4.脱模系统不合理；5.成型条件设置不当。5.3注塑模具CAE分析流程注射模具CAE技术对塑料成型具有重要意义：运用塑料流动模拟能帮助设计人员优化成型工艺与模具结构，指导设计人员从成型工艺的角度改进产品形状结构、选择适合的塑料材料和成型设备，评判不同材料采用同一工艺与模具成型的可行性，分析可能出现的问题；达到降低生产成本、缩短模具开发周期的目的。对于一般简单的塑料制品的成型，只进行流动模拟分析即可：但对于复杂精密塑件的成型，不仅要对流动过程进行模拟分析，还需要对充模、保压过程中塑件与模具的冷却进行分析：甚至需要分析开模后塑件的残余变形与应力等。在本章节中，仅对塑料成型流动模拟的基本原理和注射过程模拟软件作简要介绍。一、塑料流动过程模拟的基本原理塑料成型过程中，由于塑料熔体的粘度高、雷诺数低，故熔体流动可简化为不可压缩的层流，符合牛顿流动定律。熔体在型腔内流动的数值模拟分析分为一维、二维和三维分析。一维分析是三维分析的基础：二维分析是将任意形状的三维塑件模型展平成二维模型后，并分解成许多一维流动的基本单元进行一维分析：三维分析是在三维模型及其有限元网格的基础上进行的。二维分析主要用于确定塑料熔体和成型工艺参数的可行范围等以及成型过程技术上的可行性；三维分析则用于完整的成型过程数值模拟与仿真分析。1.一维与二维流动分析所谓一维流动，是指塑料熔体在流动过程中任意质点的运动可用单方向的流速来表征。一维流动有三种基本形式，分别为圆管流动、矩形板流动和径向流动。圆管流动主要用于模拟熔体在流道内的流动，而矩形板流动和径向流动则可用来模拟熔体在模具型腔内的流动。由于一维流动中模具型腔仅限子园盘类和矩形板类形状，当圆盘形单元和矩形板单元的一维流动数学模型和数值计算方法确立后，即可根据熔体在型腔内的流动路径，将一维流动单元进行组合，用来分析在任意形状的二维型腔内的熔体的填充流动过程。分析时，必须首先根据经验划分出熔体在型腔内的流动路径：然后在根据所划分的流动路径，将型腔分解成若干串联的一维流动基本单元。常用的一维流动基本单元有四种。6
6 4.脱模系统不合理； 5.成型条件设置不当。 5.3 注塑模具 CAE 分析流程 注射模具 CAE 技术对塑料成型具有重要意义；运用塑料流动模拟能帮助设计 人员优化成型工艺与模具结构，指导设计人员从成型工艺的角度改进产品形状结 构、选择适合的塑料材料和成型设备，评判不同材料采用同一工艺与模具成型的 可行性，分析可能出现的问题；达到降低生产成本、缩短模具开发周期的目的。 对于一般简单的塑料制品的成型，只进行流动模拟分析即可；但对于复杂精密塑 件的成型，不仅要对流动过程进行模拟分析，还需要对充模、保压过程中塑件与 模具的冷却进行分析；甚至需要分析开模后塑件的残余变形与应力等。在本章节 中，仅对塑料成型流动模拟的基本原理和注射过程模拟软件作简要介绍。 一、塑料流动过程模拟的基本原理 塑料成型过程中，由于塑料熔体的粘度高、雷诺数低，故熔体流动可简化为 不可压缩的层流，符合牛顿流动定律。 熔体在型腔内流动的数值模拟分析分为一维、二维和三维分析。一维分析是 二维分析的基础；二维分析是将任意形状的三维塑件模型展平成二维模型后，并 分解成许多一维流动的基本单元进行一维分析；三维分析是在三维模型及其有限 元网格的基础上进行的。二维分析主要用于确定塑料熔体和成型工艺参数的可行 范围等以及成型过程技术上的可行性；三维分析则用于完整的成型过程数值模拟 与仿真分析。 1. 一维与二维流动分析 所谓一维流动，是指塑料熔体在流动过程中任意质点的运动可用单方向的流 速来表征。一维流动有三种基本形式，分别为圆管流动、矩形板流动和径向流动。 圆管流动主要用于模拟熔体在流道内的流动，而矩形板流动和径向流动则可用来 模拟熔体在模具型腔内的流动。由于一维流动中模具型腔仅限于园盘类和矩形板 类形状， 当圆盘形单元和矩形板单元的一维流动数学模型和数值计算方法确立 后，即可根据熔体在型腔内的流动路径，将一维流动单元进行组合，用来分析在 任意形状的二维型腔内的熔体的填充流动过程。分析时，必须首先根据经验划分 出熔体在型腔内的流动路径；然后在根据所划分的流动路径，将型腔分解成若干 串联的一维流动基本单元。常用的一维流动基本单元有四种
