注射模具CAE分析的功能和作用探析

早在1987年，澳大利亚的moldflow公司的塑料熔体注射充填模具型腔的流动分析软件就已经问世。但仅用于二维注塑件的流动充模模拟。注射模具CAE分析软件，自20世纪90年代至今已经进入成熟应用时期，从二维发展到三维，从流动分析和冷却分析发展到注塑件的收缩和翘曲变形的分析。常见各种CAD软件造型的注塑件都能导入。CAE软件在不断增强前置和后置处理能力，开发和改进与CAD软件的接口，并逐渐与CAD/CAM集成。

1.CAE分析的功能

（1）辅助注射工程 注射生产前，使用软件能帮助设计者解决注射成型测试和检验，正确优化模具设计。CAE软件在制品设计者、模具制造者和注射成型工程师之间起桥梁作用。在塑料注射生产中，生产工艺设计师需要许多早期设计阶段的信息。塑料制品的三维几何设计和功能设计，必须同时适应各方面因素。一些关键的影响因素，例如制品结构、壁厚、塑料材料和性能、模具结构和布局、浇口的位置和数目、模塑工艺、收缩和翘曲变形等，都与制品设计相互联系。这些因素影响注射成型制品的质量。为有效发展注射成型生产系统，注射模CAE技术能用来完成下述的四方面任务。

1）注射成型制品设计。在制品设计中，必须考虑制品的结构和几何尺寸设计的优化，还有制品注射成型能力分析。塑料制品的设计者在结构布局和几何参数拟定时，会遇到制品注射成型的可行性和检验问题。除此之外，在塑料熔体流动充模分析方面，应用CAE也能揭示设计的制品是否有良好的注射成型能力。在制品设计方面，应用CAE提供对制品结构和几何参数的修改意见，能改善注射成型性能。

2）注射模设计。在模具设计中，应用CAE能帮助模具设计者和制造者分析塑料制品的设计质量。预测模具设计所决定的塑料制件质量信息，并得到解决问题的适当方法。CAE的辅助处理，能帮助决定模具布局、浇口位置，帮助确定在单型腔、多型腔或成组型腔模具中的流道系统。CAE也帮助优化注射周期并设计冷却系统。

3）注射成型工艺的拟定。这方面的CAE功能可辅助决定工艺和工艺参数，能保证注塑件有良好质量。CAE提供了数值分析，例如分析夹紧力吨位、注射计量量程、注射速率和塑料熔体的流动性能。

4）保证制品质量。在注射生产中，有效控制注射成型工艺能防止一些常见的制品质量缺陷。这些缺陷是由于设计差错造成的，而且是能够避免和限制的。应用CAE能展现制品在质量方面的缺陷，并获知避免缺陷的建议与措施。

塑料模具设计CAE技术，应用了数值分析技术并求解。用物理、数学和数值分析的原理和方程，是解决工程问题的实用工具软件。遵循某些物理学理论，概括成物理模型后解决注射成型工程中的系列问题，又应用数学模型用数学方程（例如微分方程）有限元法进行物理模型的数值分析。此外，还用数学模型来处理边界、初始条件和约束。数值分析技术，以有限元法和边界元法的数学模式描述单元类型、网格密度和解题参量。其中解题参量提供了处理计算公差、差错界限、迭代和收敛判别等。

在注射成型CAD/CAM过程中应用了图形和数字的反馈回输。它支持CAE解决所给的工程问题，确保早期的设计阶段的预测功效。它涉及生产花费成本的80%还多。注射成型的CAE应用，与注射成型的设计及生产成本一样起决定性作用。应用CAE可避免设计过程中出现过多的变更。以往的模具设计过程中存在反复修改，所以模具制造周期长。模具设计中应用CAE，能推演注射制品、注射模具、注射工艺和制品质量等方面相关联的工程问题规律，帮助寻觅优化的题解。

（2）CAE分析过程CAE分析工具给工程师提供注射成型加工期间，在模具的型腔里塑料熔体流动现象的数值分析的结果。设计者了解塑料材料的注射成型属性，在设计阶段就能认知一些限制的条件，能避免塑料制品的一些质量问题。综合模具CAD/CAM/CAE发展过程，CAE分析工具能直接输入CAD模型到CAE分析系统，进行结构和注射成型的分析和模拟。随着计算机技术和软件的发展，它又增加了更简明和更方便的塑料制品和模具的设计分析。早期的CAE工具使用者需要实行大量的前置工艺操作，还有模型和数据准备和执行后置过程，才获得分析结果并输出。现在大多数的任务能自动完成。而且，最后的结果和输出以图形呈现。CAE分析结果的界面阅读，主要困难在于需要模具设计和生产的专业知识和经验。下面介绍CAE模具设计分析的过程和步骤。

