塑料成型CAE

一、注塑成型过程的模拟的发展历史
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澳大利亚Moldflow公司于1976年发布了世界上第一 套塑料注射成型流动分析软件Moldflow Plastic insight (MPI)。
二十世纪八十年代初期，美国AC- Tech公司也发布 了注射成型分析软件C- Mold) 。
2000年4月，Moldflow公司收购了AC- Tech公司，并 于2001年发布了集MPI 2.0和C-Mold2000优点于一 体的MPI3.0。
HSCAE3D 软件2001年获中国高校科技进步一等奖， 2002 年被评为 2002年度中国机械工业五项重大科 技进展发布项目之一。
HSCAE3D软件
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HSCAE3D 软件采用了先进的基于表面网格模拟技术， 并把人工智能技术引入到系统的开发中，一方面应 用人工智能技术对成型方案进行分析和评价，另一 方面通过“机器专家”对分析结果进行评价，为用 户提供工程化的分析结果和技术指导，将仿真软件 由传统的“被动式”提升为“主动式”。
图 ６是给定挤出口模， 模拟挤出涨大的结果。
图 ７是给定挤出制品， 需要的挤出口模形状。
中空吹塑成型模拟
•吹塑制品的壁厚分布和拉伸后型坯的拉伸比是判 断制品质量的主要因素;
•能够模拟挤出－吹塑、挤出－拉伸－吹塑等成型 过程；
•主要的输出结果包括，成型时间，厚度分布，应力 分布及塑料流动过程等，其有助于优化模具设计和 成型工艺参数的设置。
塑料成型计算机模拟技术的基本概念
塑料成型计算机模拟技术（Computer Simulation Analysis for Plastic Molding Process）主要是利用高分子
流变学、传热学、数值计算方法和计算机图形学等 基本理论，对塑料成型过程进行数值模拟，在模具 制造之前就可以形象、直观地在计算机屏幕上模拟 出实际成型过程，预测模具设计和成型条件对产品 的影响，发现可能出现的缺陷，为判断模具设计和 成型条件是否合理提供科学的依据。
加拿大Advanced Polymer Processing and Design中心开展 了物料在单螺杆挤出机中的流动，熔体在平缝式模头中的流 动，熔体在鱼尾式和衣架式挤出模头中的流动等的数值模拟 研究。
Werner & Computer正在研究双螺杆挤出机的挤出成型过程的 模拟。
美国和意大利的Plastics & computer公司、加拿大的 Rheotek公司等都在挤出成型模拟研究方面取得了许多应用性 成果。
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美国AC-Tech.公司直接利用和推广Cornell大学 的科研成果而研制开发的C-mold软件无论是数 学模型、程序编制，还是用户界面、软件接口 都具有很高的水平，而且在美国和世界各地得 到广泛应用。
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另外美国的AT&T.Bell实验室，美国和意大利 的Plastics & computer公司，澳大利亚的 Moldflow公司，德国的Ikv研究所和Aachen大 学，美国的SDRC公司Mcdonell Douglass飞机 公司等在注射成型模拟和注射模专家系统方面 都进行了深入的研究。
３） 流动分析 ４） 冷却分析 ５） 翘曲分析 ６） 纤维填充取向分析
MPI有三种分析方法， 基于中性层的分析、 基于表面的分析与三 维分析。
７） 优化注射工艺参数
８） 结构应力分析
９） 确定合理的塑料收缩率
１０） 气体辅助成型分析
１１） 特殊注射成型过程分析
HSCAE3D软件
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HSCAE3D 软件是华中科技大学模具技术国家重点实 验室经过 10多年的努力开发的，是国内真正实现商 品化销售的注射成型模拟软件。
HSCAE3D软件
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由于资金、开发人员等方面的原因，与 Moldflow MPI相比，在模块、CAD接口方面有一定的差距，但 算法的先进性、分析结果的准确性是不相上下的。 由于高的性价比，国内市场占有率不断提高，对 Moldflow软件产生了很大的冲击。
塑料挤出过程的模拟的研究 现状与发展趋势
单岩 王蓓 编著 Moldflow模具分析技术基础 清华大学出版社 2004.9 王刚 单岩 编著 Moldflow模具分析应用实例 清华大学出版社 2005.6
第一章 绪论
1. 塑料成型计算机模拟分析技术基本概念 2. 塑料成型计算机模拟分析技术的应用 3. 塑料成型计算机模拟技术的发展历史与研究现状
国内挤出成型过程的模拟的发展
近年来也开展了大量的工作，特别是在
挤出模头内流动和出模胀大分析方面已取得
了一些成果，并正在向应用领域拓展。
