計算機輔助設(shè)計(CAD)/計算機輔助工程(CAE)技術(shù)在塑料制品的設(shè)計制造中發(fā)揮著重要作用。利用CAD設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)孕荠，形成三維數(shù)字模型痹升，再使用CAE計算分析機械結(jié)構(gòu)，評價CAE計算結(jié)果典蜕。CAE是將工程問題模型化并運用數(shù)值計算對模型進行仿真分析的軟件系統(tǒng)断盛。常用的模具CAD/CAE軟件有Pro/E，UG愉舔，Moldflow钢猛，Solidworks，CATIA轩缤，ANSYS等命迈。Pro/E軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司于1988年開發(fā)的，主要功能和特點是參數(shù)化設(shè)計以及基于特征建模的具有單一數(shù)據(jù)庫功能的實體模型化系統(tǒng)火的，可用于模具設(shè)計和機械制造壶愤。UG軟件是西門子產(chǎn)品生命周期管理軟件公司的產(chǎn)品工程解決方案，可用于工藝設(shè)計和產(chǎn)品設(shè)計的仿真確認和優(yōu)化卫玖，應(yīng)用于航空器真葱、汽車制造及模具設(shè)計等領(lǐng)域。MoldFlow軟件是澳大利亞Moldflow公司的產(chǎn)品辐胆，可以驗證和優(yōu)化塑料模具和注塑成型流程讨砍。Solidworks軟件是基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，用于工業(yè)設(shè)計與機械設(shè)計等領(lǐng)域卸研。CATIA軟件是法國達索公司開發(fā)的佩讨，CATIA系列產(chǎn)品可為汽車、航空航天多盅、船舶制造把毒、鋼構(gòu)廠房設(shè)計、建筑勤右、電子電力徽捶、通用機械制造等領(lǐng)域提供三維設(shè)計和模擬解決方案。ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件虫甲，能與多數(shù)CAD軟件接口淡箱，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換塌瑞，在眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

借助CAD/CAE技術(shù)對注塑模具設(shè)計蛔六，首先要建立產(chǎn)品三維模型荆永，在此基礎(chǔ)上進行塑件分析，通過對模具的設(shè)計分析和可行性分析国章，初步設(shè)計出模具的結(jié)構(gòu)具钥，通過對模具進行充填分析、流動分析液兽、冷卻分析和翹曲分析骂删，對模具結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計進行完善和優(yōu)化，從而完成模具結(jié)構(gòu)概念化抵碟，之后進入詳細設(shè)計階段桃漾。在概念化模具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進行型芯型腔的設(shè)計以及成型零部件的設(shè)計拟逮，對澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)适滓、側(cè)向抽芯以及頂出機構(gòu)的設(shè)計敦迄。通過充填分析、流動分析番恭、冷卻分析奖岛、翹曲分析優(yōu)化注塑模具的詳細設(shè)計，最后可調(diào)用模架和模具標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫進行裝配設(shè)計坠诈。本文主要綜述了CAD/CAE技術(shù)在普通塑料制品制造淑储、汽車輕量化以及航天航空等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 CAD/CAE技術(shù)在普通塑料制品制造領(lǐng)域的應(yīng)用

