汽車輕量化、環(huán)?；l(fā)展的需求，使得越來越多的塑料類產(chǎn)品應(yīng)用到汽車上。同時，在推出的各種新車型上，更換最為頻繁也是塑料材質(zhì)的汽車內(nèi)飾件、外飾件。在實際生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的注塑方法主要是依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗設(shè)計模具，通常需要反復(fù)進行試模和修改工藝參數(shù)，生產(chǎn)成本高且產(chǎn)品開發(fā)周期長。隨著汽車工業(yè)對塑料模具的需求越來越大，傳統(tǒng)方法已無法滿足生產(chǎn)需求，隨之CAE技術(shù)逐漸成為主流。
使用CAE軟件可以在計算機上模擬出注塑成型過程，從而在模具制造和實際投入生產(chǎn)之前應(yīng)用模擬結(jié)果對模具設(shè)計、工藝參數(shù)及材料做出相應(yīng)地改進和修正，輔助優(yōu)化模具設(shè)計、工藝參數(shù)和優(yōu)選材料。
注塑模CAE軟件介紹
注塑模CAE軟件是根據(jù)塑料加工流變學(xué)、傳熱學(xué)和數(shù)值計算方法的基本理論，建立塑料熔體在模具型腔中流動、傳熱的物理數(shù)學(xué)模型，利用計算機圖形學(xué)技術(shù)在計算機屏幕上形象、直觀地模擬出實際成型中熔體在型腔中的動態(tài)充填過程、保壓過程和冷卻過程，定量地給出成型過程的狀態(tài)參數(shù)。
塑料制品的許多缺陷都與樹脂在模具中的流動方式有關(guān)，MPI（MoldFlow Plastics Insight注塑成型模擬分析，簡稱“MPI”）通過數(shù)值分析，可以對充填過程進行模擬、預(yù)測和顯示熔體流動前沿的推進方式、充填過程的壓力和溫度變化、氣穴和熔接痕的位置等，幫助工藝人員在試模前對可能出現(xiàn)的缺陷進行預(yù)測，找出缺陷產(chǎn)生的原因并加以改進，提高一次試模的成功率。
充填過程的數(shù)值分析
聚合物熔體在模具型腔中的流動是非牛頓不可壓縮流體的具有自由面的非等溫瞬態(tài)Laminar流動。利用廣義的Hele－Shaw流動模型，熔體在型腔內(nèi)流動的控制方程為：
其中，μ、ν分別是x、y方向的速度分量；P、Cp、T、ρ、η、κ、y分別為壓力、定壓比熱容、溫度、密度、粘度、熱傳導(dǎo)系數(shù)和剪切速率?？紤]到熔體的剪切變稀行為和冷卻效應(yīng)，采用與溫度、剪切速率和壓力有關(guān)的修正Cross－WLF粘度模型。
控制方程的求解主要包括三個部分：壓力場、溫度場和流動前沿位置的自動更新。沿用FEM/FDM/CVM的基本思想，型腔內(nèi)的壓力場采用有限元法求解，通過對時間和厚度方向的差分求解溫度場，并根據(jù)節(jié)點控制體積的充填狀態(tài)更新流動前沿，從而實現(xiàn)了充填過程的動態(tài)模擬。
MPI流動分析應(yīng)用實例
1. 模型輸入及其網(wǎng)格劃分
制件名稱為汽車螺栓塑料防護帽，1模6腔，左右各3個，均成對稱排列，因此只取其一進行充填過程的模擬。汽車螺栓塑料防護帽的幾何模型及有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示。
圖1 幾何模型及有限元網(wǎng)格
2. 設(shè)定成型條件：熱塑性塑料注射成型。
3. 設(shè)定分析序列：充填。
4. 選擇材料：聚丙烯（PP）。
5. 設(shè)定注射位置：設(shè)置一個澆口，其分布位置如圖2所示。
圖2 澆口數(shù)量及其位置
6. 成型條件設(shè)置： 熔體溫度220℃，型腔溫度50℃，注射時間為6s。
7. 充填過程模擬結(jié)果
充填過程的模擬可得到填充時間、填充壓力、熔體前沿的溫度、熔體溫度在制件厚度方向的分布、熔體的流動速度、分子趨向、剪切速率及剪切應(yīng)力、氣穴及熔接痕位置等，并直觀地顯示在計算機屏幕上。圖3是充填過程得到的部分模擬結(jié)果。
圖3 充填過程得到的部分模擬結(jié)果
從以上模擬結(jié)果可以直觀地顯示出影響產(chǎn)品質(zhì)量和外觀的諸類因素，如產(chǎn)品的表面分子取向、剪切應(yīng)力和氣穴的位置等。另外，我們都是以穩(wěn)定的注射速率為依據(jù)進行流動模擬的，這就造成熔體前沿部分的流動速度急劇變化。熔體前沿流動速度的變化所造成的分子取向不均勻是制品產(chǎn)生翹曲變形的原因之一。因此，模擬結(jié)果還給出了優(yōu)化以后的注射速率。
結(jié)束語
MPI通過對充填過程的模擬，幫助技術(shù)人員在試模前對可能出現(xiàn)的缺陷進行預(yù)測，找出消除缺陷的對策。借助于計算機，自動繪圖代替了人工繪圖，自動檢索代替了手冊查閱，快速分析代替了手工計算，模具設(shè)計師能從繁瑣的繪圖和計算中解放出來，集中精力從事諸如方案構(gòu)思和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等創(chuàng)造性的工作，在模具投產(chǎn)之前，CAE軟件可以預(yù)測模具結(jié)構(gòu)有關(guān)參數(shù)的正確性。例如，可以采用流動模擬軟件來考察熔體在模腔內(nèi)的流動過程，以此來改進澆注系統(tǒng)的設(shè)計，提高試模的一次成功率；可以用保壓和冷卻分析軟件來考察熔體的凝固和模溫的變化，以此來改進冷卻系統(tǒng)，調(diào)整成型工藝參數(shù)，提高制件質(zhì)量和生產(chǎn)效率；還可以采用應(yīng)力分析軟件來預(yù)測塑件出模后的變形和翹曲。模腔的幾何數(shù)據(jù)能相互地轉(zhuǎn)換為曲面的機床刀具加工軌跡，這樣可省去木模或樹酯模的制作工序，提高型腔和型芯表面的加工精度和效率。當(dāng)今的概念設(shè)計已不僅僅是停留在對外觀和結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，它已經(jīng)擴展到對模具結(jié)構(gòu)分析的領(lǐng)域。
對于運用CAD技術(shù)已經(jīng)設(shè)計出的塑料模具可運用先進的CAE軟件（尤其是有限元軟件）對其進行強度、剛度、抗沖擊實驗?zāi)M、跌落實驗?zāi)M、散熱能力、疲勞和蠕變等分析。通過這些分析，可以檢驗前面的概念性結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，分析出結(jié)構(gòu)不合理的原因和部位，然后在CAD 軟件中進行相應(yīng)的修改。接著再在CAE 中進行各種性能的檢測，最終確定滿足要求的模具結(jié)構(gòu)。
通過CAE軟件的分析不僅大大減少了設(shè)計師的工作量，縮短了模具制作周期，提高了工作效率，而且可以優(yōu)化、修正產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，使設(shè)計師把更多的精力用在新產(chǎn)品的開發(fā)及創(chuàng)新上。
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