于孝朋小型轿车塑料件注塑成型分析及模具设计.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流于孝朋小型轿车塑料件注塑成型分析及模具设计.精品文档.分类号：TQ320.66 单位代码：10363密 级： 公开 学 号：2080102105题 目 小型轿车塑料件的注塑成型分析及模具设计ANALYSIS OF THE INJECTION MOLDING AND MOLD DESIGN OF THE SMALL CAR PLASTIC PARTS学生姓名： 於孝朋 指导教师： 汪建利教授 陶锋讲师 专 业： 材料科学与工程 研究方向： 模具CAD/CAM 论文答辩日期： 2011-6-11 安徽工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守

2、学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日安徽工程大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权安徽工程科技学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存

3、和汇编本学位论文。 保密 ，在 年解密后适用本版权书。本学位论文属于 不保密 。学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日小型轿车塑料件的注塑成型分析及模具设计摘 要随着人们对高质量生活的追求，轿车行业正向着轻型化和低噪音等方向发展。轿车塑料件能满足轿车行业发展的需求，因而在轿车上的应用越来越广泛。传统方法在开发轿车重要的塑料内饰车门时主要依赖人工经验，缺乏科学依据；这样塑料件从设计到注塑成型一般需要重复多次，不但浪费大量人力和物力，而且注塑出的产品经常会出现各种缺陷。然而注塑CAE技术可以很大程度地突破传统方法的局限性。课题采用注塑CAE技术分析轿车车门部件的注

4、塑成型过程，通过对塑料件注塑成型过程分析有效地预测注塑过程出现的各种问题，为模具设计提供了科学依据，提高了塑料件的开发效率。本论文结合理论最佳浇口位置分析和塑料件自身结构特点首先确定出可能存在的浇口位置方案，并分别对各种方案进行可行性分析，然后通过比较，在可行性的浇口位置方案中确定出实际最佳浇口位置方案；以分析的结果为依据设计出浇注系统。然后根据塑件结构特点和材料特性设计出可能存在的冷却方案，对这些方案进行比较分析，确定出较优的方案；对较优方案进行改进分析，从而确定最佳冷却系统。最后根据塑料件的工艺参数范围列出可采用的一系列参数，以软件的DOE模块和流动分析模块为平台进行最优工艺参数优化分析，

5、从而确定出最优注塑工艺参数，并进行了成型零件和分型抽芯系统的设计。经过研究，论文确定了最佳浇注系统方案、冷却系统方案和最佳注塑工艺参数。以这些分析的结果为依据设计了模具，从而提高了模具设计效率，并为实际的塑料件注塑成型提供了科学指导。关键词：塑料件，内饰门板，注塑成型，CAE，MoldflowANALYSIS OF THE INJECTION MOLDING AND MOLD DESIGN OF THE SMALL CAR PLASTIC PARTSABSTRACTWith the pursuit of high quality of life, the car industry is tow

6、ard lightweight and low noise direction. Car plastic parts can meet the needs of the development of car industry, so they are more and more widely used in the car industry. The traditional method in the development of the important plastic interior door mainly relies on artificial experience, lack o

7、f scientific basis；many times are repeatly needed from design to injection molding，not only wasting much manpower and material resource, but also having various defects of the products. The injection molding CAE technology largely breaks through the limitation of traditional method. The issue analyz

8、es the injection molding process of the car door parts by the injection molding CAE technology，and can effectively predict the problems arising in the molding process through the process of injection molding of plastic parts. The mold design can be provided scientific basis and the development effic

9、iency of the plastic parts can be improved.Firstly, the article determines the possible ingate location programs together the theoretically best ingate location with structural characteristics of plastic parts, makes feasibility analysis between various programs and comparing the feasible programs,

10、and determines the actual optimum ingate location; the gating system can be designed based on the results.Then we can make out the feasibly colling programs according to structural characteristics of plastic parts and material properties and make comparison to determine the optimum program; the opti

11、mum program will be improved to determine the best cooling system. Finally, we can make out a series of parameters according to the scope of the process parameters of plastic and carry out the analysis of optimal injection molding process parameters to determine the optimal injection molding process

12、 parameters; the formed parts and the parting and core-pulling system are also designed.The artical determines the best solution casting system, cooling system solutions and the best injection molding process parameters after the study. The mold is designed based on the results；the design efficiency

