CAD/CAE在塑件成型中的模拟分析与优化研究进展

计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助工程(CAE)技术在塑料制品的设计制造中发挥着重要作用。利用CAD设计产品结构，形成三维数字模型，再使用CAE计算分析机械结构，评价CAE计算结果。CAE是将工程问题模型化并运用数值计算对模型进行仿真分析的软件系统。常用的模具CAD/CAE软件有Pro/E，UG，Moldflow，Solidworks，CATIA，ANSYS等。Pro/E软件是美国参数技术公司于1988年开发的，主要功能和特点是参数化设计以及基于特征建模的具有单一数据库功能的实体模型化系统，可用于模具设计和机械制造。UG软件是西门子产品生命周期管理软件公司的产品工程解决方案，可用于工艺设计和产品设计的仿真确认和优化，应用于航空器、汽车制造及模具设计等领域。MoldFlow软件是澳大利亚Moldflow公司的产品，可以验证和优化塑料模具和注塑成型流程。Solidworks软件是基于Windows开发的三维CAD系统，用于工业设计与机械设计等领域。CATIA软件是法国达索公司开发的，CATIA系列产品可为汽车、航空航天、船舶制造、钢构厂房设计、建筑、电子电力、通用机械制造等领域提供三维设计和模拟解决方案。ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，在众多领域有着广泛应用。

借助CAD/CAE技术对注塑模具设计，首先要建立产品三维模型，在此基础上进行塑件分析，通过对模具的设计分析和可行性分析，初步设计出模具的结构，通过对模具进行充填分析、流动分析、冷却分析和翘曲分析，对模具结构的初步设计进行完善和优化，从而完成模具结构概念化，之后进入详细设计阶段。在概念化模具结构的基础上，进行型芯型腔的设计以及成型零部件的设计，对浇注系统、冷却系统、侧向抽芯以及顶出机构的设计。通过充填分析、流动分析、冷却分析、翘曲分析优化注塑模具的详细设计，最后可调用模架和模具标准件数据库进行装配设计。本文主要综述了CAD/CAE技术在普通塑料制品制造、汽车轻量化以及航天航空等领域的应用。

1 CAD/CAE技术在普通塑料制品制造领域的应用

CAD/CAE技术广泛用于普通塑料制品的设计制造。周天元选取聚碳酸酯（PC）与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）合金作为笔记本电脑后盖的原料，使用Pro/E软件对产品的平均厚度、拔模角度以及分型面等进行三维结构分析，并对塑胶模具的模仁部分进行三维分模，获得模具的型腔尺寸。使用Moldflow软件的MPI功能模块以及模流分析对注塑过程进行模拟，采用系统推荐的成型参数模拟填充、保压、冷却等过程，找出最佳注塑成型浇口，得出最佳参数：注塑时间为1.8s、保压时间为8.0s、冷却时间为19.0s、熔体温度为256℃、模具温度为80℃，制品的总翘曲变形量为0.8644mm，确定了影响翘曲变形的工艺参数从大到小依次为注塑时间、熔体温度、冷却时间、保压时间、模具温度。研究表明，利用CAD/CAE技术对塑胶模具进行设计，并模拟成型工艺可以提升实际成型产品的质量以及注塑成型效率，降低后续注塑成型过程中模具试模、修模的次数。王健使用PC与ABS合金制作手机外壳。首先使用Pro/E软件中的零件模块，经过拉伸、镜像、抽壳、复制、倒圆角等特征命令创建手机外壳实体模型。利用ANSYS软件进行静力学分析，对手机外壳模型进行改进，通过增设加强筋、增加厚度和采用圆角过渡，以避免在表面区域出现明显应力集中现象。再利用Pro/E Plastics软件，选取浇口位置、充模时间和注塑压力进行塑件模流仿真分析，得到浇口位置选取在侧面点，充模时间0.56s，最大进口压力57.47MPa。再使用Pro/E软件对手机壳进行模具设计分析。基于Pro/E软件对“裙边曲面”功能的模具进行分型面选择，浇注过程采用一模两腔平衡进料。在成型零件设计、优化过程中，结合选择的分型面，自动生成凹模和凸模，对其进行虚拟装配。选择模架及零部件并将手机壳模具和模架装配进行开模仿真操作实验，最终设计出符合标准要求的手机外壳模架。