由于二维流动单元是由一维单元串联组合而成，故二维分析在实质上与一维分析相同，只是需要处理不同流动路径的熔体流量和填充时间，而且还需要一定的经验。但当确定好流动路径和流动单元后，通过分析即可获得任一时刻熔体流动前沿位置及其温度、速度、压力的分布以及熔接缝位置等。2.三维流动分析三维流动分析是对熔体在三维结构上的流动进行模拟分析，一般可以在二维流动分析的基础上进行。分析时必须首先将塑件的三维结构展平，并划分流动路径和单元：这在实际分析中造成诸多的不便，且需要设计人员的经验。而采用有限元法分析熔体在型腔内的流动过程，则不必预先确定流动路径与单元，且基少依赖设计人员的经验：因此，随着有限元法的发展，有限元模拟已成为分析熔体流动过程有效手段。目前，实际模拟分析中将三维流动问题分解为平面流动的二维问题和壁厚方向的一维问题，采用有限元和有限差分耦合的求解方法，压力场等二维问题采用有限元法求解，而通过对时间和厚度方向差分求解温度场：在求解过程中，有限元法与有限差分法交替进行。二、塑料成型模拟软件简介由于塑料成型数值模拟越来越重要的作用，以及实际的需要：国内外相继升发了相应的商品化软件，主要有：澳大利亚MOLDFLOW公司的MOLDFLOW系列软件：美国AC-Tech公司的C-MOLD系列软件（已被MOLDFLOW公司并购）：美国SDRC公司的Polyfi11和Polycool-II，德国IKV研究所的CADMOULD系列；法国CISIGRAPH的STRIM10O：我国华中科技大学的华塑CAE3DRF5.0等。这些软件功能不一，有的与塑料模具CAD/CAM集成，有的分析功能十分强大，包括从流动分析、冷却保压分析到工艺参数优化和一些特种注射成型（如气体辅助注射）的分析等多种功能。以下主要介绍华塑CAE3DRF5.O和MOLDFLOW系列软件1.华塑CAE3DRF5.0软件华塑CAE3DRF5.0软件是由华中科技大学塑性成型模拟及模具技术国家重点实验室李德群教授主持开发。该软件系统，无论在数学模型、算法、数据结构还是商品化程度和主要功能上均可与国际同类软件相娓美：但具有非常高的性价比，价格比国外同类软件低很多。该系统是HSCAE软件的最新版本，采用了新的三维图形核心和分析数据模拟显示技术，应用了先进的三维真实感流动分析技术；同时，该CAE软件与华塑CAD模具结构设计与计算校核软件进行集成，实现了塑料成型工艺与模具的CAD/CAE/CAM一体化。目前，该软件已有流动分析和冷却分析两大模块。该系统硬件环境要求较低，并支持Windows98/NT中文简、繁体和英文操作系统。该软件系统的主要技术特点和功能有：7
7 由于二维流动单元是由一维单元串联组合而成，故二维分析在实质上与一维 分析相同，只是需要处理不同流动路径的熔体流量和填充时间，而且还需要一定 的经验。但当确定好流动路径和流动单元后，通过分析即可获得任一时刻熔体流 动前沿位置及其温度、速度、压力的分布以及熔接缝位置等。 2. 三维流动分析 三维流动分析是对熔体在三维结构上的流动进行模拟分析，一般可以在二 维流动分析的基础上进行。分析时必须首先将塑件的三维结构展平，并划分流动 路径和单元；这在实际分析中造成诸多的不便，且需要设计人员的经验。而采用 有限元法分析熔体在型腔内的流动过程，则不必预先确定流动路径与单元，且甚 少依赖设计人员的经验；因此，随着有限元法的发展，有限元模拟已成为分析熔 体流动过程有效手段。