13、 is greatly improved and scientific guidance is provied in the actual injection molding of plastic parts. Author: Yu Xiaopeng(Materials Science and Engineering)Supervised by: Wang Jianli and Tao FengKEY WORDS: Plastic parts, Interior door, Injection molding, CAE, Moldflow目录第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题目的意义

14、21.3 注塑CAE技术的研究现状和发展趋势31.4 课题研究内容和研究方案41.4.1 课题研究内容41.4.2 课题研究方案4第2章 注塑成型与Moldflow模拟的理论基础52.1 注塑成型理论知识52.1.1 注塑成型原理与工艺过程52.1.2 注塑成型常见缺陷及解决方法2862.2 Moldflow软件模拟理论基础82.2.1 注塑CAE软件Moldflow简介2982.2.2 聚合物流动性质3092.2.3 聚合物流动基本方程3192.2.4 Moldflow模拟流动过程控制方程3210第3章 基于Moldflow的浇注系统设计123.1 有限元模型的建立123.1.1 数据转换1

15、23.1.2 网格划分和修复123.2 浇注系统设计173.2.1理论最佳浇口位置分析183.2.2 实际最佳浇口位置分析213.2.3 模架选择323.2.4 浇口、分流道及主流道设计343.3 本章小结35第4章 基于Moldflow的冷却系统设计364.1 冷却介质选定56364.2 冷却方式选定364.3 冷却管道设计374.3.1 管道直径和长度确定59374.3.2 管道数目确定60374.3.3 冷却系统设计384.4 冷却方案比较分析394.4.1 冷却管道诊断394.4.2 冷却分析比较404.5 冷却改进424.5.1 改进管道设置424.5.2 改进管道分析424.6 本

16、章小结43第5章 注塑工艺参数的优化选择445.1 DOE模块的熔体温度和模具温度优化选择445.1.1 DOE（流动）实验设置455.1.2 熔体温度查看分析结果455.1.3 模具温度查看结果和分析比较475.2 流动模块参数优化选择495.2.1 注射速率优化选择505.2.2 保压压力优化选择525.3 其它注塑工艺参数的确定555.4 本章小结55第6章 模具其它系统设计566.1 成型零件设计566.2 分型抽芯机构576.3 本章小结59第7章 结论与展望60参考文献61攻读学位期间发表的学术论文目录65致 谢66第1章 绪论1.1 课题背景上世纪80年代，在国家经济政策的支持引

17、导下，我国模具工业迅速发展。到2002年模具工业总产值约360亿元人民币，其中塑料模具占30%左右1。小型轿车塑料模具是塑料模具的重要组成部分。随着小型轿车塑料模具的发展，塑料件的广泛使用使小型轿车向着轻型、高速、舒适和节能等方向发展。目前，小型轿车用塑料件占轿车重量约为7%-10%2。例如红旗轿车中塑料用量约为88.33Kg，桑塔纳约为67.2Kg，奥迪约为89.98Kg3。小型轿车上的塑料件主要有外装饰件、内装饰件和功能结构零件4。外装饰件指保险杠、车外板件、汽车挡泥板、灯壳、后盖板、外门板和后导流板等。内装饰件指仪表板、车门内板、方向盘、杂物箱、门把手、座椅和顶棚等。功能结构零件主要指发

18、动机部件及其罩下燃油进气系统和电器系统，如燃料箱、发动机部件等。这些塑料件使用的材料主要有通用塑料、工程塑料和高性能工程塑料6。通用塑料有聚烯烃热塑性弹性体(TPO)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、ABS等7；工程塑料有聚酰胺(PA)、聚碳酸脂(PC)、聚甲醛(POM)、聚苯醚(PPO)、热塑性聚脂(PET，PBT)等8；高性能工程塑料有聚酰亚胺(PI)、聚醚砜(PES)、聚砜(PSU)和聚氨酯(PU)等9。目前我国小型轿车塑料模具已经得到较好的发展。气辅注射成型模具技术和热流道模具技术方面的有些成果已达到国际水平；注塑CAE技术在很多大型企业已经得到使用，企业生产率和经济效益明显提高；市场

