【正文】 擴(kuò)大到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，并有逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬和非金屬材料的制品的趨勢(shì)。由于具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐磨損、消音減振、電性能好、便于加工等特點(diǎn),塑料注射成型技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中將會(huì)得到了越來越廣泛的應(yīng)用,其相關(guān)的成型工藝參數(shù)及模具技術(shù)將成為CAD/CAE技術(shù)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，MoldFlow軟件作為模流分析行業(yè)的最優(yōu)秀的軟件，必將得到廣泛的應(yīng)用。 注塑成型技術(shù)的現(xiàn)狀不同的工藝方案對(duì)注塑產(chǎn)品質(zhì)量有明顯影響。影響注塑產(chǎn)品質(zhì)量的工藝參數(shù)很多,如果僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者參考手冊(cè),難以做到綜合考慮并合理搭配,難以設(shè)計(jì)出最佳注射工藝方案。目前我國(guó)廣泛采用經(jīng)驗(yàn)加試模定工藝的方法，缺乏量化指標(biāo)指導(dǎo),經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)廢品率高和質(zhì)量不穩(wěn)定等缺陷，不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)制品高質(zhì)量和高效率的要求。而美國(guó)，日本，德國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家大部分企業(yè)使用計(jì)算機(jī)輔助軟件進(jìn)行工藝分析，結(jié)果建立在科學(xué)的理論體系下，得到的產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高。日本使用普及率達(dá)75%以上，美國(guó)和德國(guó)在60%以上，而我國(guó)則不足10%。 MoldFlow軟件介紹Moldflow公司是專業(yè)從事注塑成型CAE軟件和咨詢公司，自1976年發(fā)行了世界上第一套流動(dòng)分析軟件以來，一直主導(dǎo)塑料成型CAE軟件市場(chǎng)。近幾年在汽車、家電、電子通訊、化工和日用品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Moldflow擁有大量專業(yè)的模擬分析工具，能夠?qū)^大多數(shù)熱塑性塑料和熱固性塑料的注塑成型過程進(jìn)行模擬，不僅可以模擬塑料制品成型過程中的充填、保壓及冷卻階段，還能預(yù)測(cè)出制品成型后的缺陷，甚至能夠分析纖維增強(qiáng)材料的流動(dòng)過程，預(yù)測(cè)纖維的流動(dòng)取向，對(duì)改善成型工藝，提高制品質(zhì)量提供了科學(xué)的依據(jù)。Moldflow中的模擬分析工具主要有MPI/Flow模塊、MPI/Cool模塊、MPI/Warp模塊、MPI/Stress模塊、MPI/Shrink模塊、MPI/Optim模塊、MPI/Gas模塊、MPI/Fiber模塊和MPI/Reactive Molding模塊。本文中使用Moldflow軟件對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行模具相關(guān)方面的設(shè)計(jì)和成型工藝方面的優(yōu)化分析。 本論文研究目的及意義在本例中，使用模流分析軟件MoldFlow對(duì)一實(shí)例產(chǎn)品進(jìn)行模擬分析，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完一系列的前期設(shè)計(jì)后，設(shè)置注射工藝參數(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行流動(dòng)、冷卻、翹曲分析，得出結(jié)果，然后分析得到的結(jié)果，如果結(jié)果滿意，則可以嘗試著調(diào)整工藝參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，如果結(jié)果不合理，則必須重新調(diào)整注塑工藝參數(shù)，直至結(jié)果合理。通過該分析后進(jìn)一步了解MoldFlow的分析流程，從而熟練地應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中，比較精確的模擬注塑實(shí)驗(yàn)過程，在多次的模擬試驗(yàn)后快速高效的得到最優(yōu)的成型工藝參數(shù)來指導(dǎo)生產(chǎn)。