注塑成型模擬關(guān)鍵理論與算法研究及Z-Mold軟件改進.pdf

1、高聚物注射成型是當(dāng)前塑料工業(yè)中應(yīng)用最廣泛、最有效的成型工藝之一，能實現(xiàn)三維復(fù)雜構(gòu)件的一次近凈成形，具有成型效率高、適合批量化生產(chǎn)的特點。注射成型CAE技術(shù)自上世紀50年代面世以來，已經(jīng)得到非常廣泛的應(yīng)用，CAE分析業(yè)已成為模具制造前不可或缺的環(huán)節(jié)，其將模具設(shè)計和工藝參數(shù)設(shè)置建立在科學(xué)的分析基礎(chǔ)之上，對縮短生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要指導(dǎo)作用。盡管如此，注射成型CAE技術(shù)仍存在諸多問題，例如模擬結(jié)果的準確性有待提高、參數(shù)設(shè)計依然依賴經(jīng)驗

2、、網(wǎng)格處理繁瑣、計算效率不高等等。
　　上述問題的存在實際上是CAE理論模型和計算方法有待完善的反映，許多問題仍需深入研究。在此背景下，論文基于注射成型模擬軟件Z-Mold研發(fā)與升級的任務(wù)要求，開展注塑模擬中傳熱、翹曲及計算效率等關(guān)鍵理論和算法研究，致力于使Z-Mold模擬結(jié)果的準確性進一步提升，對實際生產(chǎn)的指導(dǎo)意義進一步增強。主要研究工作包括以下方面:
　　1.論文針對Hele-Shaw流動中能量方程整體法求解和分步法求解

3、存在的問題，基于分步法，開展中面流動中熔體傳熱的算法研究，提出一種變長度子時間步長方法處理熱對流項，確保搜索路徑局限在當(dāng)前單元內(nèi)，有效解決了當(dāng)單元速度很高、逆向搜索需穿透多個單元導(dǎo)致搜索可能失敗的問題，并采用二分法確定子時間步數(shù)量，使算法簡潔有效?；谠摲椒ǜ倪M了Z-Mold軟件的中面流動傳熱模塊。算例表明，基于分步的異步長求解方法在保證計算精度和求解穩(wěn)定性的同時，可以明顯減少計算時間，提高計算效率。
　　2.推導(dǎo)了基于中面模流分

4、析的壓力場求解有限元方程，針對壓力場求解過程中生成的新方程組多、迭代次數(shù)多、模擬計算最耗時的特點，提出采用預(yù)條件共軛梯度(PCG)算法求解控制方程，并根據(jù)相鄰時間步壓力場相近的特點和方程系數(shù)矩陣帶寬分布情況，采用近似三角分解來處理PCG算法的預(yù)條件矩陣。以Visual C++6.0為語言環(huán)境開發(fā)完成了PCG求解模塊，并應(yīng)用到Z-Mold軟件。多個算例表明，PCG的求解時間比Z-Mold原有的Gauss-Seidel求解時間減少20％左右

5、。
　　3.研究提出一種預(yù)測注射成型長條狀制件翹曲變形的新方法，即二步有限元方法。首先在宏觀上，將長條件視為小彎曲梁，沿長度方向劃分為若干個一維單元;然后，在一維單元的節(jié)點上，根據(jù)橫截面的形狀進行二維有限元分析，計算出一維單元節(jié)點的曲率或內(nèi)彎矩，然后在單元內(nèi)插值;最后根據(jù)單元的彎矩或曲率計算制件的變形。完成了上述理論方法的有限元方程推導(dǎo)，開發(fā)出自主知識版權(quán)的“注塑成型長條狀制品翹曲快速預(yù)測系統(tǒng)StripMolding”，并集成到注

6、射成型模擬軟件Z-Mold中。以實際生產(chǎn)的長條件為對象，驗證了StripMolding翹曲變形模擬的準確性。
　　4.針對長條狀注射制品比常規(guī)尺寸產(chǎn)品更易變形、變形量更大的問題，以汽車門板防擦條為例，開展了基于預(yù)變形反補償法的長條件翹曲變形控制研究，以StripMolding模擬的翹曲變形結(jié)果來確定預(yù)變形方向和預(yù)變形曲線，完成了預(yù)變形產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計，生產(chǎn)出滿足精度和裝配要求的產(chǎn)品。實踐表明預(yù)變形設(shè)計拓展了注射成型工藝窗口，提高