19、需求的旺盛使越来越多的企业家投资轿车塑料模具行业。然而，我国轿车塑料模具行业还有很多不足之处。轿车塑料模具行业标准化水平低；精密、复杂的模具设计水平不高；塑料件材料主要依赖进口。今后我国轿车塑料模具行业的发展方向是：提高模具的标准化水平；提高精密、复杂模具的设计水平；自主开发增强塑料、高性能树脂等材料；提高快速测量技术和逆向工程技术；提高对模具CAD/CAM/CAE软件的二次开发水平10。1.2 课题目的意义图1-1为选用的零件，属于轿车内饰门板的一部分。ba图1-1 塑件三维模型 (a) 正面 (b) 反面此件是轿车内饰门板部件，当轿车受到侧面的撞击后，塑料内饰门板不仅可以对驾乘人员的身体躯

20、干提供一定程度的保护作用，还可以美化轿车内部环境。这个零件在注塑成型时常见的问题主要有欠注、内应力问题、熔接痕问题、缩痕与凹陷、尺寸不稳定、开裂、气泡等。引起这些问题原因主要有塑料充填不满、熔融温度和模具温度太高或太低、冷却效果不好、浇口位置不当和流道设计不合理、注射压力和保压压力不足等11。一般通过增加料量、使用恰当的冷却方案、开设恰当的浇口位置、增加注射压力和保压压力等方法来解决塑料存在的问题12。对于门板内饰件，传统的方法在正式生产前，由设计人员凭经验与直觉设计出模具，然后进行模具的制造装配。在试模时，如果发现门板内饰件缺少特征、产生缩痕与凹陷、开裂、产生气泡等问题，就需要重新设置注塑工

21、艺参数，甚至还需要修改门板内饰件模型和重新设计模具13。通常这种工作要反复很多次才能设计制造出优质模具，注塑出的产品质量才能保证。如果采用这种传统方法生产出没有缺陷的优质门板内饰件势必增加生产成本，延长产品开发周期。如果采用注塑CAE技术来设计门板内饰件模具，成型的门板内饰件常见的缺陷将会大大减少，这样就会很大程度地减少传统方法中反复试模反复设计的问题14。本课题采用注塑CAE技术来优化设计门板内饰件的某个部件模具，模具制造加工前在注塑CAE软件Moldflow上模拟仿真注塑成型过程，预测门板内饰件部件可能存在的充填不足，收缩变形等缺陷，然后采用更好的浇注系统方案，冷却系统方案和注塑工艺参数。

22、这样设计制造的模具就会减少试模修模次数，提高制品质量和降低成本等，有重大的技术经济意义。1.3 注塑CAE技术的研究现状和发展趋势塑料模具在制造业中有着举足轻重的地位。传统的塑料模具设计要经过多次试模修模才能生产出没有缺陷的塑件，这样就浪费大量的人力物力。随着数学、力学、有限元学和计算机学的发展，注塑CAE技术逐渐发展起来。20世纪60年代，Copper、Ballman和Toor最先用数值方法计算出了塑料熔体在模具型腔中的流动过程，在此之后有许多研究人员对塑料熔体的一维流动进行了深入的研究15。其中Dusinberre计算出了塑料熔体一维非稳态传热计算模型，随后Hieher将一维流动推广到非牛

23、顿流体的非等温流动进而得到了熔体在模具型腔中的二维流动数学模型，该模型采用有限元差分法求解16。在此之后，Austin C和wangH.P采用了有限元分析法对冷却过程的温度场进行了计算17。80年代后期，研究人员采用了流动路径法实现了对塑料熔体在型腔中充填过程的三维流动分析，并用有限元法和有限差分混合法对模具型腔内的温度、压力和速度进行了求解，实现了用体积控制法来确定熔体流动前沿位置18。90年代后期，成型过程中的流动、保压、冷却、及翘曲变形都得到了深入的研究，随后人们也开展了CAE与CAD/CAM集成化研究19。目前注塑成型CAE技术在国外已得到了普遍应用，国内开展塑料成型数值模拟研究起步较

24、晚，对于注塑成型CAE的应用主要是依赖国外的CAE系统和设备，自主的知识产权很少。目前华中科技大学自行开发了HSCAE软件，并和先前开发的HSCAD软件集成，已经成为国内一套比较成熟的注塑成型CAE软件20。华中理工大学模具技术国家重点实验室自主开发了国内第一个注塑CAD/CAE/CAM集成系统HSCZ.O21。北京华正模具研究所与美国Ac -Tech公司在目前国际上注塑成型CAE技术最新成果的基础上一起开发了注塑成型的中文辅助软件CAXA-IPD22。目前国际上知名的CAE软件有：美国Advanced CAE Technology公司最新推出的注塑模CAE系统C-MOLD3.1；澳大利亚Mo

