注塑成型充填过程的数值模拟技术

注塑成型充填过程的数值模拟技术

王利霞申长雨

郑州大学檬塑模具国家工程研究中心，郑州、４５０００２

注塑成型充模流动过程是一个相当复杂的物理过程，非牛顿的高温塑料熔体在压力的驱动下通过流道、浇口向温度较低的模腔充填，塑料熔体压力、温度、剪切速率等物理量在充模过程中的变化．将直接影响者塑件的最终彤状、内部结构、取向和残余应力。模具设计人员应综合考虑这些因素，才能正确设计出合格的模具。注射模ｃＡＥ技术的出现，使人们在模具制造之前就能预测熔体的充填状况，以便及早发现问题，修改图纸而不是返修模具。

ｌ数学模型

注塑模充填模拟基于型腔内熔体充填机理和流变学基本方程，视聚合物熔体在型腔中的流动为粘性不可压流体的流动，忽略垂直于流动方向的速度分量，进行合理简化，建立了广义Ｈｅｌｅ－￥ｈａｗ流动的数学模型。

连续性方程旦㈦＋曼！坐尘＝０ｎ）

０ｘａｙ

运动方程罢一导（卵要ｂ：ｏ（２）

ｕｊＯＺ口＝

罢一＿ｃ３（叩＿ｄｖ）＝ｏ（３）

ｖｙｏ＝口ｚ

能量方程，ｏ（乓拿＋。导￡＋，要马：Ｉ要≥＋口，。（４）

ｕｌ“＾ｕ，＿ｚ

其中，ｔｌ、ｖ分别为ｘ、ｙ方向的速度分量，Ｐ为密度，Ｃｐ、ｋ分别是比热窖和热传导率，Ｐ、Ｔ分别代表熔体的压力和温度，ｘ、Ｙ为中面坐标，ｚ为厚度方向坐标，Ｙ为剪切速率，ｎ为剪切粘度，可采用Ｃｒｏｓｓ模型。

２数值离散

由于注塑件大多是薄壁件，采用中面模型处理三维问题，即沿型腔中面划分为三角形单元，对型腔厚度方向和时间采用有限差分。计算区域离散后，引入控制体积概念，即对于每一个三角形单元，通过连结形心和边的中点而将单元划分成三个子体积，相应于每个节点的控制体积是由与此节点相连的所有子体积构成的，它是一多边形区域。

１）温度场计算：

在充填过程中，聚合物熔体粘度对温度具有高度敏感性，温度分布在注塑成型模拟中十分重要。采用有限差分法求解能量方程时，由于热传导、热对流项和粘性热项对每个控制体积结点的贡献在单元内边界处可能是不连续的，需加权平均。为了保持数值计算稳定性，采用“上风法”处理对流项和粘性热项，从而可得到每一个结点的能量差分方程。利用松弛法求解能量方程可得到流动区域的温度场分布。