图14-21所示为注射模CAE的分析过程。进行CAE分析，首先要创建注塑件CAD模型。它描述所有的形体结构和尺寸。在塑料制品开发中，模型可直接输入到CAE分析系统，或者以数据交换技术将注塑件CAD模型转换成标准的数据格式IGES和STEP。之后，设计者需要决定物理、数学、数值模型的专业模具设计问题。CAE分析工具遵照塑料熔体的物理模式，建立起注射过程的物理实体。根据用户设想需求，提供二维、三维或轴对称图形，选择材料类型，决定专门物理边界条件和约束等。数学模型方面，用户需要考虑单元类型、网格密度、计算参量、迭代次数和收敛准则等。这些信息将支持CAD设计数据的前置工艺处理，并进一步生成CAE分析模式。在进行分析和模拟之前，用户根据专门需要，处理注射成型信息、成型工艺参数和注射成型条件。在进行分析和模拟之后，计算结果必须加以分析和评估。如果结果和题解不令人满意，建议修改注塑件上相关结构和几何体、模具结构和成型条件，然后进行下一轮计算。经迭代运行过程，直到所有的注射成型功能、生产率和制品质量都满足设计要求，并得到最佳题解。

（3）CAE功能CAE注射模具设计应用技术，可分为四类分析和模拟的常见功能，有流动模拟、冷却模拟、结构分析和纤维取向预测。大多数CAE模具设计工具能够提供这些功能。它们能概括成以下几方面。

图14-21 注射模CAE的分析过程

1）流动模拟。流动模拟是塑料熔体在模具的流道系统中流动和在型腔中流动充填时的动态分析。从注塑件和模具设计的观点，流动模拟提供了注射成型可行性分析，并预测注塑件能否完整地注射成型。它也能辅助浇口、流道和它们任何组合的优化设计。在工艺优化方面，流程模拟帮助估算注射成型周期、夹紧力吨位等，确定最佳工艺条件和配置。它有助于查明熔合缝、流动痕和气囊等缺陷的起因，并推荐避免这些情况的解决方法。

2）冷却模拟。冷却模拟呈现了注射成型中塑料的熔融和凝固。也进行塑料、模具与冷却管道中冷却剂之间的热传递分析。这帮助了冷却系统的设计，并能获知最佳冷却时间。此外，它也有助于设计者对注射成型中产生的收缩和翘曲进行分析。

3）结构分析。造型结构分析证实注塑件结构和参数在强度和刚度方面是否符合要求，并估算注塑件最后的形状，还揭示模塑中收缩和翘曲的潜在原因，能探索研究成型制品形状与模具在局部冷却过程中的关联。

4）纤维取向预测。纤维取向是塑料熔体流动所造成的，对注塑件的力学性能和结构具有显著影响。塑料材料中纤维取向也对注塑件的最终翘曲程度起着重大作用。纤维取向的预测，能用于估算注塑件质量和力学性能，并揭示翘曲的根本原因。

2.CAE在模具发展中的地位和作用

（1）CAE在模具发展中的地位CAE塑料注射成型过程的好处之一，是将很复杂的三维注塑件形体构建成“网格化形体”或“近似网格化形体”。注塑件形体的网格化能在较短时间内导入并构建，然后，才能完整地考虑注塑件设计、材料选择、模具设计、加工条件和它们在注射成型能力和制品质量方面的组合效应。使用CAE工具，可分析注塑件、模具设计和模拟注射成型过程，在制品生产工程早期就能获得最佳设计。CAE分析工具在模具发展中起了关键作用。

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图14-22 CAE在注射模开发中的作用

图14-22所示为CAE在注射模开发中的作用。开始时，要将创建注射成型制件输入到CAD系统中，注塑件模型是实体的、表面的或线框式的。然后将原来的造型格式或标准数据，转换成IGES或者STEP格式。注塑件模型输入模具设计系统后，由于大多数计算机辅助模具设计是以三维为基础的，需将表面的或线框式的模式转变为实体模型。在模具结构的设想尚未落实前，必须分析注塑件和评估可塑性。从注塑件设计和注射成型可行性评估，到模具概念化是个迭代过程。因为这个模具设计过程，需要进行注塑件结构分析、塑料流动模拟、冷却仿真、纤维取向预测，CAE分析起着关键作用。一旦模具结构初步确定，就进入型芯块/型腔块的详细设计。在型芯块/型腔块的创建中，需要设计型腔数目和布局浇口、流道和冷却管道，也要考虑一些模具零部件，包括侧型芯、侧滑块和斜顶杆。在这详细设计阶段，CAE帮助解决上述四种模拟和分析所涉及的设计问题。完整的模具零部件和装配设计完成后，系统进入CNC处理，进行机械切削加工和电火花加工，最终完成模具的装配和注射测试。CAE对模塑工艺参数和制品的质量也有重大影响。