25、ldflow公司的注塑模CAE软件MF；美国和意大利P&C公司的CAD/CAE/CAM软件TMCONCEPT；美国SDRC公司的I-DEASTM；加拿大MoldCAE公司开发的MoldCAE；美国GRAFTEK INC的CAD/CAE/CAM集成系统；德国IKV塑料工程研究所的注塑模CAE/CAD系统；美国Structure Dynamics Research Corporation(SDRC)的POLY-COOL2；美国PRIME-CALMA公司的注塑模设计制造软件包；法国CISIGRAPH公司的注塑模设计软件包STRIM100；英国Deltacam的公司的注塑模设计制造软件包23。以上CA

26、E软件在实际生产中已得到了广泛的应用并产生了巨大的经济效益。今后注塑CAE技术的发展趋势是：CAD/CAE/CAM技术的集成化；数学模型和算法的进一步完善；注塑成型各个过程的耦合分析；人工智能技术的采用等24。1.4 课题研究内容和研究方案1.4.1 课题研究内容课题以小型轿车内饰门板部件为研究对象，先用有限元软件对其进行模拟仿真分析，然后根据分析的结果设计出模具。课题主要工作：(1) 研究浇口位置的不同对注塑成型过程的影响，确定最佳浇口位置方案并据此设计浇注系统；(2) 研究冷却方案的不同对注塑成型过程的影响，确定最佳冷却系统；(3) 研究注塑工艺参数如模具温度、熔体温度、注射压力、保压压力

27、、注射时间等对注塑成型过程的影响，并进行优化选择；(4) 以分析结果为依据设计出模具；1.4.2 课题研究方案课题采用注塑CAE技术进行注塑过程模拟分析，用三维造型软件设计出模具。(1) 将模型从UG软件导入Moldflow软件中，并建立有限元模型；(2) 通过流动分析确定最佳浇口位置方案，以分析结果为依据设计出浇注系统；(3) 通过冷却分析确定最佳冷却方案；(4) 通过Moldflow软件的DOE模块和流动分析模块对注塑工艺参数进行优化选择；(5) 运用UG软件进行模具设计； 课题的技术路线如图3-1所示。图1-3 技术路线第2章 注塑成型与Moldflow模拟的理论基础2.1 注塑成型理论

28、知识2.1.1 注塑成型原理与工艺过程注塑成型有柱塞式注塑机成型和螺杆式注塑机成型25。螺杆式注塑机成型应用很广，本文将以螺杆式注塑机成型来介绍注塑成型原理，如图2-1所示。注塑成型原理：注塑成型指粉状或颗粒状塑料经料斗加到安装有电加热圈的料筒内，粉状或颗粒状的塑料在螺杆作用下一边塑化一边向前移动，塑料在转动的螺杆作用下通过其螺旋槽输送到料筒前端的喷嘴附近；螺杆转动使塑料进一步塑化，料温在剪切摩擦热的作用下进一步提高，塑料得以均匀塑化。当料筒前端积聚的熔料对螺杆产生一定的压力时，螺杆就在转动中后退，直至与调整好的行程开关相接触，具有模具一次注射量的塑料预塑和储料（即料筒前部熔融塑料的储量）结束

29、；接着注射液压缸开始工作，与液压缸活塞相连接的螺杆以一定的速度和压力将熔料通过料筒前端的喷嘴注入温度较低的闭合模具型腔中；保压一定时间，经冷却固化后即可保持模具型腔所赋予的形状；然后开模分型，在推出机构作用下，将注射成型的塑料制件推出型腔26。图2-1 螺杆式注塑成型原理261-料斗 2-螺杆传动装置 3-注射油缸 4-螺杆 5-加热器 6-喷嘴 7-模具注塑成型工艺过程分为成型前准备、注塑过程和塑件后处理。成型前准备主要包括对原料加工；注塑过程主要包括加料、塑化、注射、冷却和脱模等；塑件后处理主要包括退火处理和调湿处理27。注塑过程的具体介绍如下27：(1) 塑化阶段。塑化指塑料在料筒内经加

