【機(jī)械類畢業(yè)論文中英文對(duì)照文獻(xiàn)翻譯】注塑模CAE技術(shù)

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20世紀(jì)60年代，英國(guó)、美國(guó)和加拿大等國(guó)的學(xué)者如J.R.Pearson(英)、J.F.Stevenson（美）、M.R.Kamal(加)和K.K.Wang(美)等開展了一系列有關(guān)塑料熔體在模具型腔內(nèi)流動(dòng)與冷卻的基礎(chǔ)研究。在合理的簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上，60年代完成了一維流動(dòng)與冷卻分析程序，70年代完成了二維冷卻分析程序，80年代注塑模CAE技術(shù)開始從理論研究進(jìn)入實(shí)用化階段，開展了三維流動(dòng)與冷卻分析并把研究擴(kuò)展到保壓、纖維分子取向以及翹曲預(yù)測(cè)等領(lǐng)域。進(jìn)入90年代后開展了流動(dòng)、保壓、冷卻和應(yīng)力分析等注塑工藝全過(guò)程的集成化研究。 CAE技術(shù)的出現(xiàn)，為注塑模設(shè)計(jì)提供了可靠的保證，它的應(yīng)用是模具設(shè)計(jì)史上的一次重大變革。 2注塑模CAE技術(shù)的作用 利用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)注塑模具，設(shè)計(jì)成功與否將很大程度上依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，而且對(duì)復(fù)雜零件澆口位置的合理與否，排氣槽位置的設(shè)置、熔接線位置的確定等都十分困難。模具在交付使用之前一般需經(jīng)過(guò)反復(fù)試模修改，直到得到合格的制品為止，從而不可避免地造成了生產(chǎn)周期的延長(zhǎng)，而且一般也難以得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案和工藝參數(shù)。而利用注塑模CAE技術(shù)設(shè)計(jì)模具則不然，由于在模具設(shè)計(jì)構(gòu)思階段，可利用注塑模CAE 技術(shù)進(jìn)行流動(dòng)過(guò)程模擬，使得通常只有在模具試模階段才能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，如短射，熔接線或氣孔出現(xiàn)在外觀零件表面等問(wèn)題得以避免。同時(shí)幫助設(shè)計(jì)人員完成諸如流道系統(tǒng)的平衡設(shè)計(jì)，排氣槽的設(shè)置，合理確定注塑工藝參數(shù)等工作，這樣使得通常在必須反復(fù)試模修改而確定的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)在模具設(shè)計(jì)構(gòu)思階段得以確定，縮短了模具設(shè)計(jì)制造周期、提高了模具設(shè)計(jì)質(zhì)量。 所以注塑模CAE軟件的作用主要表現(xiàn)為： （1）優(yōu)化塑料制品設(shè)計(jì) 塑料的壁厚、澆口的數(shù)量及位置、流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等對(duì)于塑料制品的質(zhì)量有重大影響。以往全憑設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，用手工方法實(shí)現(xiàn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而利用CAE技術(shù)，可快速設(shè)計(jì)出最佳的制品。 （2）優(yōu)化塑料模具設(shè)計(jì) 可以對(duì)型腔尺寸、澆口位置及數(shù)量、流道尺寸和冷卻系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在計(jì)算機(jī)上模擬試模、修模和提高模具質(zhì)量，減少實(shí)際試模次數(shù)。 （3）優(yōu)化注射工藝參數(shù) 對(duì)注射過(guò)程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的成型缺陷，確定最佳的注射壓力、鎖模力、模具溫度、熔體溫度、注射時(shí)間和冷卻時(shí)間等。 由此可見，注塑模CAE技術(shù)無(wú)論在提高生產(chǎn)率、縮短模具設(shè)計(jì)制造周期和保證產(chǎn)品質(zhì)量，還是在降低成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面，都具有很大的優(yōu)越性和重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。 3注塑模CAE軟件種類及其簡(jiǎn)介 到目前為止，成熟的商業(yè)注塑模CAE軟件比較多，Moldflow公司的Moldflow軟件和AC-Tech公司（2000年2月，被Moldflow公司合并）的C-Mold軟件是其中的優(yōu)秀代表；另外還有國(guó)外的TMCONCEPT、CADMold、Fidap、Stirm100、Polyflow和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的Moldex等軟件應(yīng)用也比較廣；而國(guó)內(nèi)在“八五”期間才開始這方面的研究，現(xiàn)在華中理工大學(xué)的HSCAE軟件和鄭州大學(xué)的Z-Mold軟件在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。 Moldflow軟件是專業(yè)從事注塑成型CAE軟件和咨詢的Moldflow公司的系列產(chǎn)品，該公司自1976年發(fā)行了世界上第一套注塑模CAE軟件以來(lái)，一直主導(dǎo)注塑模CAE軟件市場(chǎng)。