其他成型过程的模拟的发展
1. 纤维纺丝、吹塑、线缆包覆等成型模拟也在 世界各地普遍开展。 2. 例如比利时的Poly Flow软件可以模拟挤出 与共挤出、纤维纺丝、薄膜挤出、吹塑、包覆、 热成型等成型过程，并且可以进行三维非等温、 非牛顿、可压缩模拟等。
塑料注射成型计算机模拟技术
注射模具充填过程模拟分析 •浇道系统分析：确定合理的流道尺寸、布置以及最 佳的浇口数目、位置和形状； •型腔充填分析：得到合理的型腔形状及最佳的注射 压力、注射速率等参数。
注射模具冷却系统模拟分析
Fig.1 Best Gate Location
Fig.2 Confidence of fill
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90年代，开展了流动、保压、冷却、应力分析的 注射全过程的集成化研究。
美国K.K.Wang领导的Cornell大学CIMP研 究小组自1974年开始，在美国政府的资助 下，在注塑成型模拟研究方面取得了令人 瞩目的成就，他们在非牛顿、非等温熔体 流动的流变模型，冷却过程的热传导模型， 保压和翘曲的分析的粘弹性模型以及数值 计算方面都取得了实质性的成果。
塑料模具的传统做法
（以塑料注射）模为例
概
产模Βιβλιοθήκη 念品具开
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塑料模具的CAE做法
（以塑料注射）模为例
概 产模 念 品 具开 试 生 设 设 设模 模 产 计 计计
CAE
塑料成型计算机模拟技术的应用
塑料注射成型计算机模拟技术 塑料挤出成型计算机模拟技术 气体辅助注射成型计算机模拟技术 其他塑料成型方法中的计算机模拟技术
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在基础模拟软件开发方面，美国Scientific Process & Research公司开发的CAE软件，可以模拟物料在单螺 杆挤出机中的输出情况，给出沿螺杆轴向各点物料的 温度和压力以及熔融区和固态区的分布。同时模拟模 头结构及成型工艺对熔体流动状态的影响。
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三个发展阶段
在开发注射成型模拟软件的过程中，经历了 三个技术发展阶段。
基于中性层模型的模拟 基于表面模型的模拟 基于实体模型的模拟
１）基于中性层模型的模拟
首先将薄壁塑料制品抽象成近似的平面和曲面， 这些面被称为中性层，在这些面上划分二维平面网格， 采用有限元计算温度场、压力场，同时在中性层两侧 用有限差分计算厚度方向上的温度，用控制体积法追 踪流动前沿，并将结果在中性层上显示出来。
2003初，推出了4.0版。MPI软件一直主导塑料注射 成型CAE软件市场。
二、目前注射成型研究的模拟热点
气体辅助注射成型模拟 真三维的精密注射数值模拟 联机分析成型过程的控制系统研究。 将实际注射成型与计算机模拟结果进行实时 比较，然后利用专家系统自动调整成型工艺 参数，以实现注射成型机的优化控制。
图８、９是某饮料公司饮料瓶的中空吹塑模拟结果
塑料成型计算机模拟技术的 发展历史与研究现状
注塑成型过程模拟的发展历史与研究现状 挤出成型过程模拟的发展历史与研究现状 其他成型过程模拟发展历史与研究现状
注塑成型过程的模拟的发展历史与研究现状
1. 1、注塑成型过程的模拟的发展 历史
1. 2、目前注射成型研究的模拟热 点
特种塑料成型工艺及模具设计 （Special Plastic molding Process and Mold Design）
申长雨等著 塑料模具计算机辅助工程 河南科学技术出版社 1998 吴崇蜂主编 实用注塑模CAD/CAE/CAM技术 中国轻工业出版社 唐志玉编著 塑料挤塑模与注塑模优化设计 机械工业出版社 王国中主编 注塑模具CAD/CAE/CAM技术 北京理工大学出版社
其最大缺点是构造中性层 十分困难，而且不能从其他 CAD软件转换，因此，在相当 长的时期内，阻碍了软件的发 展和推广使用。
２）基于表面模型的模拟
20世纪 90年代发 展起来的新技术
在制品的表面（制品的表面即构成了模具的型芯、 型腔）划分网格并进行有限元计算，厚度方向上的有限 差分仅在表面的内侧（从模壁至中性层）进行。
采用三维网格，考虑厚度方向的速度分量。但这样 一来，网格划分技术要求更高，控制方程变得更加复杂， 计算量大，时间长。
MPI4.0虽然有三维流动、冷却、翘曲 分析模块，但网格划分困难，计算时间长， 因此，真正实用化，还有一段时间。
Moldflow MPI 软件的主要模块
１） 模型输入与修复
２） 塑料材料与注射机数据库
Computer Simulation Analysis for Plastic Molding Process
潘晓涛 Pan Xiaotao
塑料成型原理 （ Plastic molding Theory ）
塑料流变学 （ Polymer Rheology ）
塑料注射工艺及模具设计 （ Plastic Injection Process and Mold Design）