30、热达到良好流动状态的过程。(2) 充填阶段。塑料熔体在注塑压力下由喷嘴射入，流经主流道、浇口进入模腔，完成充填。(3) 保压阶段。充填完成后，塑件冷却收缩必然导致填充不足，所以此时的熔体仍需保持高压状态以补充塑料熔体。(4) 冷却阶段。冷却阶段自熔体进入模具型腔起就开始，填充阶段完成后冷却速度加快，当达到产品的顶出温度时，利用顶出装置将产品从模具中取出。(5) 脱模阶段。脱模方式主要有顶杆脱模和脱料板脱模。设计模具时要根据产品的结构特点选择合适的脱模方式，以保证产品质量。选用顶杆脱模时，顶杆设置应尽量均匀，顶杆位置应选在脱模阻力最大以及塑件强度和刚度最大的地方，以免塑件变形损坏。脱料板一般用于

31、深腔薄壁容器以及不允许有推杆痕迹的透明制品的脱模，这种机构脱模力大、脱模均匀，无明显的遗留痕迹。2.1.2 注塑成型常见缺陷及解决方法28注塑成型时因为各种各样原因注塑的塑件会产生很多缺陷，这里对几种常见的缺陷进行产生原因和解决方法分析。1.短射由于充填不满导致制品成型后形状不完整的缺陷称为短射。短射一般发生在制品的薄壁区域和远离浇口的区域。导致短射的原因可能包括流道尺寸太小、塑料壁太薄、熔体温度过低、熔体粘度过大、注塑压力过低和注塑机的控制阀门破损等。针对产生充填不足的原因，应从以下几个方面采取解决措施：(1)设备方面如果填充不足是由于注塑机料斗中的熔料过少导致的，则应选用容量更大的注塑机；

32、若是由于料斗或喷嘴部分被堵塞导致填充不足则应将其清理干净。(2)注塑工艺参数的设置注塑工艺参数的设置主要包括时间、压力、温度的设置。工艺参数设置不当也会因引起充填不足，当出现充填不足时应通过调整注塑压力、注塑时间、保压压力、保压时间、熔体温度和模具温度来解决。(3)模具方面如果模具浇注系统设计不合理也会引起充填不足，此时应从改善浇注系统的流道尺寸和浇口位置等方面来解决。2.气穴气穴指模腔内气体所在的区域。产生气穴的原因主要有：(1) 外层熔体冷却固化和内层熔体收缩形成真空。(2) 干燥程度较低的材料存在水分，水分会在材料中形成气体，这些气体在塑件成型后会产生气穴。(3) 热敏性塑件在温度过高时

33、分解产生气体，形成气穴。(4) 结晶型塑料在塑料成型时收缩大，容易产生缩孔和气穴。(5) 模具型腔中的气体未能排出而形成气穴。针对这些产生气穴的原因，其解决的措施有以下几个方面：(1) 对于模具排气不畅产生的气穴，要在气体聚集处开设排气槽。(2) 加强材料干燥。3.熔接痕两股或多股料流前锋温度低的熔体交汇时常常形成熔接痕。熔接痕不仅影响了塑件外观还降低了塑件力学强度。改善熔接痕可采取以下几项措施：(1) 采用热流道进行浇注。(2) 通过提高树脂温度、提高模具温度、提高注射压力及速度等来提高熔料的流动性。(3) 调整浇口位置。4.龟裂龟裂主要由变形应力引起，变形应力有残余应力和外部应力。(1)

34、残余应力产生的龟裂残余应力主要由充填过剩等原因引起，可从以下几方面降低残余应力： 采用多点分布浇口的方式增大应力释放。 适当提高树脂温度以降低熔融粘度，提高流动性和降低注射压力以减小应力。 一般情况下，模温较低容易产生应力，应适当提高温度。但当注射速度较高时，即使模温低一些，也可减低应力的产生。(2) 外部应力产生的龟裂外部应力主要由产品结构设计不合理引起如尖角。尖角处容易产生应力集中从而导致龟裂，可以在尖角处倒圆角避免应力集中。5.翘曲翘曲变形指塑件冷却固化开模后与模具型腔形状不一致。翘曲变形主要由收缩变形引起，收缩变形的原因主要包括收缩不均匀、冷却不均匀和分子取向不均匀。降低塑件翘曲变形量