２ｌ压力场计算：

假设流动过程中熔体不可压，根据每个结点的控制体积的质量守恒关系可建立压力场求

曲８

解的有限元方程，即∑ｓ‘。芝Ｄ凹■‘）＝Ｑ。

』ｍｓ］

点Ｎ韵所有单元，Ｑｗ为结点流率。压力方程为１

迭代法求解。

３）熔体前沿及时间步长的确定：

压力场确定后，采用控制体积确定熔体前ａ

ＦＡＮ的基本思想，但采用多边形控制体积代替四

因子ｆ（控制体积充填百分比），相应地定义了４ｌ

仁１；②内点，Ｐｔ：③前沿结点，ｏ＜ｆ＜ｌ：④空

时间步长的选取是使每个时间步长刚好有一

此时，与其相邻的所有空结点都变成新的前沿结

开始时第一个控制体积已被熔体充满，此时可近

温状态，这样便获得了初始时刻的前沿位置和温

求解粘度和压力。在获得压力场数据后，计算下

体豹新前沿位置，以便计算下一时刻的温度场。

个型腔被熔体充满。

３算例分析

这里对天津润通彩票杌面板进行模拟分析。

量要好，没有明显的暇癖。分析的目的是找出最

目，并调整工艺参数使成型的制品达到用户要求

所示为最佳设计方案的分析结果。

４结束语

注塑成型充填模拟可使我们从宏观上认识充模过程中各种物理场的变化，估计一些充模特征，帮助优化产品和型腔设计，确定合理的浇口和流道设计，预测所需的注射压力和锁模力等，以尽早发现由于模具设计或工艺参数不合理而引起的塑件质量问题，及时进行修改而得到台理的模具设计和工艺参数，以提高产品质量和生产效率。

关键词：注塑成型，充填模拟，流动分析

ＮＵＭＥＲＩＣＡＬＳｌＭＵＬＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＩＱＵＥＯＦＦＩＬＬＩＮＧＳ‘ｒＡＧＥＩＮ

ＰＬＡＳＴＩＣｌＮＪＥＣＴｌＯＮＭＯＬＤＩＮＧ

ＷＡＮＧＵｘｉａＳＨＥＮＣｈａｎｇｙｕ

ＡＰＰＴＮＥＲＣ，ｚｈｅｎｇｚｈＯｕＵｎｉｖｅｍＲｙｌＺｈｅｎｇｚｈｏｕ，４５０００２Ａｍ＝ｈｅｍａＵ∞ｌｍｏｄｅｌｉｎｇｉｓｅ嘲ｂｌｉｓｈｅｄｂｙｕｓｉｎｇｇｅｎｅｍｌｉｚｅｄＨｅＩｅ．ｓｈ洲月ａｗｏｆａｎｉｎ翻ａ＝ｉｃａｎｄＮｏｎ．Ｎｅｗｔｏｎｉａｎｆｌｕｉｄｕｎｄｅｒｎｏｎ－ｉｓｏｔｈｅｍａ｜∞ｎｄＲｉｏｎｓｈａｓｂｅｅｎｐｒｅｅｎｅｄｔｏｄｅ∞ｎ嗨ｔｈｅ

ｄｉ仃ｂ糟ｎ∞，

ｆｉｌｌｉｎｇｓｔａｇｅｉｎｉｎｊｅｄｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｉｎｔｈｂｐａｐｅＬＡｈｙｂｄｄ仃ｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ／ｔｉｎｇｅ

ｃｏｎｔｍｌ．ｖｏｌｕｍｅｎｕｍｅｄ∞ｌｓｃＩＩｅｍｅｌｓａｐｐＩｉｅｄｔｏｉｍｐｌｅｍｅｍｔｈｅ３Ｄ＝ｍｕｌ＝ｉｏｎｏｆｔｈｅｆｉｌｌｉｎｇｓｔａｇｅ．Ａｂ甜雕ｔ：ｐｌａ＝ｉｃｉｎｊｅ＝ｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇ．ｆｉｌｌｉｎｇｓｉｍｕｌ甜ｏｎ。ｎｏｗａｎａｆｙｓｉｓ

ｃ－７９

注塑成型充填过程的数值模拟技术

作者：王利霞， 申长雨

作者单位：郑州大学橡塑模具国家工程研究中心(郑州)

1.期刊论文师平.张纹.Shi Ping.Zhang Wen基于Moldflow的注塑成型充填过程的数值研究-农业装备技术2007,33(6)

由于产品的注塑成型过程非常复杂,而充填过程的模拟计算机软件在预测型腔的流动行为方面已经比较准确.采用Moldflow充模模块,对手机外壳的充模流动过程进行了动态模拟,分析和讨论了影响产品质量的主要原因和问题.