至2004年，Moldflow軟件在全球注塑模CAE市場(chǎng)的占有率達(dá)75%。 MoldFlow軟件包括三部分：MoldFlow Plastics Advisers（產(chǎn)品優(yōu)化顧問(wèn)，MPA）、 MoldFlow Plastics Insisht（注塑成型模擬分析，MPI）和 MoldFlow Plastics Xpert（注塑成型過(guò)程控制專家，MPX）。 一般情況下，最常用MPI，主要用來(lái)對(duì)注塑過(guò)程進(jìn)行模擬，從而得到最佳的澆口數(shù)量與位置，合理的流道系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)，并對(duì)型腔尺寸、澆口尺寸、流道尺寸和冷卻系統(tǒng)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并且還可對(duì)注塑工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 Moldflow軟件的模流分析技術(shù)可以分為三種，即Midplane、Fusion和3D。 4 Moldflow的Midplane分析技術(shù) Midplane（中面流）的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代。其網(wǎng)格是三節(jié)點(diǎn)的三角形單元，其原理是將3D幾何模型簡(jiǎn)化成中性面幾何模型（即將網(wǎng)格創(chuàng)建在模型壁厚的中間處），利用所建立的中性面進(jìn)行模擬分析，即以平面流動(dòng)來(lái)仿真三維實(shí)體流動(dòng)。此分析技術(shù)發(fā)展至今已相當(dāng)成熟穩(wěn)定，其優(yōu)點(diǎn)為分析速度快、效率高。 基于中面流技術(shù)的注塑流動(dòng)模擬軟件應(yīng)用的時(shí)間最長(zhǎng)、范圍也最廣。但是實(shí)踐表明，基于中面流技術(shù)的模擬軟件在應(yīng)用中具有很大的局限性，具體表現(xiàn)為： (1) 用戶必須構(gòu)造出中面模型。采用手工操作直接由實(shí)體模型構(gòu)造中面模型十分困難，往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間，而且不能從其他CAD模型轉(zhuǎn)換。 (2) 無(wú)法描述一些三維特征。如不能描述慣性效應(yīng)、重力效應(yīng)對(duì)熔體流動(dòng)的影響，不能預(yù)測(cè)噴射現(xiàn)象、熔體前沿的泉涌現(xiàn)象等。 (3) 由于CAD階段使用的產(chǎn)品模型和CAE階段使用的分析模型不統(tǒng)一，使二次建模不可避免，CAD與CAE系統(tǒng)的集成也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 5 Moldflow的Fusion分析技術(shù) Fusion（雙面流）分析技術(shù)是基于Moldflow的獨(dú)家專利Dual Domain的分析技術(shù)。2000年推出的Fusion分析技術(shù)，使得用戶不需要抽取中性面就可以進(jìn)行分析，克服了幾何模型的重建問(wèn)題，大大減輕了用戶建模的負(fù)擔(dān)。網(wǎng)格也是三角形單元，而其原理是將模具型腔或制品在厚度方向上分成兩部分，有限元網(wǎng)格在型腔或制品的表面產(chǎn)生。在流動(dòng)過(guò)程中，上、下兩表面的塑料熔體同時(shí)并且協(xié)調(diào)地流動(dòng)。 顯然，F(xiàn)usion技術(shù)的表面網(wǎng)格是基于中性面的，仍無(wú)法解決中性面的根本問(wèn)題，所以雙面流技術(shù)所應(yīng)用的原理和方法與中面流所應(yīng)用的沒有本質(zhì)上的差別，所不同的是雙面流采用了一系列相關(guān)的算法，將沿中面流動(dòng)的單股熔體演變?yōu)檠厣?、下表面協(xié)調(diào)流動(dòng)的雙股流。 雙面流技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是模型的準(zhǔn)備時(shí)間大大縮短，這樣就大大減輕了用戶建模的負(fù)擔(dān)，將原來(lái)需要幾小時(shí)甚至幾天的建模工作縮短為幾分鐘。因此，基于雙面流技術(shù)的模擬軟件問(wèn)世時(shí)間雖然只有短短數(shù)年，但在全世界卻擁有了龐大的用戶群，得到了廣大用戶的支持和好評(píng)。 但是雙面流技術(shù)有以下不足： (1) 由于雙面流技術(shù)沒有從根本上解決中性面的問(wèn)題，所以還是無(wú)法描述某些三維特征，如不能描述慣性效應(yīng)、重力效應(yīng)對(duì)熔體流動(dòng)的影響，不能預(yù)測(cè)噴射現(xiàn)象、熔體前沿的泉涌現(xiàn)象等。 (2) 上、下對(duì)應(yīng)表面的熔體流動(dòng)前沿存在差別。由于上、下表面的網(wǎng)格無(wú)法一一對(duì)應(yīng)，而且網(wǎng)格形狀、方位與大小也不可能完全對(duì)稱，所以如何將上、下對(duì)應(yīng)表面的熔體流動(dòng)前沿的差別控制在所允許的范圍內(nèi)是實(shí)施雙面流技術(shù)的難點(diǎn)。 (3) 熔體僅沿著上、下表面流動(dòng)，在厚度方向上未作任何處理，缺乏真實(shí)感。 6 Moldflow的3D分析技術(shù) 以上兩種技術(shù)都忽略了厚度方向的物理量，只是二維的模擬，因而結(jié)果不是十分精確。Moldflow公司的3D（三維）分析技術(shù)采用了真三維實(shí)體模流分析技術(shù)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)與反復(fù)的驗(yàn)證，將慣性效應(yīng)、非恒溫流體等因素考慮到有限元分析中，熔體厚度方向的物理量變化不再被忽略，能夠更全面地描述填充過(guò)程的流動(dòng)現(xiàn)象，使分析結(jié)果更能接近現(xiàn)實(shí)狀況，適用于所有塑件制品。