目前，实际模拟分析中将三维流动问题分解为平面流动的 二维问题和壁厚方向的一维问题，采用有限元和有限差分耦合的求解方法，压力 场等二维问题采用有限元法求解，而通过对时间和厚度方向差分求解温度场；在 求解过程中，有限元法与有限差分法交替进行。 二、塑料成型模拟软件简介 由于塑料成型数值模拟越来越重要的作用，以及实际的需要；国内外相继开 发了相应的商品化软件，主要有：澳大利亚 MOLDFLOW 公司的 MOLDFLOW 系列软件； 美国 AC-Tech 公司的 C-MOLD 系列软件（已被 MOLDFLOW 公司并购）；美国 SDRC 公司的 Polyfill 和 Polycool-II，德国 IKV 研究所的 CADMOULD 系列；法国 CISIGRAPH 的 STRIM 100；我国华中科技大学的华塑 CAE 3DRF 5.0 等。这些软件 功能不一，有的与塑料模具 CAD/CAM 集成，有的分析功能十分强大，包括从流动 分析、冷却保压分析到工艺参数优化和一些特种注射成型（如气体辅助注射）的 分析等多种功能。以下主要介绍华塑 CAE 3DRF 5.0 和 MOLDFLOW 系列软件 1. 华塑 CAE 3DRF 5.0 软件 华塑 CAE 3DRF 5.0 软件是由华中科技大学塑性成型模拟及模具技术国家重 点实验室李德群教授主持开发。该软件系统，无论在数学模型、算法、数据结构 还是商品化程度和主要功能上均可与国际同类软件相媲美；但具有非常高的性价 比，价格比国外同类软件低很多。该系统是 HSCAE 软件的最新版本，采用了新的 三维图形核心和分析数据模拟显示技术，应用了先进的三维真实感流动分析技 术；同时，该 CAE 软件与华塑 CAD 模具结构设计与计算校核软件进行集成，实现 了塑料成型工艺与模具的 CAD/CAE/CAM 一体化。目前，该软件已有流动分析和冷 却分析两大模块。该系统硬件环境要求较低，并支持 Windows98/NT 中文简、繁 体和英文操作系统。 该软件系统的主要技术特点和功能有：
几何模型的输入--自带几何造型系统，并支持通用三维CAD系统的STL文件输入;先进的图形和结果显示功能一一实现模型及分析结果三维显示，快速旋转、平移、缩放：流动分析结果可随意按时间步显示和回溯操作方便一系统具有良好的中文界面，支持相关的中国国标，优良的设计操作性能，采用可折叠的目录树管理操作进程和分析数据，让用户能有效的控制整个分析过程的实现；先进的流动分析技术一一采用三维真实感注射成型流动分析：强大的分析功能一-准确地分析流动前沿、温度场、压力场、剪切力与剪切速率场：自动预测熔接缝和气穴的位置等：开放的数据库一二支持国内外塑料数据库，并可以测试并添加新获得的塑料流变数据。2.MOLDFLOW系列软件MOLDFLOW系列软件是由专门从事注射成型CAE软件开发和市场经营的跨国公司MOLDFLOW公司开发的。该系列软件根据功能差别分为MPA（MoldflowPlasticsAdvisers）和MPI（MoldflowPlasticsInsight），其中MPI功能非常强大，包括流动分析、冷却分析、翘曲分析、收缩分析、结构应力分析、气体辅助注射成型分析、注射工艺参数优化等。以下是MPI的主要技术特性和功能。