塑料注射成型是最為有效的塑料加工方法之一才延，在工業(yè)部門(mén)中占有十分重要的地位惯吕。由于缺乏理論的有效指導(dǎo)腺劣，長(zhǎng)期以來(lái)模具工作者只能依據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單公式設(shè)計(jì)模具和制訂成型工藝倒庵。而在實(shí)際生產(chǎn)中褒墨，對(duì)于大型、復(fù)雜擎宝、精密模具貌亭，僅憑有限的經(jīng)驗(yàn)難以對(duì)多種影響因素

　　作綜合考慮和正確處理。傳統(tǒng)方法已無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代塑料工業(yè)蓬勃發(fā)展的需要认臊。

　　提高模具設(shè)計(jì)和制造水平的有效途徑是將CAD/CAE/CAM技術(shù)應(yīng)用于塑料注射成型領(lǐng)域圃庭。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)模具行業(yè)的一些先行者已陸續(xù)采用了塑料注射成型仿真軟件失晴。由于仿真結(jié)果能正確指導(dǎo)成型工藝剧腻、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、縮短試模和修模時(shí)間滑信、顯著提高塑料制品質(zhì)量占找，其重要性正逐漸被模具界所認(rèn)識(shí)。

　　塑料注射成型仿真屬于機(jī)械煞恭、力學(xué)络务、材料和計(jì)算機(jī)相交叉的前沿科學(xué)，由于塑料熔體的非牛頓性以及注射流動(dòng)過(guò)程的非穩(wěn)態(tài)井翅、非等溫性怠鲜，采用計(jì)算機(jī)模擬并優(yōu)化注射成型過(guò)程具有很大的難度，雖然國(guó)內(nèi)外研發(fā)部門(mén)很多霹链，但最終能形成商品化系統(tǒng)的仍屈指可數(shù)坦庸。

　　澳大利亞Moldflow仿真系統(tǒng)是國(guó)際知名品牌軟件，已在我國(guó)一些單位應(yīng)用厦绪，但由于其價(jià)格昂貴湃杏、無(wú)中文界面、缺乏國(guó)產(chǎn)塑料流變數(shù)據(jù)以及技術(shù)培訓(xùn)和支持等方面的原因逛镶，很難在國(guó)內(nèi)模具界大規(guī)模推廣應(yīng)用迄埃。長(zhǎng)期以來(lái)廣大模具工作者殷切期盼著我國(guó)能研制出可與Moldflow相媲美的國(guó)產(chǎn)商品化軟件疗韵，以便全面提升我國(guó)塑料模具工業(yè)的技術(shù)水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

　　華中科技大學(xué)塑性成型模擬及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從1985年開(kāi)始侄非，通過(guò)“七五”蕉汪、“八五”、“十五”國(guó)家重點(diǎn)攻關(guān)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持彩库，系統(tǒng)而深入地開(kāi)展了塑料注射成型仿真軟件系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)。從1989年推出的HSCAE 1.0版到2005年的6.10版先蒋，經(jīng)歷了從二維分析到三維分析骇钦，從實(shí)用化到商品化，從局部試點(diǎn)到大面積推廣應(yīng)用的進(jìn)程竞漾，成功研發(fā)出了具有中國(guó)特色眯搭、達(dá)到當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平的商品化塑料注塑成型集成化仿真系統(tǒng)HSCAE 6.10。

　　注塑集成化仿真系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

　　HSCAE 6.10是在Windows環(huán)境下采用面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)方法业岁、有限元和邊界元數(shù)值計(jì)算鳞仙、人工智能及OpenGL圖形平臺(tái)開(kāi)發(fā)的塑料注射成型過(guò)程集成化仿真系統(tǒng)，所有操作均集成在如圖1所示的圖形界面中笔时。

