注塑機模板的有限元分析及其優化

廖順松

（株洲九方裝備股份有限公司，湖南 株洲 412001）

模板是注塑機的關鍵部件，具有固定模具，作為運動導向定位基準的作用，也是整機中消耗鋼材最多的部件。模板的性能很大程度上影響注塑制品的質量。現有注塑機模板的設計通常憑借經驗進行類比設計導致現有模板過于笨重、巨大，且存在變形過大、失效甚至斷裂的問題。實現注塑機模板的優化設計，減小變形，優化應力分布，并最大限度的節省材料，具有重要意義。

1 注塑機模板有限元分析

這里通過對某塑料機械有限公司30噸合模力的注塑機的模板進行研究，來獲得注塑機模板拓撲優化的實用性結果。在進入ANSYS的求解器開始分析前，可選擇ANSYS本身自帶的建模功能或者其他3D建模軟件得到注塑機模板的實體模型。

1.2 前模板有限元分析

前模板的主要作用是固定模具及定位導向，板四角孔處由導向拉桿相連，背部固定模具，承受合模時模具壓力，底部固定于床身。板基本結構為長方體，左右對稱。為節省計算資源，按中軸線取一半模型，并簡化一些螺孔、小凹槽及圓角后，在軟件中建立前模板的三維幾何模型，轉化成IGES格式導入ANSYS中。

通過建模、劃分網格、施加邊界調節和載荷后，進入求解器求解后，再通用后處理器查看結果。在后處理器中查得單元平均應力云圖如圖1。該云圖反應了前模板應力分布比較均勻。在實際工況中，拉桿螺母對模板的的約束并非完全限制，是系統剛度與載荷之間的平衡。前模板的大部分區域應力都在70MPa以下，基本符合強度要求。模板大平面上最大應力出現在模具安裝區四角上，該處承受的主要是壓應力，同樣強度下對模板的破壞作用有限。因此，必須使模板上的應力分布趨于合理。

圖1 單元平均應力云圖

1.3 動模板有限元分析

同理，得到動模板單元平均等效應力分布云圖2，從應力云圖中可以清晰得到其應力分布。大多數單元應力都在70 MPa以下，在部分應力集中區應力可達200 MPa以上，最大應力出現在鉸孔安裝平面，在QT500-7的許用強度之內。應力的分布不盡合理尤其是在安裝模具的中心區域邊緣過大。將動模板作為受彎構件，該處所在的截面為危險截面，模擬結果也符合這點。

圖2 動模板單元平均等效應力分布云圖

1.4 后模板有限元分析

后模板結構分析前必須對模型作如下假設簡化處理，去除后模板上各種對最終應力分布改變不大的細微結構移除合模周期過程中的溫度場變化：后模板同樣取二分之一進行研究。同上處理過程，得到后模板單元平均等效應力分布云圖3。該云圖顯示后模板大部分區域承受應力均30MPa在以下，應力最大的區域在拉桿孔附近固定螺母的約束平面，極值達168MPa。從后處理器中查看變形云圖可得后模板最大變形并不在于中心區域，而是在安裝鉸孔處背面。后模板的力學模型剛度較大，在底層和邊緣的材料應力均很小，顯然滿足強度要求，可大幅縮減。在對后模板進行拓撲優化分析時，這些區域是優化的重點。

圖3 后模板單元平均等效應力分布云圖

2 結構拓撲優化與模板改進設計

拓撲優化是在原結構基礎上進行，在拓撲優化前，必須要考慮到模板在注塑機中的臨界安裝尺寸。

2.1 拓撲優化的建模技術

注塑機模板屬于厚板連續體結構，基于有限元分析獲得的拓撲優化結果，結構邊界呈現不規則性，若要提取對優化方案有參考價值的信息，其優化結果需要進行適當的后處理：①提取結構，將以密度分布介于表示連續體的拓撲優化結果，轉化為易于理解的表達方式。②鋸齒形狀的優化結果的光順，將帶有有限元網格幾何特征的鋸齒形狀的折線光順為直線邊緣。③簡化冗余網格信息。

2.2 模板拓撲優化

為方便單元的映射網格劃分，省略所有孔洞；厚度應大于原模板，以便于得到更大的優化空間，同時各處的厚度均勻。模板底部要來自機架的約束，所以簡化成矩形體獲得X向的約束。①對前模板結果進行分析可知：非優化區域的選擇是正確的，在云圖中體現這些區域內的材料承受大應力，且隨體積約束的變化，原模型上部分材料的在結構布局中的也逐步被邊緣化。②動模板的拓撲密度結果云圖中可知動模板密度材料分布形成雙拱橋結構，即肘桿施壓區和背面承力區形成的拱橋結構，拉桿孔和肘桿施壓區形成的拱橋結構。肘桿施壓區和背面承力區在不同平面上，這種結構就極力適用于動模板的受力情況。在拱橋的中間，仍體現出表面材料的重要性大于中間的傾向。另一拱橋結構由于拉桿孔貫穿模板Z向，拱形并不明顯，而拉桿孔周圍材料的密度分布仍體現出表面重中間輕的彎曲梁原則。③后模板在拓撲優化之后的筋板形式比其他兩塊模板凌亂。這與后模板優化前的模型結構有關系，為保證肘桿機構正常完成順序動作，優化前模型保留了相當大的深度，使得拓撲優化時的余地變小。

3 結語

利用CAE技術進行注塑機模板的優化設計既有學術意義，又具有較強的工程實用價值。采用有限元及拓撲優化方法對模板進行分析設計，可以在不提高結構岡度，優化應力分布前提下大幅節省模板的材料，實現模板輕量化的目標。同時，與傳統的經驗式的結構設計相比，它大大縮短了設計周期及降低成本，明顯提高了經濟效益。

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