CAD/CAE技術(shù)廣泛用于普通塑料制品的設(shè)計制造扯氯。周天元選取聚碳酸酯（PC）與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）合金作為筆記本電腦后蓋的原料俏堆，使用Pro/E軟件對產(chǎn)品的平均厚度、拔模角度以及分型面等進行三維結(jié)構(gòu)分析烟内，并對塑膠模具的模仁部分進行三維分模篡呆，獲得模具的型腔尺寸。使用Moldflow軟件的MPI功能模塊以及模流分析對注塑過程進行模擬面旋，采用系統(tǒng)推薦的成型參數(shù)模擬填充摇龟、保壓、冷卻等過程吟沮，找出最佳注塑成型澆口遮乾，得出最佳參數(shù)：注塑時間為1.8s、保壓時間為8.0s刹勃、冷卻時間為19.0s堪侯、熔體溫度為256℃牵祟、模具溫度為80℃，制品的總翹曲變形量為0.8644mm抖格，確定了影響翹曲變形的工藝參數(shù)從大到小依次為注塑時間诺苹、熔體溫度、冷卻時間雹拄、保壓時間收奔、模具溫度。研究表明滓玖，利用CAD/CAE技術(shù)對塑膠模具進行設(shè)計坪哄，并模擬成型工藝可以提升實際成型產(chǎn)品的質(zhì)量以及注塑成型效率，降低后續(xù)注塑成型過程中模具試模势篡、修模的次數(shù)翩肌。王健使用PC與ABS合金制作手機外殼。首先使用Pro/E軟件中的零件模塊禁悠，經(jīng)過拉伸念祭、鏡像、抽殼撤筐、復(fù)制裙系、倒圓角等特征命令創(chuàng)建手機外殼實體模型。利用ANSYS軟件進行靜力學(xué)分析午伍，對手機外殼模型進行改進眼膊，通過增設(shè)加強筋、增加厚度和采用圓角過渡傲轮，以避免在表面區(qū)域出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象舆鸿。再利用Pro/E?Plastics軟件，選取澆口位置百膳、充模時間和注塑壓力進行塑件模流仿真分析翰发，得到澆口位置選取在側(cè)面點，充模時間0.56s侥镀，最大進口壓力57.47MPa协超。再使用Pro/E軟件對手機殼進行模具設(shè)計分析』士桑基于Pro/E軟件對“裙邊曲面”功能的模具進行分型面選擇雕什，澆注過程采用一模兩腔平衡進料。在成型零件設(shè)計显晶、優(yōu)化過程中贷岸，結(jié)合選擇的分型面，自動生成凹模和凸模，對其進行虛擬裝配偿警。選擇模架及零部件并將手機殼模具和模架裝配進行開模仿真操作實驗躏救，最終設(shè)計出符合標(biāo)準(zhǔn)要求的手機外殼模架。

2 CAD/CAE技術(shù)在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用

汽車輕量化技術(shù)可以降低汽車油耗螟蒸、減少汽車尾氣排放盒使。汽車輕量化的主要目標(biāo)是實現(xiàn)車身輕量化以及零件輕量化，可以通過采用輕量化材料以及車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來實現(xiàn)七嫌。使用輕量化材料（如工程塑料以及碳纖維復(fù)合材料）代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料廣泛應(yīng)用于汽車隔音板少办、前端支架、車身底架诵原、傳動軸和輪轂等部件的制造英妓。汽車輕量化工程塑料主要有聚丙烯、聚乙烯狠寒、聚酰胺呈篱、聚氨酯等，通常采用注塑工藝伐狼。在塑料制品量產(chǎn)前臣塑，可以采用CAD/CAE技術(shù)建立塑件模型，針對注塑制品存在的缺陷（如填充不滿疟骤、收縮药阔、燒焦、毛刺陨梅、流痕、翹曲變形等）杖扫，需要用CAE模擬優(yōu)化押强，可以方便快捷地優(yōu)化注塑材料、成型模具和工藝參數(shù)煎喘，提高制品質(zhì)量溜棉、生產(chǎn)效率，以及降低生產(chǎn)成本卫漫。