　　根據(jù)塑料注射成型工藝和模具設(shè)計(jì)的需求展松，系統(tǒng)目前具有如下功能：

　　（1） 直接采用塑料制品的三維幾何模型進(jìn)行仿真辨头，支持STL脂圾、UNV、INP曙早、DAT色矿、ANS、NAS邻冷、COS决癞、FNF、PAT妆跌、MFD等十種格式的文件榴廷，實(shí)現(xiàn)了與通用CAD/CAM系統(tǒng)的無(wú)縫集成。

　≈ふ恕（2） 能夠自動(dòng)劃分具有疏密控制的自適應(yīng)有限元分析網(wǎng)格辨蓄，并提供網(wǎng)格修訂工具，用于修復(fù)CAD模型的錯(cuò)誤和優(yōu)化有限元分析網(wǎng)格项茸，能夠提高網(wǎng)格質(zhì)量和分析結(jié)果精度祠乃。

　　（3） 提供開(kāi)放式的數(shù)據(jù)庫(kù)兑燥，包括塑料物理和流變參數(shù)亮瓷、注射機(jī)參數(shù)琴拧、標(biāo)準(zhǔn)模架及典型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等，還能為用戶測(cè)試所提供塑料的流變參數(shù)嘱支，創(chuàng)建企業(yè)專用的材料數(shù)據(jù)庫(kù)蚓胸。

　　（4） 提供創(chuàng)建模具澆注系統(tǒng)和冷卻管道的快捷設(shè)計(jì)功能除师，支持流道常用截面和復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沛膳。

　　（5） 能夠預(yù)測(cè)塑料熔體在充模保壓過(guò)程中的流前位置汛聚、融合紋與氣穴位置锹安、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)倚舀、剪切力場(chǎng)叹哭、剪切速率場(chǎng)、表面分子取向将囱、收縮指數(shù)恒欣、密度場(chǎng)、凝固層及鎖模力等參數(shù)挖榜；

　∷杞纭（6） 能夠預(yù)測(cè)制品和模具在冷卻過(guò)程中的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)分布、冷卻時(shí)間和溫差分布挣傻。

　÷瘛（7） 能夠預(yù)測(cè)制品出模時(shí)的應(yīng)力分布和翹曲變形程度。

　∮薜蕖（8） 提供塑料注射成型過(guò)程的可視化操作擦灸，動(dòng)態(tài)顯示注射機(jī)、模具和塑料熔體傳輸過(guò)程三位一體的協(xié)同工作過(guò)程垛淮。

　〖脸拧（9） 利用系統(tǒng)提供的實(shí)體流功能不僅可以模擬塑料熔體在制品上的流動(dòng)過(guò)程，而且能模擬熔體在模具型腔中的流動(dòng)根适，可以在制品任意截面上顯示流動(dòng)保壓的分析結(jié)果苞毡。

　　（10） 應(yīng)用人工智能技術(shù)继谚，優(yōu)化成型工藝烈菌、評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案及自動(dòng)生成多語(yǔ)言版本分析報(bào)告。

　　注塑集成化仿真系統(tǒng)技術(shù)特色

　　HSCAE 6.10在繼承和發(fā)揚(yáng)華塑CAE軟件操作簡(jiǎn)捷花履、分析準(zhǔn)確和顯示逼真等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步凸現(xiàn)出如下技術(shù)特色：

　⊙渴馈（1） 基于三維實(shí)體的動(dòng)態(tài)仿真

　　傳統(tǒng)的仿真軟件均基于制品的中心層模型，但在三維模型中提取中心層難度很大，是妨礙注射成型仿真軟件推廣應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題济瓢。HSCAE 6.10所提供的雙面流技術(shù)能直接在三維實(shí)體模型表面劃分網(wǎng)格荠割，通過(guò)網(wǎng)格配對(duì)和引入邊界控制保證對(duì)應(yīng)表面的協(xié)調(diào)處理，不僅能處理內(nèi)外對(duì)應(yīng)表面相似的制品旺矾，而且能適應(yīng)內(nèi)外對(duì)應(yīng)表面差異較大的制品蔑鹦。

