基于HyperMesh、MoldFlow與Nastran的注塑優化集成

趙梅，趙 軍，周雄輝

（1.煙臺工程職業技術學院機械工程系，山東煙臺264000；2.上海交通大學材料科學與工程學院，模具CAD國家工程研究中心，上海200030）

基于HyperMesh、MoldFlow與Nastran的注塑優化集成

趙梅1，2，趙 軍2，周雄輝2

（1.煙臺工程職業技術學院機械工程系，山東煙臺264000；2.上海交通大學材料科學與工程學院，模具CAD國家工程研究中心，上海200030）

對考慮充模歷史情況下的模具結構分析與優化進行了研究，綜合運用HyperMesh、Moldflow和Nastran等多種軟件完成從幾何建模、網格劃分、分析計算到結果處理的整個過程，實現了模流分析與模具結構分析的集成優化。結果表明，注射成型工藝與模具結構分析的集成可以更加真實和全面地模擬注塑過程中塑料的流動情況和模具變形情況，為模具設計提供更為全面的參考依據。

注射成型；模具結構；計算機輔助工程；模流分析；有限元分析

0 前言

目前的注射成型計算機輔助工程（CAE）技術及相應的仿真軟件大多集中于某一個方面，而忽略了各個環節間的相互聯系。因為注射成型是一個系統工程，其流程包括產品設計、模具設計、工藝參數設計、產品性能分析等多個環節，涉及的相應學科包括流變學、流體動力學、物理、化學、力學等多個方面。如注射成型工藝分析和模具結構分析就分屬不同的學科范疇，并分別在不同的軟件中獨立進行，前者常用的分析軟件有MoldFlow、Moldex3D，后者有Ansys、Nastran等。而事實上注射成型工藝分析與模具結構分析應該是整個模具CAE分析與優化設計過程中不可分割的2個方面：一方面模流分析結果可以給模具結構分析提供準確的邊界條件；另一方面，模具結構的變形問題又直接影響模流分析的準確性，但由于各自適用軟件的求解機理以及所用的求解器和內部數據結構不同，一般自成體系，相對封閉，制約了兩者的集成以及CAE效能的進一步發揮，導致仿真精度下降，造成分析結果不全面或不準確，從而影響對整個設計方案與制造工藝的合理判斷。因此，在傳統注射成型工藝CAE模擬的基礎上，采用多學科集成分析的方法對成型過程進行比較完整地模擬分析與研究就顯得尤為必要。本文介紹了一種合理選擇相關軟件及建立各軟件間精確的數據交換機制，有效提高CAE分析的效率與精度的方法。

1 綜合應用各種軟件進行CAD建模、模流分析、有限元分析及其前后處理

充分發揮UG、HyperMesh、MoldFlow、Nastran各種軟件的優勢，揚長避短，使建模、網格劃分、計算分析及結果處理等過程操作方便、計算準確、精度提高［1－3］。采用多種軟件集成分析的流程如圖1所示。

圖1 采用多種軟件集成分析Fig.1 Integration analysis based on various softwares

將UG NX建立的產品的計算機輔助設計（CAD）模型和模具的CAD模型，導入HyperMesh進行網格劃分前處理，再分別導入MoldFlow、Nastran進行產品的模流分析和模具結構的有限元分析。因為UG采用基于約束的特征建模和傳統幾何建模為一體的復合建模技術，建模高速高效，但其在有限元網格劃分及有限元分析計算和后處理方面較為薄弱。HyperMesh是一款強大的有限元前處理軟件，在網格劃分方面與其他軟件相比有著無與倫比的優越性，而且它與其他多種CAD和CAE軟件具有良好的數據接口，尤其適合于大型的復雜制品，因為該類制品如果直接在有限元軟件中處理，不僅耗費大量的時間和精力，而且可能影響結果的精度。

對比可知，Hypermesh劃分的網格質量好、縱橫比等都符合有限元分析的要求，而且速度快，操作比較簡單，HyperMesh僅僅需要在MPI中做少量的修改就可以進行有限元分析，而直接使用MoldFlow劃分的網格畸變較嚴重，相交和重疊單元很多，尤其是單元的縱橫比超出了所允許的范圍，并在很多特征上都已經改變了塑件原型。這時要用其自身的工具對網格進行修補，去除其重疊單元和非交疊邊，調整網格的縱橫比，這樣的修補過程極其繁瑣，調整的難度也比較大，因此需花費大量的時間來優化網格才能保證分析結果的正確性。所以用HyperMesh作為MoldFlow的Midplane類型網格的前處理是非常合適的方法，可大大提高劃分網格的質量和速度，從而提高分析的準確性和工作效率。與模流分析軟件MoldFlow一樣，Nastran的缺點也是其幾何建模和網格劃分功能較差，且操作不方便，但它是具有高度可靠性的結構有限元分析軟件，其計算結果與其他質量規范相比已成為最高質量標準，得到有限元界的一致公認。它具有功能齊全的多種高級非線性有限元求解器，可以處理各種線性與非線性結構分析；單元庫提供數百種單元類型，材料庫內容十分豐富，具有多種線性與非線性及復雜材料模型；分析時采用具有高數值穩定性、高精度與快速收斂的高度非線性問題求解技術，并采用加載步長自適應控制技術，可自動確定非線性分析和動力響應的加載步長，從而保證計算精度。