這篇論文的最主要目的就是解決實(shí)際生產(chǎn)問題。Moldflow先如今還沒有廣泛應(yīng)用于注塑成型工業(yè)，如果MoldFlow廣泛的應(yīng)用于注塑成型工業(yè)，那么它必將取代傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗(yàn)或者手冊(cè)確定成型工藝參數(shù)的方法。它可以科學(xué)合理的確定注塑成型工藝參數(shù)，減少實(shí)際生產(chǎn)中通過反復(fù)試驗(yàn)來確定合理的注塑參數(shù)的次數(shù)，降低產(chǎn)品的成型周期，節(jié)約成本，使我國(guó)的注塑成型工業(yè)有飛速的發(fā)展。第二章 注塑成型的理論基礎(chǔ) MoldFlow采用的粘度模型普通注塑成型的熔體充模流動(dòng)行為，已有很多商品化的CAE軟件可以對(duì)其進(jìn)行有效地分析與模擬，MoldFlow軟件就是其中之一。注射成型過程中，非牛頓塑料熔體在模腔中做非等溫瞬態(tài)流動(dòng)，熔體一方面因與低溫模具接觸而快速冷卻，另一方面因高速剪切作用又產(chǎn)生熱量，整個(gè)成型過程熔體同時(shí)承受著來自注射機(jī)的高壓壓力和模具的高速剪切，并伴隨著熔體固化、體積收縮、分子取向和可能的結(jié)晶過程，成型過程相當(dāng)復(fù)雜。因此注射成型越來越依賴于CAE分析技術(shù)，而開發(fā)分析軟件的一個(gè)先決條件是明確熔體剪切粘度與溫度、壓力、剪切速率等諸因素的關(guān)系，建立材料的粘度模型。一般常用的模擬模型有冪率模型、5參數(shù)的Cross_WLF模型和7參數(shù)的Cross_WLF模型。5參數(shù)的Cross_WLF模型和7參數(shù)的Cross_WLF模型避免了冪率模型的缺陷，不僅可以描述高剪切速率時(shí)熔體的冪流變行為，而且可以描述在接近零剪切速率時(shí)的牛頓流變行為。同時(shí)這兩種模型都是壓力敏感模型,都考慮了壓力對(duì)粘度的影響。現(xiàn)代注射成型技術(shù)尤其是薄殼成型技術(shù)的出現(xiàn),已使注射壓力高達(dá)300MPa，如此高的壓力對(duì)粘度有著極其重要的影響，高壓作用下粘度明顯增加,粘度模型中如不考慮壓力對(duì)粘度的影響，模擬結(jié)果的誤差將隨著壓力的提高而不斷增大，因此Cross模型為多數(shù)流動(dòng)模擬軟件所采用。7參數(shù)的Cross_WLF模型適應(yīng)的溫度范圍更廣，能更準(zhǔn)確地描述伴有冷卻效應(yīng)的熔體流動(dòng)，特別是當(dāng)溫度接近玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，能更好地?cái)M合粘度的迅速增加。MoldFlow軟件采用的即是7參數(shù)的Cross_WLF模型。該模型的表達(dá)式為： η（T，γP）=η0(T，P) ／{1+[(η0γ/τ*)1n]}] (21) η0(T，P)=D1exp[A1(TT) / {A2+(T T )}] (22)A2=A 2+D3P (23)T =D2+D3P (24)這是一個(gè)由7個(gè)參數(shù)(n、τ*、DDDAA2)構(gòu)成的粘度模型。T 是一個(gè)參考溫度，通常被認(rèn)為是材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，DAA2為模型常數(shù)，D2則對(duì)應(yīng)著低壓下的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，D3是壓力影響系數(shù)，表示粘度的壓力依賴性，其準(zhǔn)確數(shù)值要通過特定的粘度測(cè)試方法和數(shù)據(jù)分析程序才能獲得。雖然Cross模型已經(jīng)被一些著名的CAE分析軟件所使用，但是無論那一種粘度模型，都不能完全準(zhǔn)確地描述熔體的流變行為。而且近年來出現(xiàn)的新型注射成型技術(shù)如薄殼成型技術(shù)，其成型過程的模擬對(duì)粘度模型精度的要求更高。如薄殼成型技術(shù)模擬過程中要考慮壓力對(duì)粘度的影響，甚至要求模型能夠預(yù)測(cè)成型過程中的材料降解(材料降解影響粘度)，考慮表面張力和模具表面粗糙度對(duì)成型過程的影響。因此雖然薄殼成型過程模擬采用精度較高的Cross_WLF模型，但模擬結(jié)果和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果還存在一定的誤差。目前，美國(guó)GE公司正在研究一個(gè)薄殼成型所特有的粘度模型，以進(jìn)一步提高模擬精度。 充模過程的假設(shè)與簡(jiǎn)化 鑒于大多數(shù)塑件都是薄壁件，故可認(rèn)為熔體是在扁平型腔內(nèi)流動(dòng)，厚度方向的尺寸其它方向小，故可引入以下假設(shè):(l)由于型腔厚度(z方向)遠(yuǎn)小于其它兩個(gè)方向(x，y方向)的尺寸，且熔體的粘度較大，因此，可忽略z方向的速度分量(w=0)，并且認(rèn)為壓力P是x，y的函數(shù)，沿z向不變，即δP/δZ=0。