MPI/FLOwBaseModules--基本模块模型及儿何建模一一能够对各种复杂的产品曲面进行造型，并能对模具冷流道热流道及冷却管道方便的进行造型，并能自动进行有限单元网格划分；结果显示一能够对计算机计算结果按等值线、光照或按照有限单元、单元节点等多种方式显示，并能方便的放大、缩小、旋转、平移显示结果：标准图形接口--能够将CAD/CAM/CAE软件的IGES格式造型文件方便地输入到Moldf1ow造型模块，节省造型时间，方便产品分析；有限单元文件接口--能够将ANSYS、Patran、I-DEAS、C-MOLD软件产生的产品造型网格文件通过此接口直接传入到Moldf1ow软件中，方便的用于分析，无须再对产品进行造型：材料、工艺参数数据库--Moldf1ow材料、工艺参数数据库中包括近5000种树脂材料和各种常用的模具材料、冷却液、注塑机，方便的为您在模拟分析时提供选择；另外，此模块还可根据产品尺寸和所选材料为您提供初步的工艺参数，包括熔料温度、填充时间、锁模力、注塑压力等：80
8 几何模型的输入 -自带几何造型系统，并支持通用三维 CAD 系统的 STL 文件输 入； 先进的图形和结果显示功能 - 实现模型及分析结果三维显示，快速旋转、平移、 缩放；流动分析结果可随意按时间步显示和回溯； 操作方便 - 系统具有良好的中文界面，支持相关的中国国标，优良的设计操作 性能，采用可折叠的目录树管理操作进程和分析数据，让用户能有效的控制整个 分析过程的实现； 先进的流动分析技术 - 采用三维真实感注射成型流动分析； 强大的分析功能 - 准确地分析流动前沿、温度场、压力场、剪切力与剪切速率 场；自动预测熔接缝和气穴的位置等； 开放的数据库 - 支持国内外塑料数据库，并可以测试并添加新获得的塑料流变 数据。 2. MOLDFLOW 系列软件 MOLDFLOW 系列软件是由专门从事注射成型 CAE 软件开发和市场经营的跨国公司 MOLDFLOW 公司开发的。该系列软件根据功能差别分为 MPA（Moldflow Plastics Advisers）和 MPI（Moldflow Plastics Insight），其中 MPI 功能非常强大， 包括流动分析、冷却分析、翘曲分析、收缩分析、结构应力分析、气体辅助注射 成型分析、注射工艺参数优化等。以下是 MPI 的主要技术特性和功能。 MPI/FLOW Base Modules-基本模块 模型及几何建模 - 能够对各种复杂的产品曲面进行造型，并能对模具冷流道、 热流道及冷却管道方便的进行造型，并能自动进行有限单元网格划分； 结果显示 - 能够对计算机计算结果按等值线、光照或按照有限单元、单元节点 等多种方式显示，并能方便的放大、缩小、旋转、平移显示结果； 标准图形接口 - 能够将 CAD/CAM/CAE 软件的 IGES 格式造型文件方便地输入到 Moldflow 造型模块，节省造型时间，方便产品分析； 有限单元文件接口 - 能够将 ANSYS、Patran、I-DEAS、C-MOLD 软件产生的产品 造型网格文件通过此接口直接传入到 Moldflow 软件中，方便的用于分析，无须 再对产品进行造型； 材料、工艺参数数据库 - Moldflow 材料、工艺参数数据库中包括近 5000 种树 脂材料和各种常用的模具材料、冷却液、注塑机，方便的为您在模拟分析时提供 选择；另外，此模块还可根据产品尺寸和所选材料为您提供初步的工艺参数，包 括熔料温度、填充时间、锁模力、注塑压力等；
实体模型网格自动生成--此模块可以将CAD软件（如：UG、Pro/E、SolidWorks）中的三维几何产品造型通过STL格式直接划分成Moldflow网格文件，进行Moldf1ow分析；该模块使用户能更好的将已有的CAD软件与Moldflow软件配合使用，减少产品重复造型，方便快捷，是横跨其他CAD软件和Moldflow软件之间的一座天桥：流动分析一-在产品造型、材料、工艺确定后，通过Mo1df1ow流动分析模块的模拟，您可以得到在注塑过程中，熔融树脂填充模具型腔时的各种结果及参数，如：型腔温度、压力、熔料推进过程、锁模力大小、熔接痕出现位置、气穴出现位置等；并能根据产品的几何形状优化注塑时注塑机的螺杆曲线。