2.学位论文刘恰注塑模具的保压优化设计2009

注射成型是指将受热融化的塑料材料快速注入闭合的模具型腔内，经过冷却固化定型后，得到和模具型腔形状一致的塑料制品的成型方法。信息产品和电子产品的迅速发展，对注塑制品的质量提出了更高的要求，如轻便、小巧等，这些就促使了高精密塑料模具的出现。随着一些大型的注塑成型分析软件的发展和成熟，基于CAE技术的优化设计在注塑成型工艺中的应用极大地提高了制品成型的质量和效率。然而，基于这些大型分析软件，实施有效的优化设计仍然是一个有挑战性的课题。

由于注塑制品在注塑成型中容易出现收缩不均、残余应力及翘曲变形等缺陷，会严重影响制品的质量。本文从改善制品质量的角度出发，分阶段地考虑注塑成型的各个关键因素，采用系统优化方法找出各个子系统中的主要设计目标，并对影响设计目标的参数进行优化设计。

首先，阐述了注塑成型的概念与发展现状，介绍了注塑成型过程的主要工艺条件及影响产品质量的关键因素，简述了注塑成型CAE技术的发展与几种常用的优化算法。

其次，由于目前针对保压阶段的设置相对简单，主要是将保压曲线设为恒压控制。本文对保压曲线的形式做了更多的研究调整，提出了五种不同的保压曲线形式，以有效降低注塑制品的不均匀体积收缩为主要设计目标，并利用Kriging代理模型方法来模拟设计变量与目标函数之间的近似关系，进行优化迭代计算，分别得到了在五种保压曲线形式下的优化设计方案。本文以扫描器和手机壳为例，详细阐述了本文所提出的注塑模具保压优化设计方法，有效地解决了注塑制品的不均匀体积收缩问题。

最后，将保压曲线优化与浇口位置优化、冷却系统优化和成型工艺参数优化相结合，对整个注塑成型过程进行系统优化设计。对于浇口位置优化，将遗传算法与注塑充填模拟程序相结合，最小化充填过程中的入口注射压力、制件温度差异、过压和磨擦热四项指标。对于冷却系统优化，在浇口位置与保压曲线优化设计的基础上，利用分级优化方法对冷却系统进行优化设计。最后，以成型工艺参数作为设计变量，收缩和翘曲引起的最大变形为设计目标，利用Kriging替代函数对其进行优化设计。以手机上面板和CPU基座为例，详细阐述了注塑模具的系统优化设计方法。结果表明系统优化方法可以更为有效地解决注塑成型各阶段的主要质量缺陷，大大提高制品的质量。

本文工作得到国家自然科学基金重大项目《高聚物成型加工与模具设计中的关键力学和工程问题》(No.10590354)的资助。

3.期刊论文申长雨.王利霞.李倩.陈静波.刘春太.SHEN Changyu.WANG Lixia.LI Qian.CHEN Jingbo.LIU Chuntai注塑成型充填过程的可压缩流动分析-化工学报2006,57(7)

注塑成型过程中,熔体在型腔中的流动和传热对制品质量性能有重要的影响.为了预测注塑制品的收缩、翘曲和力学性能,精确预测充填过程的流动及传热历史是十分必要的.本文考虑熔体的可压缩性及相变的影响,将充填过程中熔体的流动视为非牛顿可压流体在非等温状态下的广义Hele-Shaw流动.采用有限元/有限差分混合方法求解压力场和温度场,采用控制体积法跟踪熔体流动前沿,并应用Visual C++实现了注塑充填过程的可压缩流动分析.为了保证能量方程各项在单元内边界的连续性,结点能量方程各项由单元形心处的离散值加权平均获得,因而,能量方程在计算区域内整体求解.对两个算例进行了分析,模拟结果与实验结果的对比,验证了本文数值算法及程序.