35、应从增大浇口尺寸、降低熔体和模具表面温度、提高注射速度和增加保压时间等方面考虑。6.溢边溢边指熔料充填时从模具分型面或顶杆缝隙处溢出而产生的形状。溢边产生的原因主要有：(1) 设备方面：注塑机的锁模力不够。(2) 模具方面：模具的制造精度不够、装配不良、排气位置不合理。(3) 工艺参数方面：注塑压力过大、保压压力过大。改善溢边的方法如下： (1) 降低注射压力。 (2) 降低树脂温度，选用高粘度等级的材料。 (3) 降低模具温度，研磨溢边发生的模具面，采用较硬的模具钢材。 (4) 提高锁模力。7.烧伤烧伤主要由机械原因、模具原因和成型条件原因引起。(1) 机械原因：过热的料筒会使塑料产生高温分

36、解，充入型腔冷却后产生将烧伤制件。(2) 模具原因：如果模具排气不良也会产生烧伤，应改善模具的排气条件。(3) 成型条件的原因：过高的螺杆转速会使熔料局部温度过高从而导致熔料热分解产生烧伤，此时应合理控制螺杆的转速。2.2 Moldflow软件模拟理论基础2.2.1 注塑CAE软件Moldflow简介29Moldflow软件在模具设计前对整个注塑成型过程进行仿真模拟，包括填充、保压、冷却、翘曲、分子取向等分析，可有效的缩短设计周期，提高设计效率。其作用体现在如下几个方面：(1) 优化塑料件结构 Moldflow软件可以优化塑料件结构，如通过充填、冷却等分析可以判断塑料件的结构是否合理、壁厚是否

37、合适以及制品材料的选用是否合理。(2) 优化模具设计Moldflow软件在产品设计前进行仿真模拟，可以得到合理的流道系统和冷却系统，缩短了模具设计周期，提高了设计效率，降低了设计成本。(3) 优化注塑工艺参数Moldflow软件可以帮助注塑工艺人员快速、科学地确定最佳注射压力、保压压力、锁模力、模具表面温度、熔体温度、注射时间、保压时间等。Moldflow有三大模块：MPA(产品优化顾问)模块、MPI模块（注塑成型模拟分析）和MPX(注塑成型过程控制专家)模块。论文应用MPI模块进行分析，其主要功能如下：(1) 网格的划分和修复Moldflow软件网格划分的基本原理是有限元法，将一个连续体离散

38、化为有限个单元体，从而得到真实结构的近似模型,并在这个离散化的模型上进行数值计算。Moldflow软件有三种网格类型：中面网格(Midplane)、表面网格(Fusion)和实体网格(3D)。Moldflow软件有建模功能，但建模功能不强，可以通过其它建模软件将模型导入其中。Moldflow中可以导入stl格式模型、.ans格式模型、.unv 格式模型和iges格式模型等。(2) 流动分析(Flow)流动分析模块可以模拟塑料熔体在模具中的流动情况，优化模腔的布局以及填充和保压的工艺参数，为注塑生产提供合理的工艺参数。(3) 冷却分析(Cool)冷却分析主要分析冷却系统对熔体冷却固化的影响，优化

39、冷却管道的设计，降低塑件冷却成型后的翘曲变形量。(4) 翘曲分析(Warp)翘曲分析模块可以分析整个塑件的翘曲变形情况，同时分离出产生翘曲的主要原因，包括冷却不均、收缩不均和分子取向不同等产生的翘曲变形量。此外还有模腔尺寸分析、结构应力分析、气体辅助注塑分析、纤维填充取向分析和反应注射成型分析等。2.2.2 聚合物流动性质30流体分为牛顿流体和非牛顿流体。牛顿流体指当流体以切变方式流动时，流体切应力和剪应力速率存在线性关系。牛顿流体流变方程式：= (2-1)式中为切应力，单位Pa；为比例常数（粘度），也称牛顿粘度，的大小反映了牛顿流体抵抗外力引起流动变形的能力，单位Pa.s；为单位时间内流体产

