿時,就很容易產生了熔接痕和熔接線。

熔接痕與熔接線的解決方案如下所述。

·增加模溫和料溫,使兩個相遇的熔體前沿融合得更好。

·改進澆注系統設計,在保持熔體流動速率的前提下減小流道尺寸,以產生摩擦熱。

(4)飛邊(披鋒)

飛邊是指在分型面或者頂桿部位從模具模腔溢出的薄層材料,如圖1-8所示。飛邊通常與制件相連,通常需要人工清除。

造成飛邊的原因如下所述。

圖1-7 熔接線

圖1-8 飛邊

·模具分型面閉合性差,模具變形或存在堵塞物。

·鎖模力過小。

·過保壓。

·成型條件有待優化,如成型材料黏度、注塑速率和澆注系統等。

·排氣位置不當。

飛邊的解決方案如下所述。

·確保分型面能閉合得很好。

·避免保壓過度。

·選擇具有較大鎖模力的注塑機。

·設置合適的排氣位置。

·優化成型條件。

(5)凹陷及縮痕

凹陷及縮痕是注塑制品表面產生凹坑、陷窩或收縮痕跡的現象,由熔體冷卻固化時體積收縮而產生,如圖1-9所示。

造成凹陷及縮痕的原因如下所述。

·模具缺陷。

·注塑工藝不當。

·注塑原料不符合要求。

·制件結構設計不合理。

凹陷及縮痕的解決方案如下所述。

·改進進料口及澆口的形狀。

·增加注塑壓力與注射速率。

·改善原料的成分,可適當增加潤滑劑。

·盡量保證制品壁厚的一致性。

(6)翹曲及扭曲

翹曲及扭曲都是產品脫模后產生的制品變形現象。沿邊緣平行方向的變形稱之為翹曲(如圖1-10所示),沿對角線方向上的變形稱之為扭曲。

造成翹曲及扭曲的原因如下所述。

·冷卻不當。

·分子取向不均衡。

圖1-9 縮痕

圖1-10 翹曲

·澆注系統設計的缺陷。

·脫模系統結構不合理。

·成型條件設置不當。

翹曲及扭曲的解決方案如下所述。

·合理改善冷卻系統,應保證制件均勻冷卻。

·降低模溫與料溫,減小分析的流動取向。

·合理地設置澆口位置和澆口類型。

·適當增加注射壓力、注射速率和保壓時間等注塑工藝參數。

(7)燒焦

物品表面呈現燒焦狀(即呈現灰黑色),易出現在結合線旁邊或產品末端等位置,如圖1-11所示。

造成燒焦的原因如下所述。

·注塑射速、射壓偏高。

·料筒溫度偏高。

·模具排氣不良。

燒焦的解決方案如下所述。

·注塑降低射速、射壓。

·降低料筒溫度。

·模具增加排氣。

(8)波紋

物品表面呈現波紋狀,一般出現在澆口處,如圖1-12所示。

圖1-11 燒焦

圖1-12 波紋

造成波紋的原因如下所述。

·注塑射速、射壓、保壓偏小。

·炮筒溫度過低。

·模具澆口太小。

波紋的解決方案如下所述。

·注塑提高射速、射壓、保壓。

·提高炮筒溫度。

·提高模溫。

(9)頂凸

物品表面有白色印記,一般位于頂針的背面,如圖1-13所示。

造成頂凸的原因如下所述。

·注塑保壓偏高。

·頂出速度太快。

·冷卻時間不夠。

·模具有倒扣或拔模角度不夠。

·頂針截面積偏小。

頂凸的解決方案如下所述。

·注塑降低保壓,放慢頂出速度,延長冷卻時間。

·提高射速、射壓、保壓,提高炮筒溫度,以及提高模溫。

(10)拉白

物品表面呈白色、將斷不斷的狀態。一般出現在薄壁轉角處或薄壁筋根部,如圖1-14所示。

圖1-13 頂凸

圖1-14 拉白

造成拉白的原因如下所述。

·注塑射速與保壓時間偏高。

·模具拔模角度不夠。

·轉角位置的結構設計不合理。

·頂桿位置設計不正確。

拉白的解決方案如下所述。

·注塑降低保壓和時間,放慢頂出速度,延長冷卻時間。

·降低射速、射壓,增加模具拔模角度,轉角處添加圓角以提高結構強度。

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