计算机仿真设计在塑料制品开发中的应用研究进展

计算机仿真设计在塑料制品开发中的应用研究进展
高源;闫韬;满成;胡鑫
【摘要】塑料机械设计是计算机仿真领域的重要研究对象之一,设计过程中应用计算机仿真技术对塑料机械的科学智能化发展具有极大的帮助.从计算机辅助设计关键技术的发展出发,介绍了计算机设计的一些基本概念及理论依据.以注塑机关键部件模具的参数设计为例,详细分析了仿真技术在塑料机械设计领域的优势及其研究进展,最后结合实例,从设计与生产两个角度对该技术进行了介绍.
【期刊名称】《合成树脂及塑料》
【年(卷),期】2019(036)002
【总页数】4页(P99-102)
【关键词】塑料制品;计算机仿真设计;分析;制造
【作者】高源;闫韬;满成;胡鑫
【作者单位】国家电网铁岭供电公司,辽宁省铁岭市 112000;国家电网铁岭供电公司,辽宁省铁岭市 112000;国家电网铁岭供电公司,辽宁省铁岭市 112000;国家电网铁岭供电公司,辽宁省铁岭市 112000
【正文语种】中文
【中图分类】TQ325
塑料成型加工是将聚合物通过塑料加工机械和模具转变为具有一定形状且有使用价值的制品的过程。

在有限时间内完成固体输送、熔融、熔体流动、压实、固化等非
等温、非平衡过程，并伴随相变发生分子取向、纤维取向及可能的结晶等复杂的物理化学现象。

计算机仿真技术主要是利用高分子材料学、流变学、传热学、计算力学和计算机图形学等基本理论，建立塑料成型过程的物理和数学模型，构造有效的数值计算方法，实现成型过程的动态仿真分析，对塑料成型过程的认识从定性到定量、从静态到动态，为获得理想的最终产品提供科学依据和设计分析手段［1］。

计算机仿真技术对计算机技术的依赖性较强，在进行仿真之前，必须先建立能被计算机系统识别的系统模型［2］。

计算机仿真技术的流程主要包括：1）系统分析；2）建立描述系统行为规律的系统模型；3）将建立好的系统模型转化为计算机仿
真程序，通过仿真运算对系统模型进行求解。

仿真技术是一种模型试验，为了得到正确且真实的系统运动规律，科研人员应不断地进行仿真探索和模型研究，建立恰当的系统模型以得到正确的仿真结果。

在新的社会背景下，计算机仿真技术发展主要包括：1）计算机仿真技术网络化。

计算机仿真数据有许多都不能实现转移，共享困难，兼容性差。

计算机仿真技术网络化的目的是实现资源的共享化及兼容性，在未来很长一段时间内，该技术都会朝着这一方向发展。

网络化不但能极大地降低二次开发的投资，而且可以从分享过程中获取部分共享费用。

2）计算机仿真技术虚拟制造化［3］。

虚拟制造技术最早出现在
20世纪末，它是通过计算机仿真技术实现产品设计、产品出厂及企业管理等过程
的新型技术。

虚拟制造不需要太多的生产经验就能实现对生产的多维预测，是机械制造领域发展的基石。

本文详细分析了仿真技术在塑料机械设计领域的优势及其研究进展，最后结合实例，从设计与生产两个角度对该技术进行了介绍。

1 塑料机械设计
传统的塑料机械设计是针对单种产品进行的，利用合模装置和注射装置，进行单一产品的生产。

这种设计生产方式很难适应多种客户的需求，极大地限制了塑料机械
的发展。

1.1 塑料机械模块化设计原理
与传统塑料机械设计相比，塑料机械模块化设计是以一系列相似的产品进行统一设计，通过若干模块的拼接组合，组成不同型号、不同参数的塑料机械［4］。

模块化的设计前提是市场需求，设计基础是产品功能。

在进行设计时，应结合优化设计、系统设计、相似性设计等现代化设计方法，满足用户需求。

在进行市场调查和用户需求调查之后，设计人员对塑料机械功能进行分析，设计灵活性高、整体性强、可靠且具有一定先进水平的模块。

塑料机械模块化设计中，模块划分应以最少模块数获得最多组成方案为标准，划分时，各模块之间应具有一定的独立性［5-6］。

2 计算机仿真主流设计软件
2.1 CATIA软件
CATIA软件是一种以过程为中心的计算机辅助设计（CAD）/计算机辅助制造的软件解决方案，由美国IBM独家销售，由法国达索公司开发，用于设计和制造许多
复杂的三维（3D）塑料打印产品。