其他模块MPI/FUSION双层面网格前处理器--将IGES面模型、STL格式文件、STEP格式文件、Parasolid格式文件等直接划分有限元网格，即通过此模块可以直接将CAD模型转为Moldf1ow分析模型，无须再建模：MPI/COOL冷却分析--通过Mo1df1ow冷却分析模块，可以优化模具设计方案的冷却系统，包括：冷却管道的数目、位置、尺寸，冷却过程中的各项工艺参数等；优化后的方案可以减少动、定模温差，缩短生产周期，提高生产效率：MPI/SHRINK收缩分析-了解制品各个部分及各个方向的收缩情况及其原因，并可预测缩痕、收缩翘曲情况等；MPI/WARP翘曲变形分析--能够精确的计算因冷却及收缩不均匀而产生的产品收缩和变形，并分析其原因；帮助模具设计师收放模具型腔尺寸，优化设计模具结构使得制出的产品收缩变形减少，保证装配尺寸：MPI/FIBER纤维取向分析--纤维取向分析模块可以对添加了纤维材料的塑料填充全过程进行模拟，确定纤维在制品中的取向，保证制品性能。MPI/STRESS残余应力分析--能够计算模具型腔在填充、保压、冷却等各个时期内，由于因冷却不均匀、收缩不均勾、模壁摩擦等原因引起的产品各部分出现内因力；通过此模块的优化，可以保证制出的产品有较好的机械性能、强度、韧性；MPI/OPTIM优化设计专家-一能优化流道尺寸、浇口位置，使型腔填充均匀，避免由填充不均匀所导致的残余应力、翘曲变形：提供优化的填充、保压阶段的螺杆行程一速度曲线及其他工艺参数，确保熔料在型腔中均匀前进。使便用者无需丰富的经验，也可设计出合理的浇注系统，设定合理的工艺条件：MPI/GAS气体辅助成型分析--气体辅助成型分析模块可以对采用气体辅助成型的工艺进行塑料流动，气体穿透情况分析，并提供相应的注塑工艺及气体穿透参O
9 实体模型网格自动生成 - 此模块可以将 CAD 软件(如:UG、Pro/E、SolidWorks) 中的三维几何产品造型通过 STL 格式直接划分成 Moldflow 网格文件，进行 Moldflow 分析；该模块使用户能更好的将已有的 CAD 软件与 Moldflow 软件配合 使用，减少产品重复造型，方便快捷，是横跨其他 CAD 软件和 Moldflow 软件之 间的一座天桥； 流动分析 - 在产品造型、材料、工艺确定后，通过 Moldflow 流动分析模块的 模拟，您可以得到在注塑过程中，熔融树脂填充模具型腔时的各种结果及参数， 如：型腔温度、压力、熔料推进过程、锁模力大小、熔接痕出现位置、气穴出现 位置等；并能根据产品的几何形状优化注塑时注塑机的螺杆曲线。 其他模块 MPI/FUSION 双层面网格前处理器 - 将 IGES 面模型、STL 格式文件、STEP 格式 文件、Parasolid 格式文件等直接划分有限元网格，即通过此模块可以直接将 CAD 模型转为 Moldflow 分析模型，无须再建模； MPI/COOL 冷却分析 - 通过 Moldflow 冷却分析模块，可以优化模具设计方案的 冷却系统，包括：冷却管道的数目、位置、尺寸，冷却过程中的各项工艺参数等； 优化后的方案可以减少动、定模温差，缩短生产周期，提高生产效率； MPI/ SHRINK 收缩分析 - 了解制品各个部分及各个方向的收缩情况及其原因， 并可预测缩痕、收缩翘曲情况等； MPI/ WARP 翘曲变形分析 - 能够精确的计算因冷却及收缩不均匀而产生的产 品收缩和变形，并分析其原因；帮助模具设计师收放模具型腔尺寸，优化设计模 具结构使得制出的产品收缩变形减少，保证装配尺寸； MPI/FIBER 纤维取向分析 - 纤维取向分析模块可以对添加了纤维材料的塑料 填充全过程进行模拟，确定纤维在制品中的取向，保证制品性能。 