2 CAD/CAE技术在汽车轻量化领域的应用

汽车轻量化技术可以降低汽车油耗、减少汽车尾气排放。汽车轻量化的主要目标是实现车身轻量化以及零件轻量化，可以通过采用轻量化材料以及车身结构优化设计来实现。使用轻量化材料（如工程塑料以及碳纤维复合材料）代替传统金属材料广泛应用于汽车隔音板、前端支架、车身底架、传动轴和轮毂等部件的制造。汽车轻量化工程塑料主要有聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚氨酯等，通常采用注塑工艺。在塑料制品量产前，可以采用CAD/CAE技术建立塑件模型，针对注塑制品存在的缺陷（如填充不满、收缩、烧焦、毛刺、流痕、翘曲变形等），需要用CAE模拟优化，可以方便快捷地优化注塑材料、成型模具和工艺参数，提高制品质量、生产效率，以及降低生产成本。

CAD/CAE技术应用于汽车轻量化部件设计，首先依据典型的汽车零件。通常先测量实物得到典型零件具体尺寸，使用Pro/E，UG，CATIA等软件根据测量数据建立三维模型，利用有限元分析软件ANSYS和Pro/E之间的数据交换接口，直接将模型导入ANSYS，Ansys Workbench，Abaqus等软件，根据零件的实际工况设置约束和载荷进行有限元分析，根据分析结果可使用Ansys Workbench软件进一步优化设计。杨咸启等使用UG NX软件新建绘图界面，根据测量数据绘制UG NX草图。执行拉伸、孔、倒斜角、边倒圆等命令完成产品三维模型，然后进行零件模具设计。采用注射模具生产汽车轻量化零件，需要对凹模和凸模的结构进行设计。在对凹模的结构设计中，需要根据模具型腔的强度、刚度、耐磨性及抗疲劳性选取凹模材质，确定凹模形式以及型腔壁厚。对于凸模的结构设计，要确定模芯结构，并确定凹模与凸模的固定方式。零件仿真设计完成后，计算模具参数，包括注塑量计算、锁模力计算和注射压力及成型结构尺寸计算等。对于注塑量的计算，先点击UG三维模型中的计算体可以得到零件的体积，根据浇注系统凝料的总体积计算方法，选取适当估值，计算注塑成型机最大注射量。对于锁模力，根据UG软件计算的塑件在分型面上的投影面积，选取投影面积系数，依据锁模力的计算公式求取锁模力。注射压力和成型结构尺寸的计算可以使用常规公式求得。最后，选择注塑机和注塑材料，利用模具加工辅助系统提出合理的加工工艺进行零件的加工成型。通过对典型汽车零件的仿真设计可以缩短产品设计周期并提高设计效率。陆玲梅等在对汽车天窗滑轨塑件设计中，首先使用UG软件进行模具设计，然后运用Moldflow模流分析软件对汽车天窗滑轨进行预成型模拟。先将CAD模型导入Moldflow软件进行网格划分，即进行中层面网格、表面网格和实体网格的划分，再对网格进行诊断并修复。之后进行模块分析，包括填充分析、保压分析、冷却分析、翘曲分析等，以选取适宜的塑件材料，建立浇注系统和冷却系统，设置工艺参数，最后进行计算并分析可视化结果。根据分析结果进行原料更换、方案修改和工艺调整，以得到最佳的注塑成型制品。Moldflow软件模拟最佳工艺组合参数：保压压力为注射压力的99.53%，保压时间为13s，模具温度为64℃，熔体温度为265℃。

3 CAD/CAE技术在航空航天领域的应用

在航空航天领域，燃油成本约占航空总成本的26%。飞行器轻量化能有效降低燃料消耗，减少飞行器动力消耗。因此，可以使用工程塑料替代金属材料，还可以使用碳纤维增强塑料进一步减轻飞行器质量。但由于航空构件轻量化对于航空器高速飞行和空中姿态等安全性能有影响，在进行轻量化设计制造时需要进行严格仿真分析。