4.学位论文王利霞基于数值模拟的注塑成型工艺优化及制品质量控制研究2004

注塑成型过程中,熔体在型腔内的状态及变化历史直接影响到最终制品的性能和质量.对成型过程进行数值模拟,预测熔体在型腔内的状态及变化规律,以辅助模具设计和成型工艺设置,成为提高制品质量的重要手段.应用成型过程的数值模拟只能代替试模来反复验证工艺参数是否合适,难以得到最佳工艺设置,且由于成型中外界扰动的影响,难以保证制品质量的稳定性,因此,对成型工艺进行优化和控制,提高加工变量的稳定性以生产出高质量的制品具有重要的意义.论文在对注塑成型充填/后充填过程进行数值模拟的基础上,研究工艺条件对制品质量的影响规律,建立了注塑成型工艺优化和制品质量控制理论及算法,设计了新型注塑制品质量闭环控制系统,并基于数值模拟实现了注塑制品在线质量控制仿真.论文主要工作包括:1基于粘性可压缩流体的非等温流动,针对注塑成型过程的流动、传热机理及特点,采用适当的简化和假设,建立了三维薄壁制品注塑成型充填/后充填过程的统一数学模型,模型考虑了熔体的可压缩性及相变的影响.构造了耦合有限元/有限差分/控制体积法求解的数值模型,实现了注塑充填/后充填过程一体化数值模拟,预测充模模式、熔接线和气穴位置,以及温度、压力、密度、剪切速率等在空间和时间上的变化,并进一步预测制品质量指标如收缩、沉降斑指数、重量等.数值模拟与验证实验取得了一致的结果.2在充填/后充填模拟的基础上,分别采用材料ABS、HDPE和PP,应用TaguchiDOE技术进行正交实验,研究了工艺参数对制品沉降斑指数、体收缩率变化和制品重量三个指标的影响关系,确定了各个工艺变量对三个质量指标的影响度.3根据工艺参数对质量指标的影响度选取控制变量,以实验设计获得的近似优化解为基线条件,抽取工艺特性及制品质量特性数据,应用人工神经网络技术建立了工艺参数与制品质量之间的关系模型,克服了回归分析方法事先给定数学形式导致有可能丢失信息的缺点,且制品质量神经网络模型对工艺条件变化的适应性为制品质量控制提供了基础.4基于神经网络模型,将实数编码遗传算法与最速下降法结合,用动态惩罚函数处理遗传算法的约束优化问题,建立了实现单目标和多目标注塑成型工艺优化的理论和算法.最速下降算子的嵌入加速了遗传算法的收敛,而动态惩罚函数的引入增大了遗传算法的搜索空间,保证了成型工艺全局最优解的获得,从而为制品质量控制提供了最优的工艺设置及质量参考.数值算例中对注塑工艺的优化,使制品内的体收缩率分布和沉降斑得到了明显改善.5基于注塑成型机理,以及机器设置参数、状态参数和制品质量指标的关系,提出了工艺控制环和质量控制环串联的注塑制品质量闭环控制策略,建立了注塑制品质量闭环控制的神经网络内模控制理论.基于注塑成型模拟,在Matlab平台上实现了制品质量闭环控制仿真.仿真结果表明,工艺控制环和质量控制环串联的闭环质量控制系统比传统的层叠控制具有更好的设置点跟踪能力和抗扰性.

5.学位论文谷诤巍薄壳注塑成型中熔体充填过程的模拟研究2001

该论文对薄壳注塑成型中熔体充填过程进行了深入的模拟研究.基于流体力学的基本定律,建立了熔体充填流动的数学模型,确定了适合描述薄壳成型充填过程中熔体流变特性的粘度模型,并采用有限元/有限差分/控制体积法求解了压力场、温度场和移动边界问题.首次深入研究了薄壳成型的可成型性问题.通过材料物性分析和量纲分析,从充填阶段形成的"皮芯结构"出发,研究了凝固层分布和可供熔体通过的流动空间大小的影响因素,并主要研究了表征可成型性的两个主要变量即最大注射压力和最大流动长度的主要影响因素,探讨了粘度的压力依赖性等因素对注射压力和流动长度的影响,并通过实验对比加以验证.对薄壳成型充填过程中的主要成型缺陷进行了模拟研究,建立了薄壳制品熔接线强度的预测模型,并通过实验加以验证.对典型的薄壳塑料制品的充填流动过程进行了模拟研究,并和实际生产数据进行了比较,验证了薄壳成型充填模拟的有效性和正确性.