MPI/STRESS 残余应力分析 - 能够计算模具型腔在填充、保压、冷却等各个时 期内，由于因冷却不均匀、收缩不均匀、模壁摩擦等原因引起的产品各部分出现 内因力；通过此模块的优化，可以保证制出的产品有较好的机械性能、强度、韧 性； MPI/OPTIM 优化设计专家 - 能优化流道尺寸、浇口位置，使型腔填充均匀，避 免由填充不均匀所导致的残余应力、翘曲变形；提供优化的填充、保压阶段的螺 杆行程-速度曲线及其他工艺参数，确保熔料在型腔中均匀前进。使用者无需丰 富的经验，也可设计出合理的浇注系统，设定合理的工艺条件； MPI/GAS 气体辅助成型分析 -气体辅助成型分析模块可以对采用气体辅助成型 的工艺进行塑料流动，气体穿透情况分析，并提供相应的注塑工艺及气体穿透参
数，如注射时间、开始充气时间、保压时间、气体保压压力曲线、螺杆变速曲线等等；MPI/TSETS热固性塑料成型分析--模拟热固性塑料在型腔中从物料熔融塑化到反应成型固化的过程，并预测树脂填充型腔时的各种参数，如：型腔温度、压力、熔料推进过程、锁模力大小、熔接痕出现位置、气穴出现位置等：MPI/FLOW3D真三维流动分析--该模块是建立在四面体立体网格上的真三维流动、保压分析。主要用于厚壁制品的分析，预测成型过程中的各种参数，包括熔料推进过程、温度、压力、剪切应力等，通过以上结果可以分析制品成型后可能产生的缺陷，包括熔接痕、气穴、缩痕等。三、注塑模具CAE分析流程新建一个工程项目Project（工程项目）是Moldflow中的最高管理单位，项目中包含的所有信息都将被存放在一个路径下。一个项目可以包含多个案例和报告。导入或新建CAD模型向当前的项目中导入CAD模型可以点击File包括的Import（导入）菜单项也可以在项目管理区中右键点出快捷菜单选择Import菜单项。Moldflow中可以导入的CAD模型文件格式有：STL文件、由ANSYS或者Pro/E生成的*.ans文件、由Pro/E或者SDRC-IdeaS生成的*.unv文件、STEP文件、IGES文件、由CATIA或者Unigraphic生成的*.ans和*.bdf文件、Parasolid文件。划分网格在导入或新建了模型之后，要对未划分网格的模型进行网格划分。10
10 数，如注射时间、开始充气时间、保压时间、气体保压压力曲线、螺杆变速曲线 等等； MPI/TSETS 热固性塑料成型分析 - 模拟热固性塑料在型腔中从物料熔融塑化 到反应成型固化的过程，并预测树脂填充型腔时的各种参数，如：型腔温度、压 力、熔料推进过程、锁模力大小、熔接痕出现位置、气穴出现位置等； MPI/FLOW3D 真三维流动分析 - 该模块是建立在四面体立体网格上的真三维流 动、保压分析。主要用于厚壁制品的分析，预测成型过程中的各种参数，包括熔 料推进过程、温度、压力、剪切应力等，通过以上结果可以分析制品成型后可能 产生的缺陷，包括熔接痕、气穴、缩痕等。 三、注塑模具 CAE 分析流程 新建一个工程项目 Project（工程项目）是 Moldflow 中的最高管理单位，项目中包含的所有信 息都将被存放在一个路径下。一个项目可以包含多个案例和报告。 导入或新建 CAD 模型 向当前的项目中导入 CAD 模型可以点击 File 包括的 Import（导入）菜单项， 也可以在项目管理区中右键点出快捷菜单选择 Import 菜单项。Moldflow 中可以 导入的 CAD 模型文件格式有：STL 文件、由 ANSYS 或者 Pro/E 生成的*.ans 文件、 由 Pro/E 或者 SDRC-Ideas 生成的*.unv 文件、STEP 文件、IGES 文件、由 CATIA 或者 Unigraphic 生成的*.ans 和*.bdf 文件、Parasolid 文件。 划分网格 在导入或新建了模型之后，要对未划分网格的模型进行网格划分