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三维注塑成形模拟系统的研究和应用

更新日期:2007-07-31  作者:  来源:光学精密机械网(ChinaOptic.Com.Cn)收集整理

  一、发展概况和应用背景 

  塑料工业近20年来发展十分迅速,早在7年前塑料的年产量按体积计算已经超过钢铁和有色金属年产量的总和,塑料制品在汽车、机电、仪表、航天航空等国家支柱产业及与人民日常生活相关的各个领域中得到了广泛的应用。塑料制品成形的方法虽然很多,但最主要的方法是注塑成形,世界塑料成形模具产量中约半数以上是注塑模具。 

  随着塑料制品复杂程度和精度要求的提高以及生产周期的缩短,主要依靠经验的传统模具设计方法已不能适应市场的要求,在大型复杂和小型精密注射模具方面我国还需要从国外进口模具。 

  二、关键技术和实用功能  字串3

  1.用三维实体模型取代中心层模型 

  传统的注塑成形仿真软件基于制品的中心层模型。用户首先要将薄壁塑料制品抽象成近似的平面和曲面,这些面被称为中心层。在这些中心层上生成二维平面三角网格,利用这些二维平面三角网格进行有限元计算,并将最终的分析结果在中面上显示。而注塑产品模型多采用三维实体模型,由于两者模型的不一致,二次建模不可避免。但由于注塑产品的形状复杂多样、千变万化,从三维实体中抽象出中心层面是一件十分困难的工作,提取过程非常繁琐费时,因此设计人员对仿真软件有畏难情绪,这已成为注塑成形仿真软件推广应用的瓶颈。  字串6

  HSCAE 3D主要是接受三维实体/表面模型的STL文件格式。现在主流的CAD/CAM系统,如UG、Pro/ENGINEER、CATIA和SolidWorks等,均可输出质量较高的STL格式文件。这就是说,用户可借助任何商品化的CAD/CAE系统生成所需制品的三维几何模型的STL格式文件,HSCAE 3D可以自动将该STL文件转化为有限元网格模型,通过表面配对和引入新的边界条件保证对应表面的协调流动,实现基于三维实体模型的分析,并显示三维分析结果,免去了中心层模拟技术中先抽象出中心层,再生成网格这一复杂步骤,突破了仿真系统推广应用的瓶颈,大大减轻了用户建模的负担,降低了对用户的技术要求,对用户的培训时间也由过去的数周缩短为几小时。 

  2.有限元、有限差分、控制体积方法的综合运用 

  注塑制品都是薄壁制品,制品厚度方向的尺寸远小于其他两个方向的尺寸,温度等物理量在厚度方向的变化又非常大,若采用单纯的有限元或有限差分方法势必造成分析时间过长,无法满足模具设计与制造的实际需要。我们在流动平面采用有限元法,厚度方向采用有限差分法,分别建立与流动平面和厚度方向尺寸相适应的网格并进行耦合求解,在保证计算精度的前提下使得计算速度满足工程的需要,并采用控制体积法解决了成形中的移动边界问题。对于内外对应表面存在差异的制品,可划分为两部分体积,并各自形成控制方程,通过在交接处进行插值对比保证这两部分的协调。 

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