(2)在熔體流動(dòng)方向(x，y方向)上，相對(duì)于熱對(duì)流項(xiàng)而言，熱傳導(dǎo)項(xiàng)很小，可忽略不計(jì)。(3)在充模流動(dòng)過程中，可認(rèn)為熔體是不可壓縮的，=0。(4)忽略正應(yīng)力，僅考慮剪切應(yīng)力。(5)慣性力和質(zhì)量力相對(duì)于粘性剪切力而言都很小，可忽略不計(jì)。(6)在充模過程中，熔體溫度變化范圍不大，可以認(rèn)為熔體的比熱容及導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)。(7)忽略模腔內(nèi)壁的邊界層效應(yīng)。(8)忽略熔體前沿附近噴泉式流動(dòng)的影響。 充填流動(dòng)方程注射成型CAE是根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、塑料加工流變學(xué)和傳熱學(xué)基本理論,建立塑料熔體在模具型腔中流動(dòng)、傳熱的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于厚度方向尺寸遠(yuǎn)小于其他方向尺寸的薄壁塑件,可以使用基于非穩(wěn)態(tài)、非等溫條件下的Hele2Shaw流動(dòng)模型，建立描述該過程的連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程和能量方程。由這些方程加上描述材料特性的本構(gòu)關(guān)系和適當(dāng)邊界條件可以準(zhǔn)確描述注射成型充填過程。運(yùn)用有限元/有限差分混合數(shù)值方法得到塑件在不同時(shí)間段壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等的變化情況,從而模擬出實(shí)際生產(chǎn)情況。三維薄壁型腔充填分析的控制方程如下。連續(xù)性方程： (25)X方向上的動(dòng)量方程： (26)y 方向上的動(dòng)量方程: (27)能量守恒方程： (28) (29)式中, b 為型腔半厚，u、v 分別是 x 、y 方向的平均速度；ρ、Cp、k、t 分別為密度、比熱容、熱導(dǎo)率、時(shí)間,P、T 分別為熔體的壓力和溫度；η、V分別表示黏度和剪切速率。 冷卻過程控制方程從實(shí)質(zhì)上說，冷卻階段是恒定模腔體積、恒定制品重量下的冷卻收縮與壓力自然釋放過程。對(duì)冷卻階段型腔壓力和溫度變化的研究是獲得最佳成型加工參數(shù)和優(yōu)質(zhì)制品的重要途徑，同時(shí)也為模具的設(shè)計(jì)提供重要的技術(shù)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。由于模腔內(nèi)物料的溫度、壓力、比容的變化服從狀態(tài)方程(即P一V一T關(guān)系)，在模壁的冷卻作用下，沿模腔厚度方向(y方向)上存在著固化層和非固化層，同時(shí)考慮了壓力對(duì)物料玻璃化溫度的影響?；谶@兩方面的原因，采用了Tait狀態(tài)方程，并作如下假定:(1)冷卻過程為沿厚度方向的一維非穩(wěn)態(tài)傳熱，且導(dǎo)溫系數(shù)為常數(shù)。(2)模壁溫度保持不變。(3)模腔不發(fā)生變形，其體積恒定不變，且物料緊貼模壁。(4)沿厚度方向上同一高度的料層的壓力、溫度相等。(5)模腔內(nèi)制品不出現(xiàn)縮孔、氣孔等缺陷。因此，冷卻階段模腔內(nèi)物料的壓力和溫度變化歷程可由如下方程進(jìn)行描述，模腔內(nèi)物料沿厚度方向的溫度變化控制方程為:δT/δt=α(δ2u/δy2) (210)初始條件：t=0，T=T0邊界條件: y=士b，T=Tw；y=0，δT/δy =0式中，α為聚合物材料的導(dǎo)熱系數(shù)(m/s2)。模腔內(nèi)物料的壓力一比容一溫度(P一V一T)關(guān)系的Tait狀態(tài)方程為:V（T,P）=V0(T)[1C㏑(1+P/A(T))] (211)V0(T)=Vγ+α1(TTγ) (212)A(T)= α2exp(α3,T) (213)式中，C為常數(shù)，Vγ為物料的玻璃化溫度。模腔內(nèi)制品質(zhì)量的控制方程為: M=Vb/∫abρ(y，t)dy (214)式中，V為模腔體積(m3)；ρ(y，t)為t時(shí)刻模腔內(nèi)高度為y的料層的密度(m3/t)。M為制品質(zhì)量(Kg)。沿模腔厚度方向的截面平均溫度Tav為:Tav=∫0bρ(y，t)dy/∫0b dy (215) 保壓過程控制方程保壓模擬的實(shí)質(zhì)是求解可壓縮、非牛頓流體的非等溫流動(dòng)問題,其分析原理與流動(dòng)模擬類似于充填流動(dòng)模擬中的推導(dǎo),考慮熔體的密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)的變化,可導(dǎo)出保壓過程的控制方程為: (216) (217)