目前，CATIA软件被广泛应用在从消费品到机械制造设计过程中，全球使用用户超过了30万。

CATIA软件还被应用于塑料粗塑磨具的制造中。

2.2 Moldflow软件
欧特克公司开发了一个3D机械设计软件包，该软件包的特点是成本较低，一度成为机械设计公司流行的主绘图软件包。

该软件包包括：ACIS3.0高级实体建模引擎；NURBS曲线建模；装配建模和自动关联，灵活的编程工具。

利用该软件包可以轻松地实现注塑成型机、全自动高速吸塑成型机、挤压吹塑机等塑料机械的设计。

Moldflow软件的功能：1）零件和工艺优化。

使用自动化的实验设计（包括模型
几何参数）确定最佳工艺和设计。

2）3D树脂传送成型。

预测树脂填充模式，以
确定树脂无法浸渍纤维材料的区域。

3）在线计算。

在线运行多个分析或设计，并
快速分析。

4）直接编辑。

通过直接在 Moldflow软件内编辑CAD 模型来编辑壁
厚或特征位置等特性。

3 计算机仿真技术用于注塑成型模具设计
在塑料机械设计中，应用计算机仿真技术的设计效率高、开发周期短、研究费用低、产品质量高，为产品的更新换代及增强市场竞争提供了很大的帮助［7-12］。

以
注塑机的模具设计为例。

注塑成型被认为是大批量生产塑料零件最突出的工艺。

近年来，约30%的塑料制品依赖于注射成型。

塑料的使用在工业生产制造中变得越
来越重要，而塑料制品的质量和成本是保持行业竞争力的标准。

此外，塑料可以通过注塑机制备非常复杂的形状，良好的尺寸精度使它们适合应用于高科技产品［13-17］。

由于塑料在成型过程中很容易出现翘曲、收缩、焊缝和空气陷阱，因此，设计模具以生产缺陷较少的产品。

目前，通过模拟树脂流动规律，采用计算机辅助系统可以减少试车阶段所属的试错过程。

适当选择浇口位置，以改善流动平衡，预测避免可能出现的缺陷。

设计一个最优的注塑模具需要完成几个任务：第一，完成零件的初步设计和零件造型；第二，应符合产品的要求和规格；第三，模拟分析，以确定最佳浇口位置，最终显示出最佳的模具设计。

Kalpakjian等［18-20］利用CATIA和Moldflow软件确定了汽车空调排气塑料
的最佳浇注位置。

首先，对实际零件进行测量并记录数据，然后用零件设计模块中的Sketcher工作台在CATIA软件中创建零件模型。

用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物建立了完整的零件模型；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的密度为1 080 kg/m3，泊松比为0.4，屈服应力为6 500 Pa。

为Moldfolow软件准备有限元模型的过程中，网格密度可以局部设计，也可以根据形状和特征的复杂性统一设置，共有三种网格可以用：融合网格、中平面网格和三维网格［21-23］。