其立體網(wǎng)格是由四節(jié)點(diǎn)的四面體單元組成。并采用全新的3D立體顯示技術(shù)，可快速清楚地顯示出模型內(nèi)、外部的流動(dòng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和速度場(chǎng)等分析結(jié)果。對(duì)于上述分析結(jié)果也可利用等位線或等位面方式顯示，讓實(shí)體模型內(nèi)、外部各變量的變化情形顯示更清楚，Moldfiow還提供動(dòng)畫的功能，透過(guò)3D動(dòng)畫的方式顯示塑料熔體在型腔中的流動(dòng)變化，讓用戶更直觀地看清設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題。 但是3D技術(shù)的網(wǎng)格劃分要求很高，控制方程更加復(fù)雜，計(jì)算量大、時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)算效率低，不適合開發(fā)周期短并需要通過(guò)CAE進(jìn)行反復(fù)修改驗(yàn)證的注塑模設(shè)計(jì)。因此，目前該技術(shù)普及率不是很高，不過(guò)它最終必將取代中面流技術(shù)和雙面流技術(shù)。 7注塑模發(fā)展趨勢(shì) 注塑模CAE技術(shù)不論從理論上還是在應(yīng)用上都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但在以下幾個(gè)方面仍有待于進(jìn)一步完善和發(fā)展： （1）數(shù)學(xué)模型、數(shù)值算法逐步完善 注塑模CAE技術(shù)的實(shí)用性，取決于數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性及數(shù)值算法的精確性。目前的商品化模擬軟件模型沒有完全考慮物理量在厚度方向上的影響，為了進(jìn)一步提高軟件的分析精度和使用范圍，必須進(jìn)一步完善目前的數(shù)學(xué)模型和算法。 （2）注塑成型全過(guò)程模擬 目前，注塑成型模擬軟件主要有填充、流動(dòng)、保壓、冷卻、應(yīng)力應(yīng)變和翹曲分析等模塊，各模塊的開發(fā)是基于各自獨(dú)立的數(shù)學(xué)模型，這些模型在很大程度上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，忽略了相互之間的影響。但是，從注塑成型工藝過(guò)程來(lái)看，塑料熔體的填充、流動(dòng)、保壓和冷卻是交織在一起并相互影響的，因此，填充、流動(dòng)、保壓和冷卻分析模塊必須有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行耦合分析，才能綜合反映注塑成型的真實(shí)情況。 （3）優(yōu)化理論及算法，使CAE技術(shù)“主動(dòng)”地優(yōu)化設(shè)計(jì) 將人工智能技術(shù)，如專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等加入設(shè)計(jì)計(jì)算中，使模擬程序能“智慧”地選擇注塑工藝參數(shù)、提供修正制品尺寸和冷卻管道布置方案，減少人工對(duì)程序的干涉。 （4）對(duì)新的注塑成型方法進(jìn)行模擬分析 目前，在常規(guī)注塑成型技術(shù)的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出了一些新的注塑成型方法，比如氣體輔助注射、薄壁注塑成型、反應(yīng)注射和共注射等。但是還沒有專門針對(duì)這些成型方法的模擬軟件，所以亟待開發(fā)。 （5）注塑模CAD/CAE/CAM的集成化與網(wǎng)絡(luò)化 目前的商品化注塑模CAE軟件與CAD、CAM軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞主要依靠文件的轉(zhuǎn)換，這容易造成數(shù)據(jù)的丟失和錯(cuò)誤。因此在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中采取單一模型，建立注塑模CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)，加強(qiáng)三者之間的聯(lián)系是今后的發(fā)展方向之一。為適應(yīng)電子商務(wù)的發(fā)展要求，這個(gè)集成系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)異地的“協(xié)同設(shè)計(jì)”和“虛擬制造”。 8結(jié)束語(yǔ) 盡管通過(guò)大量的實(shí)踐證明，在塑料模具工業(yè)中引入CAE技術(shù)后，大大縮短了模具設(shè)計(jì)和制造周期，提高了模具的使用壽命和制造精度。同時(shí)，CAE技術(shù)的出現(xiàn)也使注塑模設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和技藝走上科學(xué)化的道路，在一定程度上改變了注塑模傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，但目前CAE技術(shù)并不能代替人的創(chuàng)造性工作，只能作為一種輔助工具幫助工程師了解方案中存在的問(wèn)題，還難以提供一個(gè)明確的改進(jìn)方案，仍需通過(guò)反復(fù)交互（分析－修改－再分析），才能將設(shè)計(jì)人員的正確經(jīng)驗(yàn)體現(xiàn)到模具設(shè)計(jì)中去，而設(shè)計(jì)方案的確定很大程度上仍需依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和水平。