（2）CAE在模具发展中的作用 在注射成型生产发展中涉及以下四个领域。

①塑料材料的选择。

②注塑件设计。

③注射模具设计。

④注射工艺的确定。

各个领域设计都同样重要，变更任何一个都会影响其余几个领域。过去，以上各方面的决策，进行前期设计是以经验为基础，并参照一些引导理论，通常要推倒一些方案，并在试验中纠错。上述四个领域间有多样的相互影响，评估、分析和预测是很难的。以往在新模具开发过程中，解决工程实际问题和产生最佳设计是不可能的。用计算机技术和CAE工具，才有可能对这些复杂问题进行分析，而且分析时间和成本明显减少。CAE技术利用注射成型中各种物理现象和变量，帮助解决了这四个领域的技术问题。

3.注射模具CAE的发展

注射模具CAE软件工具已在市场上流行超过30年，现在广泛使用在模具工业。CAE技术在模具工业中关键的作用不容置疑。但从有限元网格化的自动化、计算的效率、数值的精确和预测功能来看，现行的CAE并不理想。在当前的CAE应用中，存在一些限制，并面临一些困难挑战。因此，模具工程师应当有清醒认识，并避免误解或过度相信CAE的功能。以下讨论CAE的模式问题和面对的复杂工艺。

从模式的角度看，模具被充填的过程是最困难的。在典型的充模过程中呈现以下物理现象。

1）多元的不稳定流动和不混合的流体。典型的充模状态至少存在四种“流体”，它们是模具材料、模具型腔中的气体、充填型腔的塑料熔体和固化的塑料。

2）动态和动力学的结合。在典型的注射成型过程中，上述四种“流体”中的两者界面上，由于流动和界面的物理现象，例如表面张力和相变、不规则的拓扑，存在动态的变化，例如合流、撕裂和细流。

3）动态的热传递。在模具的充填和冷却过程中，存在动态的热传递。从塑料熔体到模具零件，进而到冷却系统的冷却液，不仅有热对流、热扩散和热辐射，还有以上四种“流体”之间界面的和塑料熔体内的运动和摩擦，产生新的热量，并添加到原先的热传递中。

4）复杂的流动现象。在模具型腔里的充填过程中，塑料熔体在不同位置因不均匀的流速和温度分布，有不同流变特性。塑料熔体的流变特性和材料性能变化，进一步影响流动现象，转而影响其他物理现象。对厚壁注塑件的注射成型，会有一些湍流、涡流和涡旋。CAE中的所有注射成型参数，是在假设薄小间隙通道中塑料熔体流动的条件下获得的，此假设获得数值分析的结果与厚壁注塑件注射成型状态有矛盾。

5）控制质量的困难。在注射成型过程中，各种物理现象最终会影响制件的质量。注射成型质量对各种物理现象和它们的组合作用很敏感。最终在注塑件上存在许多质量问题，例如残余应力、收缩、翘曲、流痕、熔合缝和气囊等。所有这些质量问题的限制和控制是困难的。

对高度逼真的充模模拟而言，要模拟所有以上同时发生的瞬时现象，并考虑它们各自的影响是极端困难的，或许是不可能的。在这些复杂的物理现象和它们的影响完全搞清之前，仍需进行深入研究。

另一方面，注射成型过程变得愈加复杂。新的注射成型工艺、新的复合塑料、注塑件的形状更复杂和体积更大等，将使模型比以往更加复杂。以采用多组分注射为例，这种注射成型过程的模式和模拟具有挑战性。在第一次注射时以普通注塑件模式作CAE分析，第二次塑料注射时必须考虑原先的凝固注射。第一次注塑件被保持在模具里，而此时模具的型腔里注塑件会影响热传导。又如微孔发泡塑料注射成型，熔料溶解了二氧化碳或者氮气，塑料熔体的黏度下降。固化的注塑件中含有大量直径5～50μm的泡孔，预测力学性能有困难。在模具的材料中，有的是良导体，各种合金钢的热传导性有差异，这不是个单纯的传热问题。又诸如注塑件及模具零部件各向同性的假设，否定这些假设，使所有这些模式更加复杂。另一方面，从塑料材料资料的角度，需要描述塑料性能的数据必须准确。通常，这些数据是从供应商那里得到。然而，他们的数据往往不是最好的。此外，在注射成型过程中材料添加剂会大大影响聚合物的属性。注射成型企业是从各个混合料的生产厂商处购得这些添加剂。计算和估测这些添加剂对基体材料物理性能的改性是困难的。如果CAE模拟和分析是基于基体材料的性能数据，最终结果将会令人怀疑。以上难题对CAE应用的发展提出了挑战。

现代先进的计算机技术和软件技术发展，足以在技术上支持高端领域的模拟，分析注射成型过程中上述的物理现象和后置的注射成型加工。对CAE应用也提出了模具设计的实际任务。目前实际问题是模式简单化和过程的复杂化。要简化模式，假设是需要的。现代CAE工具提供了数量化处理的结果，将来CAE的最终结果应更多地用于质量分析。对注射制品设计师、模具制造者和注射成型工艺师，CAE模拟技术是极有价值的工具，但是在分析和对待模拟结果时，应该充分认识到CAE工具的弱点和限制。