Kalpakjian等［18-19］采用融合网格，用一组三节点三角形单元描述零件表面，如何正确放置浇口
是决定零件质量的关键因素。

结果表明：零件上浇口的位置可预置或者有两种选择，对不同的浇口位置进行填充分析，以确定最佳浇口位置。

模拟结果表明，浇口位置可以在零件的顶部（记作第一种情况）或者侧面（记作第二种情况）。

对这两种情况进行成型分析，以确定最佳浇口位置。

模具填充分析结果如下：1）填充时间。

填充时间表示材料进入空腔的过程。

选择浇口位置的目的之一是保证型腔内的流动路径均匀，并尽可能快地完成充填。

结果表明：第一种情况的填充时间是2.196 s，较第二种情况的2.380 s更快。

2）冻结时间。

冻结时间表示聚合物达到固态所需
要的时间，对零件的循环时间有影响。

第一种情况的冻结时间为207.1 s，第二种情况的冻结时间为206.5 s。

3）腔内产生的最大压力。

腔内产生的最大压力指成
型机应使用的最大压力。

压力分布应与充填时间平衡，填料过少，填料过程压力分布均匀，此时，压力和填充时间的变化趋势相似，所以在该部分很少或者没有均匀连续的水流。

第一种情况的压力为7.24 MPa，第二种情况的压力为6.49 MPa，
表明腔内压力较低。

然而，根据恒压梯度原理，最有效果的填充模式是沿着路径的压力梯度都是恒定的。

4）壁面存在剪切应力。

壁面剪切应力发生在冻结层或熔融层界面，这是界面上剪切应力最大的位置。

零件内部的剪切应力应低于材料数据库中规定的极限。

由于剪切作用，剪切应力应保持在最小值。

应力会引起翘曲表面、缺陷以及降低零件强度。

较高的注入压力表明存在较高的剪切速率和剪切应力。

第一种情况中，壁面最大剪切应力为0.260 8 MPa，第二种情况为0.245 6 MPa。

4）空气陷阱结果。

模拟结果显示，在填充过程中可能会出现空气陷阱。

采用改变墙体厚度、浇口位置和喷射速度等方法，可消除空气陷阱。

空气陷阱表面存在缺陷（如烧痕、瑕疵和充填不足）。

5）焊缝结果。

焊接线发生在两种材料流相遇时，或者在孔的周围发生一种材料流被截断后重新汇合在一起的情况。

当厚板和薄板之间存在明显的竞流时，会在厚板和薄板之间的界面形成焊缝。

焊缝会造成零件外观缺陷。

5）合模力分析结果。

利用模缝线的空腔面积可计算合模力的大小。

合模力的敏感
度很高，可用来平衡充填压力和保压压力。

第一种情况下的合模力为4.853 5 MPa，第二种情况下的合模力为3.039 4 MPa。

第二种情况下的合模力较第一种情况好，因为其具有较低的空气陷阱和焊缝缺陷。

通过计算机模拟结果，表明可利用计算机模拟软件确定汽车空调排气塑料部件最佳浇口位置。

仿真结果表明，第二种情况的浇口位置是该零件的最佳选择。

4 结语
仿真技术的引入最大限度地减少了材料的浪费和缩短了耗时。

由于塑料在成型过程中很容易出现翘曲、收缩、焊缝和空气陷阱，因此，设计模具以生产缺陷较少的产品。

通过模拟树脂流动规律，采用计算机辅助系统可以减少试车阶段的试错过程。

确定注塑机模具的最佳浇口位置，以改善树脂材料流动平衡，预测以及避免可能出现的缺陷，从而设计出一个最优的注塑模具。

计算机辅助设计在工业领域应用十分广泛，能够提高工业生产的效率，降低工业设备在使用中出现故障的概率，而且能够实现自动化生产。

在塑料机械模具设计中，运用计算机仿真技术可以在一定程度上完善塑料制品的性能，促进塑料企业的发展。

在对机械设备进行设计的时候，一般使用CATIA，Moldfiow等通用软件，这类软件可结合产品的特征，选择不同的计算机辅助软件，而且还能够建立统一的机械设计仿真系统。

5 参考文献
【相关文献】
[1] 徐宁. 基于计算机仿真技术的塑料机械设计应用［J］. 塑料工业，2016，44（3）：97-99.
[2] 郝振洁. 聚乙烯水处理罐滚塑成型设备优化设计及仿真［D］. 武汉：武汉理工大学，2007.
[3] 陈凤琴，陈宇刚. 计算机仿真在塑料加工工艺优化领域的应用研究进展［J］. 合成树脂及塑料，2017，34（4）：90-93.
[4] 杨宇哲. 浅谈计算机仿真技术在包装机械设计制造中的应用［J］. 工业技术，2014（11）：97.
[5] 郭聪. 包装机械设计制造中计算机仿真技术的运用［J］. 无线互联科技，2016（13）：22-23.
[6] 吴康福. 浅谈仿真技术在机械设计制造过程中的应用［J］.民营科技， 2018（3）：32-35.
[7] 黄志刚. 仿真技术在包装机械研制中的应用［J］. 计算机仿真，2003（z1）：348-349.
[8] 刘劲威. 计算机辅助设计在机械设计中的应用分析［J］. 科技与企业，2013（2）：98；100.
[9] 边春娜，宋鑫. 计算机辅助设计在煤矿机械零件中的开发及应用［J］. 煤矿机械，2013（4）：276-278.
[10] 周海鑫. 计算机辅助设计在机械设计中的应用分析［J］.科技风，2014（19）：113-114.
[11] 孟宪文，李连进. 虚拟设计在包装机械产品开发中的应用［J］. 包装工程，2012，28（3）：100-102.
[12] 孙连成. 计算机辅助设计（CAD）在机械产品开发中的应用［J］. 机械管理开发，2014（6）：67-68.
[13] 张荣建. 计算机辅助设计在汽车车身开发中的应用研究［J］. 四川兵工学报，2011（2）：29-34.
[14] 康海霞. 计算机辅助设计技术在机械产品中的应用探讨［J］. 装备制造技术，2014（6）：
241-243.
[15] 聂勇军，廖启征. 多学科优化设计在工程机械产品开发中的应用展望［J］. 起重运输机械，2011（8）：8-11.
[16] 唐荣锡. CAD/CAE技术［M］. 北京：北京航空航天大学出版社，1994：42-46.
[17] 张文利. XS-ZY-125塑料注射成型机自动化改造及仿真研究［D］. 南京：南京理工大学，2008.
[18] Kalpakjian S，Schmid S R. Manufacturing engineering and technology［M］. New Jersey： Prentice Hall，2006.
[19] Lim H S，Son J S，Im Y T. Gate location design in injection molding of and automobile junction box with integral hinges［J］. J Mat Pro Tech，2003，140：110-115.
[20] Ryim W G，Kim Y I，Chang S K. A systematic optimization of gate location and processing conditions in injection molding［J］. J Appl Mech Trans，1997，227：111-120.
[21] 茅建贤. 可编程计算机控制器在塑料挤出机中的应用［J］.合成树脂及塑料，2015，32（5）：93-94；102.
[22] 苏燕，梁武. CAD/CAE/CAM技术在塑料薄壁制品成型中应用［J］. 工程塑料应用，2016，
44（10）：143-146.
[23] 田丽霞，孙大阳，盖作有. 计算机辅助设计在塑料机械产品开发中的应用［J］. 塑料科技，2002（3）：47-49；54.。