　　應(yīng)該指出的是，雙面流技術(shù)只能在制品表面上顯示塑料熔體的流動(dòng)過(guò)程箕宙，而不能在模具型腔里面嚎朽。HSCAE 6.10在雙面流技術(shù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了實(shí)體流功能。與雙面流技術(shù)采用表面網(wǎng)格不同柬帕，實(shí)體流技術(shù)采用立體網(wǎng)格哟忍，可以更加逼真地演示熔體在透明模具型腔內(nèi)的流動(dòng)情形，而且用戶還能借助于剖切功能考察熔體在任意時(shí)刻邀耽、任意位置和任意壁厚處的流動(dòng)情形和有關(guān)數(shù)據(jù)穗蚌。

　【从（2） 冷卻分析中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的處理

　　現(xiàn)行冷卻分析軟件在處理噴流管平葡、冷隔板和螺旋管等復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)時(shí)，通常是采用一根或幾根等效截面的直圓管來(lái)近似處理零勃。簡(jiǎn)化之后的冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻水的流動(dòng)方式與實(shí)際情況出入很大宗而，計(jì)算機(jī)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。HSCAE 6.10針對(duì)各種常用冷卻結(jié)構(gòu)分別設(shè)計(jì)了各自的網(wǎng)格單元类菊，創(chuàng)新性地應(yīng)用混合邊界元法求解攻躏。實(shí)踐證明，HSCAE 6.10所提供的冷卻分析模塊具有覆蓋面廣玩捉、求解速度快跃唧、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確等顯著優(yōu)點(diǎn)。

　〈恃纭（3） 基于雙面流技術(shù)的應(yīng)力和翹曲分析

　　根據(jù)澆口凝固效應(yīng)和保壓壓力與溫度分布的分析結(jié)果令怎，應(yīng)力和翹曲分析模塊計(jì)算制品在壁厚和平面方向上應(yīng)力隨時(shí)間的變化以及制品在脫模時(shí)刻沿著壁厚方向的收縮〉腹福基于雙面流技術(shù)采用一種特殊的雙層殼體單元預(yù)測(cè)制品脫模時(shí)刻的翹曲變形慷吊。由于該方法借助于表面網(wǎng)格單元在厚度方向上的耦合約束進(jìn)行分析，所以能夠直接應(yīng)用雙面流的表面網(wǎng)格單元曹抬，用戶無(wú)需增加工作量溉瓶。其計(jì)算精度與傳統(tǒng)的中面流技術(shù)采用單層殼體時(shí)的計(jì)算精度相當(dāng)。

　“瘛（4） 數(shù)值計(jì)算和人工智能技術(shù)的結(jié)合

　　傳統(tǒng)的CAE軟件基本上都是被動(dòng)式的計(jì)算工具堰酿。分析前需要用戶先設(shè)計(jì)成型方案和工藝參數(shù)，分析后常常不知如何運(yùn)用分析結(jié)果去指導(dǎo)生產(chǎn)。這在一定的程度上影響了CAE軟件的推廣和普及胞锰。為了發(fā)揮CAE軟件的更大作用灾锯，HSCAE 6.10成功地引入了人工智能技術(shù)。在仿真系統(tǒng)中嗅榕，對(duì)于注射時(shí)間顺饮、注射溫度等具有連續(xù)取值空間的參數(shù)，采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行優(yōu)化凌那，對(duì)于分析結(jié)果的解釋和評(píng)價(jià)則采用基于規(guī)則推理的方法來(lái)處理沿阁。例如HSCAE 6.10所建立的專家系統(tǒng)規(guī)則庫(kù)便是以專家知識(shí)為基礎(chǔ)，涵蓋了有關(guān)短射董记、流動(dòng)平衡铆贞、熔體降解、溫差控制檀塌、保壓時(shí)間伶摩、許可剪切應(yīng)力、剪切速率和鎖模力等方面的知識(shí)前河，在對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行綜合和提煉的基礎(chǔ)上昂幕，驅(qū)動(dòng)專家系統(tǒng)進(jìn)行推理，對(duì)成型方案進(jìn)行評(píng)價(jià)并在分析報(bào)告中輸出具體的改進(jìn)建議框嫁。