40、生的切应变，一般称为剪切速率，单位s-1。由于大分子的长链结构和缠结，聚合物熔体的流动行为远比低分子液体复杂。聚合物流体流动时，切应力和剪切速率不成正比，熔体粘度也不是常数，所以聚合物流体不服从牛顿流体规律，这类流体称为非牛顿流体。非牛顿流体在流动时粘度随剪切速率增大而变小，这种现象称为“剪切稀化”。非牛顿流体流动过程是非等温、非稳态的，因此基于粘性流体力学的基本方程在原则上能够求解，但由于其实际充填过程的复杂性，必须在不同阶段引入合理而必要的假设与简化，并结合特定的边界条件，才能用数值的方法进行求解。本文将引入粘性流体力学基本方程，并根据实际简化情况来设置边界条件。2.2.3 聚合物流动基本

41、方程31聚合物流动的基本方程有连续性方程、动量方程、能量方程。(1) 连续性方程： (2-2)、是速度矢量在、三个方向的分量。(2) 运动方程： (2-3)(2-4) (2-5)F、，P分别为体力、偏应力张量、压力。(3) 能量方程： (2-6)CP为比热容系数，K为热传导系数，T为温度2.2.4 Moldflow模拟流动过程控制方程32粘性非牛顿流体在实际流动过程中物理过程相当复杂，所以Moldflow软件在模拟实际流动过程时将对流动情况进行适当假设和简化。(l) 由于型腔厚度远小于其他两个方向的尺寸且熔体粘性较大，可忽略厚度方向的速度分量(w=0)，同时压力沿厚度方向不变;(2) 由于熔体

42、填充过程比较均衡，型腔中各部分基本上可以被熔体同时充满，因此熔体密度变化很小，可假定熔体不可压缩;(3) 熔体粘度大，相对于粘性剪切力而言，惯性力和质量力忽略;(4) 忽略沿流动方向的热传导，仅考虑热对流，在厚度方向，忽略热对流，仅考虑热传导;(5) 充模过程中，熔体温度变化范围不大，视比热容及导热系数为常数;(6) 忽略熔体前沿附近喷泉式流动的影响。根据假设和简化，可以由前面的基本方程推出如下方程组： (2-7) (2-8) (2-9) (2-10) b是型腔壁厚的一半，是x方向的平均流速，是y方向的平均流速，S是流动率，对(2-7)和(2-8)两式积分，可得速度场： (2-11) (2-1

43、2) 将、带入(2-6)中得到压力场控制方程： (2-13)熔体温度在速度方向和厚度方向都会发生变化，划分网格时需要沿壁厚方向划分差分网格，对每个单元体在壁厚方向上划分为N层，运用有限元和有限差分混合法对能量方程（2-10）进行热对流项、粘性项、瞬态项和热传导项的计算就可以得到温度场。第3章 基于Moldflow的浇注系统设计本章首先对零件进行有限元模型的建立，然后在Moldflow软件内进行注塑成型过程模拟分析，结合分析的结果进行浇注系统设计。3.1 有限元模型的建立零件在三维造型软件内通过适当的格式转化可以导入CAE软件进行有限元网格划分，CAE软件可以对有限元模型进行温度场、应力场等模拟

44、分析。3.1.1 数据转换零件在三维造型软件UG中常用的转换格式有stl格式、igs格式和catia格式等33。stl格式转换精度高，但对模型质量要求高；igs格式很容易转换，但丢失特征严重；catia格式转换精度一般，丢失特征程度一般34。课题零件采用catia格式转换，然后导入moldflowCADdoctor（模型处理软件）中进行模型修补，最后将修补的模型以udm格式导出，转入Moldflow中。转入Moldflow中的模型如图3-1所示。图3-1 导入的模型3.1.2 网格划分和修复Moldflow软件主要有三种网格类型：中面网格（Midplane），表面网格（Fusion）和实体网格

45、（3D）35。中面网格由三节点的三角形单元组成，网格创建在模型壁厚的中间处，形成单层网格，一般用于产品厚度方向远小于流动方向尺寸的模型，将三维流动问题简化为流动方向的二维问题36。表面网格也是由三节点的三角形单元组成，网格创建在模型的上下两层表面上，一般用于薄壁实体模型分析。与中面模型不同之处是表面模型采用了一系列相关的算法，将沿中面流动的单股熔体演变为上下表面协调流动的双股流。不过必须将所有表面网格的节点进行厚度方向的配对，低于50%的匹配率将会导致分析失败36。实体网格是由四节点的四面体单元组成，每一个四面体单元又是由四个中面模型中的三角形单元组成的，利用3D网格可以更精确的进行三维流动仿