贾鹤在对航空机箱成型模具的研究中，使用UG软件完成航空机箱、电子模块、盖板等的三维建模，航空机箱长320mm，宽194mm，高120mm，厚2mm。按照零件相互关系建立航空机箱体成型模具的三维装配模型。以Parasolid的格式将装配模型导入到Ansys Workbench软件建立有限元模型。使用相同的网格划分、施加负载、分析时间以及边界条件对分别以碳纤维增强塑料和铝合金材料为原料制造的航空机箱进行力学分析，并对应力云图和总变形云图进行对比。结果表明，以铝合金为原料，箱体质量为820.6g，应力集中区域在箱体底部一端，应力最大值为1.117MPa，主要变形位置发生在箱体底部中心，最大变形量为0.001160 mm；以碳纤维增强塑料为原料，箱体质量为468.9g，较铝合金材质箱体质量减轻了42.86%，应力集中区域在箱体底部一端，应力最大值为1.092MPa，主要变形位置在箱体底部中心，最大变形量为0.000990mm。以碳纤维增强塑料为原料制造航空机箱，成型方式为铺叠挤压成型，即由多层碳纤维织布浸渍树脂，之后进行逐层铺叠，最终通过挤压成型。成型过程中要求机箱内部不能有气泡和空穴，不能有塌陷、凸起和角落堆叠。利用CAD自顶向下建立内模、外模及驱动装置，并用Ansys Workbench软件对成型模具进行应力应变分析，得出成型模具最大应力发生在外模上部，为40.693MPa，最大变形量为0.004148mm。最后使用UG软件对成型模具进行运动仿真，明确各零部件之间没有干涉情况。结果表明，使用碳纤维增强塑料替代铝合金制造航空机箱，各项性能没有明显改变，并且航空机箱质量减轻了42.86%。裴允嘉使用有限元分析方法对使用碳纤维制备的重载四旋翼无人机的传动系统进行了力学分析和装配体结构分析。该无人机采用燃油驱动，通过传动系统，带动4个变距涵道螺旋桨系统高效工作。使用三维制图软件（如CATIA，UG）对传动轴结构（包括传动轴中间轴结构、支臂外轴试验台、支臂内轴联轴器）进行设计建模，应用ANSYS软件对传动系统结构进行了有限元强度分析。首先在Ansys Workbench软件中，分别以-45°，45°，0°，90°纤维逐层铺设角度建立仿真模型并计算出受力情况最好的铺层方式。应用有限元软件ANSYS求解碳纤维传动轴承受扭矩载荷时的应力与扭转角度，并对碳纤维管扭转强度进行仿真分析，得出销孔位置所受应力最大为787.11MPa，传动轴受转矩载荷后，扭转角度为1.67°。在对碳纤维中间轴结构有限元分析中，选用碳纤维T700作为中间轴材料。使用CATIA三维建模软件进行轴结构设计及网格划分，并用Ansys Workbench软件中的MeshMetric工具进行网格质量检查。结果显示，中间传动轴装配结构受载情况下，最大应力点在中间传动轴上的销钉孔位置，为219.43MPa；大带轮受力后位移最大，变形量最大为2.35mm。对碳纤维支臂外壳部件的力学特性进行有限元分析，导入有限元模型并进行网格划分，使用Jacobian Ratio方法检查网格划分的质量。结果显示，支臂受拉载荷下，碳纤维外轴最大应力为138.44MPa，最大应力部位在接触边缘；快拆结构轴头最大应力为292.99MPa，最大应力部位在铆钉孔，齿轮箱轴头最大应力为186.88MPa。对内轴联轴器分析，金属联轴器使用铝合金材质，弹性模量7.1×104MPa，泊松比0.33；销钉采用钢材质，弹性模量2.0×105MPa，泊松比0.30；垫块使用聚乙烯材质，弹性模量1100MPa，泊松比0.42。有限元分析结果表明，联轴器所受最大应力为63.92MPa，最大变形量为0.12mm。联轴器垫块最大应力为13.35MPa，最大变形量为0.11mm。设计分析和优化结果表明，使用碳纤维材料制造无人机传动系统传动轴可以在满足强度基础上降低传动结构的质量，并可延长使用寿命。

4 结语

CAD/CAE技术广泛应用于塑件加工模具的设计和制造，可以保证塑件模具结构设计的可靠性和高效性，降低了生产成本，提高了产品的设计质量。

（互联网 作者：付饶 王炳乐 ）

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