　　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用

　　華塑CAE軟件的流動(dòng)和保壓分析結(jié)果曾經(jīng)歷兩次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證庶化。1996年的方杯試驗(yàn)?zāi)＞邷y(cè)試表明，流動(dòng)分析結(jié)果最大相對(duì)誤差為13.2％形炬，保壓誤差為8％迹姆，均在15％的工程允許誤差之內(nèi)。2000年條料試驗(yàn)?zāi)＞邷y(cè)試表明亏吝，流動(dòng)誤差為5％岭埠，保壓誤差為5.5％，達(dá)到了平均誤差在10％以內(nèi)的世界先進(jìn)水平蔚鸥。

　　2000年條料試驗(yàn)時(shí)壓力對(duì)比情況惜论。試驗(yàn)用注射機(jī)為震雄CJ150M2-NC，模具型腔尺寸為200mm×40mm株茶，采用三個(gè)壓力傳感器来涨，塑料材料為燕山石化的HDPE，設(shè)置了三組成型條件以觀察工藝條件對(duì)成型過(guò)程的影響启盛。從圖中可以看出蹦掐，實(shí)驗(yàn)值與模擬值吻合情況良好。

　　華塑CAE軟件目前已在國(guó)內(nèi)外80多家企業(yè)中推廣應(yīng)用僵闯，并分別為青島海爾模具公司和廣東科龍模具公司測(cè)試并建立了專用材料數(shù)據(jù)庫(kù)卧抗。十余年來(lái)，華塑CAE軟件在推廣應(yīng)用中取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，獲得了2002年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)并被評(píng)為當(dāng)年我國(guó)機(jī)械工業(yè)五大重要成就之一社裆。

　　例如青島海爾美高美彩電前殼模具的初始方案包括4個(gè)一級(jí)分流道和6個(gè)二級(jí)分流道拙绊，充模時(shí)間為7s，注射溫度為250℃谈毫，制品材料為ABS哟俩。用華塑CAE軟件分析后發(fā)現(xiàn)充模不平衡，制品上部與兩側(cè)比下部明顯先充填鹤鲤『智恚考慮到初始方案分析所預(yù)測(cè)的注射壓力不是很高（55MPa），故將流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改為圖3b所示枷辫，兩側(cè)澆口各減少一個(gè)涤瘸，并將充模時(shí)間縮短為2.8s，再用華塑CAE軟件分析表明充填平衡性良好笔房，注射壓力變化并不大（57MPa）延砾。青島海爾模具公司采用此方案進(jìn)行模具設(shè)計(jì)加工，取得了很好的效果学虑。

　　又如廣東科龍公司冰箱抽屜制品段辈，在未采用華塑CAE軟件分析之前，常在制品正面出現(xiàn)明顯融合紋没惶，底部澆口處常有彩虹紋肖喂，透明度不夠簇抵。隨后在華塑CAE軟件的指導(dǎo)下庆杜，通過(guò)改進(jìn)澆口位置、調(diào)整制品某些部位的壁厚碟摆、優(yōu)化注射溫度晃财，成功地消除了成型缺陷，使冰箱抽屜產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高典蜕。

　　綜上所述断盛，華塑注射成型集成化仿真系統(tǒng)HSCAE 6.10是塑料制品設(shè)計(jì)、模具優(yōu)化和工程師培訓(xùn)的理想工具愉舔。我們相信钢猛，HsCAE 6.10在推廣普及中將為我國(guó)塑料模具工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步作出更大的貢獻(xiàn)。

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