6.期刊论文王利霞.申长雨.陈静波.刘春太.董斌斌注塑成型充模过程的温度场计算-计算力学学报2002,19(2)

对注塑成型过程中充填阶段的非等温效应的数值模拟进行了研究,模拟了非牛顿流体在任意形状型腔内的流动.这里,数学模型是基于非牛顿流体在非等温状态下的广义Hele-Shaw流动,利用有限元/有限差分混合数值方法求解流场中的压力和温度分布.

7.期刊论文王利霞.张娜.申长雨.李倩应用Taguchi实验设计法最小化注塑成型制品沉降斑-塑料工业2004,32(4)

基于注塑成型充填后的充填模拟,应用Taguchi实验设计(DOE)技术,采用L9(34)正交矩阵进行实验, 并采用变量分析(ANOVA)研究了工艺参数对制品内最大沉降斑的影响,优化工艺参数以使注塑制品内的沉降斑指数最小,从而提高制品质量.

8.学位论文余德启注塑模具的系统优化设计方法研究2008

注塑成型是指将受热融化的材料由高压射入模腔，经冷却固化后，得到成形品的方法。该方法适用于形状复杂部件的批量生产，是热塑性塑料和一部分热固性塑料最主要的成型加工方式。注塑模具作为注塑成型的重要装备，因此对其进行优化设计具有重要意义。

注塑模具的优化是在注塑模具设计的基础上开展的。在注塑模具的设计开发过程中，需要统筹考虑制品结构设计、模具系统设计、成型工艺参数选择和材料选择等四项指标。在过去，注塑模具的优化设计仅仅是着眼于其中的一个方面，没有从模具可行设计、模具加工以及实际生产角度综合考虑以上所述的四项设计原则。

本文从注塑成型过程的角度出发，分阶段、并行地考虑注塑成型的两个关键因素：模具结构参数和工艺参数对注塑成型的影响，来构造优化模型。为了系统分析并考虑各因素对制品质量的影响，作者首次把系统工程概念以及工程设计中的分解优化设计思想引入到注塑模具优化设计当中。

在本文当中，为了简化把系统优化问题分解为浇口位置优化、保压曲线优化、冷却系统优化、成型工艺参数优化四个子系统，为构建系统优化和材料一体化设计软件平台奠定了基础。首先，在一定成型工艺条件下(模具温度、熔体温度和注射时间)，对第一个浇口位置优化子系统，把基于信息熵的多种群演化算法与充填模拟分析程序相结合，最小化充填过程的模穴充填压力、模穴温度差异、过压以及摩擦热四项指标，来对浇口位置进行优化设计。其次，对第二个子系统，依据流动平衡原则建立流道系统，在第一个子系统浇口优化设计结果基础上，利用代理模型方法对保压曲线进行优化设计来最小化由于熔体冷却固化所产生的收缩。再次，对第三个子系统，基于如前的浇注系统设计、保压曲线设计以及相同的成型工艺参数，利用分级优化方法对冷却系统进行了优化设计。最后，由于本文所研究的注塑模具系统优化，其最终目的就是保证获得最优产品质量，表征产品质量的收缩变形和翘曲变形可以作为系统层的优化目标。因此，在第四个子系统中，把成型工艺参数作为设计变量，把收缩和翘曲变形作为设计目标，利用黑箱优化方法来对成型工艺参数进行优化设计，来提高产品质量。至此，注塑模具系统优化过程结束。

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下载时间：2010年11月19日