2 考慮充模歷史情況下的模具結構強度校核與優化

正交試驗設計在工藝優化研究中的應用非常廣泛，是安排多因素、多水平而不需要全面試驗的高效試驗設計方法［4－6］。但由于正交試驗往往沒有考慮交互作用，且只能在設計因素的水平點上給出解決方案，而不是在一定試驗范圍內的最優方案。為進一步提高優化效果，采用回歸分析的方法得到試驗因素范圍內的最優工藝參數組合?；貧w方程中最常用的模型為多元二次回歸方程，一般表示為：

式中 x——設計變量

Y——目標變量

b0——常數項系數

bi——線性項系數

bii——二次項系數

bij——變量xi和xj之間的交互作用項系數

ε——試驗誤差

一般可根據物理或CAE實驗得到的數據，采用最小二乘法（或移動最小二乘法）求解此方程，得到設計變量與目標函數之間的函數關系。采用多學科集成分析技術進行注射成型工藝與模具結構強度校核與優化的流程如圖2所示，其中N為實驗設計中的采樣次數。

3 實例分析

圖2 考慮充模歷史的模具結構分析與優化流程Fig.2 Structural analysis and optimization of injection mold based on filling process

圖3 垃圾桶的CAE模型Fig.3 CAE model of the trash can

如圖3所示，材料為高密度聚乙烯，采用直澆口的澆注系統，對制品的內外表面均采用螺旋式水路進行冷卻，模具型腔材料定為P20鋼。在UG NX中建立垃圾桶產品CAD模型，將其導入HyperMesh進行網格劃分和修復之后再導入MoldFlow進行分析，工藝參數值為：模具溫度52℃、熔體溫度230℃、注射時間5s、保壓時間10s、保壓壓力為注射壓力的80%、冷卻時間20s，進行流動分析，將壓力分析結果導出，用于載荷映射，進行模具結構分析，檢驗模具的變形情況。

在UG NX中建立垃圾桶模具型腔CAD模型，將其導入HyperMesh進行網格劃分和修復，得到用于結構分析的垃圾桶模具型腔有限元模型。然后根據模流分析結果，選擇模流分析所得壓力結果作為載荷，通過載荷映射程序，獲得模具型腔有限元模型的表面壓力分布，最后用Nastran進行模具結構變形分析，并觀察保壓切換控制點（注塑填充過程中當型腔快要充滿時，螺桿的運動從流動速率控制轉換到壓力控制，即V／P轉換點）、鎖模力最大時刻等關鍵工況時刻的模具變形結果，發現整個過程中鎖模力最大時刻模具的變形量最大。

采用正交試驗設計方法，通過極差分析比較工藝參數對垃圾桶模具變形的影響程度分別為：保壓壓力＞熔體溫度＞模具溫度＞注射時間＞冷卻時間＞保壓時間。通過回歸分析，求得單純考慮模具變形情況下的優化工藝參數為：模具溫度32℃、熔體溫度280℃、注射時間4s、保壓時間14s、保壓壓力為注射壓力的60%、冷卻時間20s。

為了驗證模具變形效果，在此工藝條件下再次進行模流分析，并通過載荷映射程序得到垃圾桶模具型腔在注塑過程中的壓力分布后，在Nastran中分析模具變形，得到模具最大變形量如圖4所示，變形量明顯減少。當然，只單純考慮模具變形是不夠的，此時雖然變形量明顯減小，但280℃熔體溫度可能使產品變形量增加，因此，還需要綜合考慮產品變形，進行多目標優化。

圖4 優化前后最大鎖模力時刻的模具變形Fig.4 Transformation at maximum clamping force time

4 結論

（1）選用合理的有限元前處理軟件可提高有限元分析工作的質量和效率，對計算精度和計算量產生直接的影響；

（2）注射成型工藝與模具結構分析的集成可以更加真實和全面地模擬注塑過程中塑料的流動情況和模具變形情況。

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Optimization Integration of Injection Molding Analysis Based on HyperMesh，MoldFlow and Nastran

ZHAO Mei1，2，ZHAO Jun2，ZHOU Xionghui2

（1.Department of Mechanical Engneering，Yantai Engineering and Technology College，Yantai 264000，China；2.National Engineering Research Center of Die and Mold CAD，School of Materials Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China）

The modeling，plotting finite element grids，analyzing，and calculating for an injection mold were completed with the aid of softwares HyperMesh，Moldflow，and Nastran，optimization integration of mold structure and mold flow was realized.The integration of injection technology and mold structure could comprehensively simulate the flowing of materials and the deformation of injection mold，and thus provided a basis for the mold design.

injection molding；mould structure；computer aided engineering；mold flow analysis；finite element analysis

TQ320.66＋2

B

1001－9278（2012）03－0099－04

2011－11－28

聯系人，xyt1022＠126.com

（本文編輯：劉 學）