基于设计仿真一体化理念的SolidWorksPlastic注塑成型仿真分析

ylfnudt · 发表于 2013-2-28 21:05:39

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一、引言 自20世纪初研制出人工合成高分子材料以来，高分子塑料材料以其比强度高、易于成型、绝缘和隔热性能佳等优点在工业产品中得到了大规模的应用。塑料材料应用的行业有汽车内/外部件、电子产品外壳、家电产品、消费品包装、建筑管道、玩具、容器、工具与仪器、电气连接设备等。塑料原材料经过高温熔化、成型以后得到塑料产品，成型方法通常有注塑成型、挤出成型、吹塑成型、吹膜成型、热压成型、浇铸成型、烧结成型、模压成型和搪塑成型等，而其中最常见的成型方法是注塑成型(Injection Modeling)。据统计，80%以上的塑料件都是通过注塑成型生产。
注塑成型是在注塑机中进行，一般要经过合模、填充、保压、冷却、开模及取出产品等几个阶段。在填充、保压、冷却工艺过程中，高温高压的粘弹性非牛顿塑料熔体（流体）通过螺杆旋压注入模腔中，经过保压和冷却形成塑料制品。在此过程中，如果产品尺寸和结构设计不合理、工艺参数设置不当，会导致塑料制品出现短射、缩痕、气穴、飞边、瑕疵、焦痕及不当的熔接线位置等问题。
注射成型是关于时间、温度、压力、材料和工装等混合作用的复杂过程，高分子材料流变学、计算机及数值计算方法的发展和应用，提供了对上述高度复杂的注塑问题借助软件进行仿真(Simulation)分析的可能性。注塑成型仿真分析始于20世纪60年代，最初用于模拟简单流道的充模司题，但限于硬件和软件条件，当时的模拟分析还处于研究阶段，离模拟复杂的工业产品还有很大的距离。70年代末80年代初，随着一些商用模流分析软件的出现和计算机硬件的快速发展，注塑成型分析才得到大规模成熟的应用。
二、基于设计仿真一体化的模流分析理念
传统的塑料件模流分析理念认为：注塑成型CAE分析与产品设计工程师无关，塑件产品设计师只需要设计出产品的基本结构或者三维模型，然后交由塑料模具企业进行模具生产制造或注塑CAE分析，确定浇口位置、熔接线位置、放气口位置和模具形状等，最终得到合适的成品。其流程如图1。

图1 传统塑料产品生产流程图

这种传统方法的优点在于专业分工明确，能够保证可靠的产品设计，但是也存在产品设计周期长，塑料制品生产厂与塑料模具厂沟通不畅，由于设计原因导致模具修改返工费用昂贵等问题。
基于设计仿真一体化理念的模流分析认为，塑料产品设计工程师（非塑料模具设计师）可以掌握模流CAE分析技术，如确定塑料件壁厚是否合适、浇口的位置、熔接线的位置、气穴和排气孔的位置、是否会出现短射等。塑料产品设计工程师掌握这些基本的分析功能可以在塑料产品设计阶段消除可能引起无法完成正常模具设计的因素，为后续的模具设计和修改节约大量的时间和成本，其流程如图2。

图2 设计仿真一体化塑料产品生产流程图

SolidWorks Plastic 正是这样一款基于设计仿真一体化理念，非常成熟、计算速度快、结果精确、易于使用的注塑成型分析软件，塑料产品设计工程师和模具设计师都可以轻松快速地掌握SolidWorks Plastic，为产品设计提供必要的指导和服务。
三、SolidWorks Plastic软件的开发特点
SolidWorks Plastic模流分析软件基于装机量最大且易于使用的CAD软件SolidWorks，通过插件的形式来调用软件。其核心算法基于2.5D的壳体网格和3D实体网格技术，能够快速而精确地仿真分析注塑成型相关的技术指标，其主要的特点如下。
1.与SolidWorks软件紧密集成，模型修改方便
SolidWorks Plastic模流分析软件以插件的形式置于CAD软件SolidWorks中，3D模型设计完即可以进行注塑模流分析，如果分析结果显示虚拟模型设计不合理，可以马上返回SolidWorks中进行几何模型修改，保证设计和仿真分析能够实现真正的一体化。
2.友好的用户界面
SolidWorks Plastic具有中文界面，对于没有塑料材料和流体基础知识、没有分析经验的工程师也可以快速掌握。此外，SolidWorks Plastic还具有向导功能，通过模型树和前进后退键的形式引导使用者掌握模型分析所需要的参数设置、网格划分和后处理等，如图3。

图3 SolidWorks Plastic中的功能设置

3.丰富的塑料材料库
SolidWorks Plastic具有内置的塑料材料库，包含近5000种塑料材料，按照塑料材料类型和原料供应商进行分类。此外，用户也可以根据需要创建公司内部的用户材料库，如图4。

图4 SolidWorks Plastic中的材料

4.针对不同的产品模型特点分别使用自动的2.5D壳网格和3D实体网格
传统的中面网格模流分析的困难在于，对于复杂的薄壁塑料件，提取中面非常困难，需要花费大量的时间来进行几何修补和网格修补的工作。对于薄壁件，SolidWorks Plastic的壳网格功能可以在几何模型上、下壁面进行网格划分，并且划分得到的上、下壁面网格节点不需要对齐，大大简化了壳面网格的划分；对于厚壁实体件，SolidWorks Plastic提供了精确的实体3D网格划分和求解功能，可以精确捕捉喷泉流动、拖曳效应、侧壁效应等现象，提高了分析的精度。
5.方便的后处理
SolidWorks Plastic的后处理提供全自动的Word、PowerPoint和HTML形式的分析报告，报告中可自动包含材料参数、结果云图和结果曲线等。
四、SolidWorks Plastic软件注塑分析的功能
SolidWorks Plastic可以给产品设计师和模具设计师使用，具有以下分析功能：填充分析、保压分析、冷却时间计算、短射模拟、熔接线和气穴位置预测、多浇口、多腔模穴注塑、家族模穴注塑、嵌入模、气辅注塑与阀门浇口、共射、纤维分析和双折射等，如图5～图12。

图5 填充过程分析

图6 短射模拟

图7 熔接线位置预测

图8 气穴位置

图9 多浇口、多腔模穴注塑

图10 收缩和凹痕

图11 家族模穴注塑与流道平衡

图12 嵌入模

五、结语
基于设计仿真一体化理念的SolidWorks Plastic软件易于使用和掌握，能用来模拟分析注塑成型中常见的问题。在塑料产品设计阶段即引入注塑成型模拟分析，可为企业节省产品开发成本、缩短产品上市时间、设计和生产高质量的产品。