CAD/CAE技術(shù)應(yīng)用于汽車輕量化部件設(shè)計菲饼，首先依據(jù)典型的汽車零件。通常先測量實物得到典型零件具體尺寸列赎，使用Pro/E宏悦，UG，CATIA等軟件根據(jù)測量數(shù)據(jù)建立三維模型包吝，利用有限元分析軟件ANSYS和Pro/E之間的數(shù)據(jù)交換接口饼煞，直接將模型導(dǎo)入ANSYS，Ansys?Workbench，Abaqus等軟件砖瞧，根據(jù)零件的實際工況設(shè)置約束和載荷進行有限元分析息堂，根據(jù)分析結(jié)果可使用Ansys?Workbench軟件進一步優(yōu)化設(shè)計。楊咸啟等使用UG?NX軟件新建繪圖界面块促，根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制UG?NX草圖荣堰。執(zhí)行拉伸、孔竭翠、倒斜角振坚、邊倒圓等命令完成產(chǎn)品三維模型，然后進行零件模具設(shè)計粟五。采用注射模具生產(chǎn)汽車輕量化零件腕浴，需要對凹模和凸模的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。在對凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計中条焙，需要根據(jù)模具型腔的強度阅六、剛度、耐磨性及抗疲勞性選取凹模材質(zhì)漂熙，確定凹模形式以及型腔壁厚芒单。對于凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計，要確定模芯結(jié)構(gòu)袖况，并確定凹模與凸模的固定方式抗躺。零件仿真設(shè)計完成后，計算模具參數(shù)抢驴，包括注塑量計算蛀篓、鎖模力計算和注射壓力及成型結(jié)構(gòu)尺寸計算等。對于注塑量的計算做身，先點擊UG三維模型中的計算體可以得到零件的體積丸爵，根據(jù)澆注系統(tǒng)凝料的總體積計算方法，選取適當(dāng)估值汁咏，計算注塑成型機最大注射量亚斋。對于鎖模力，根據(jù)UG軟件計算的塑件在分型面上的投影面積攘滩，選取投影面積系數(shù)帅刊，依據(jù)鎖模力的計算公式求取鎖模力。注射壓力和成型結(jié)構(gòu)尺寸的計算可以使用常規(guī)公式求得漂问。最后赖瞒，選擇注塑機和注塑材料，利用模具加工輔助系統(tǒng)提出合理的加工工藝進行零件的加工成型级解。通過對典型汽車零件的仿真設(shè)計可以縮短產(chǎn)品設(shè)計周期并提高設(shè)計效率冒黑。陸玲梅等在對汽車天窗滑軌塑件設(shè)計中田绑，首先使用UG軟件進行模具設(shè)計，然后運用Moldflow模流分析軟件對汽車天窗滑軌進行預(yù)成型模擬抡爹。先將CAD模型導(dǎo)入Moldflow軟件進行網(wǎng)格劃分掩驱，即進行中層面網(wǎng)格、表面網(wǎng)格和實體網(wǎng)格的劃分冬竟，再對網(wǎng)格進行診斷并修復(fù)欧穴。之后進行模塊分析，包括填充分析悟津、保壓分析山椎、冷卻分析、翹曲分析等宗瓢，以選取適宜的塑件材料徒妒，建立澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，設(shè)置工藝參數(shù)旷厨，最后進行計算并分析可視化結(jié)果乘恩。根據(jù)分析結(jié)果進行原料更換、方案修改和工藝調(diào)整腋意，以得到最佳的注塑成型制品容蕉。Moldflow軟件模擬最佳工藝組合參數(shù)：保壓壓力為注射壓力的99.53%，保壓時間為13s往软，模具溫度為64℃亩当，熔體溫度為265℃。

3 CAD/CAE技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域哟蝉，燃油成本約占航空總成本的26%蜓耻。飛行器輕量化能有效降低燃料消耗，減少飛行器動力消耗械巡。因此媒熊，可以使用工程塑料替代金屬材料，還可以使用碳纖維增強塑料進一步減輕飛行器質(zhì)量坟比。但由于航空構(gòu)件輕量化對于航空器高速飛行和空中姿態(tài)等安全性能有影響，在進行輕量化設(shè)計制造時需要進行嚴(yán)格仿真分析嚷往。

賈鶴在對航空機箱成型模具的研究中葛账，使用UG軟件完成航空機箱、電子模塊皮仁、蓋板等的三維建模籍琳，航空機箱長320mm，寬194mm贷祈，高120mm趋急，厚2mm。按照零件相互關(guān)系建立航空機箱體成型模具的三維裝配模型。以Parasolid的格式將裝配模型導(dǎo)入到Ansys?Workbench軟件建立有限元模型呜达。使用相同的網(wǎng)格劃分姚垂、施加負載、分析時間以及邊界條件對分別以碳纖維增強塑料和鋁合金材料為原料制造的航空機箱進行力學(xué)分析槽脑，并對應(yīng)力云圖和總變形云圖進行對比障氛。結(jié)果表明，以鋁合金為原料煌摊，箱體質(zhì)量為820.6g衫沽，應(yīng)力集中區(qū)域在箱體底部一端，應(yīng)力最大值為1.117MPa资杆，主要變形位置發(fā)生在箱體底部中心酒吠，最大變形量為0.001160?mm；以碳纖維增強塑料為原料课陪，箱體質(zhì)量為468.9g唇佳，較鋁合金材質(zhì)箱體質(zhì)量減輕了42.86%，應(yīng)力集中區(qū)域在箱體底部一端莫彩，應(yīng)力最大值為1.092MPa鬼胸，主要變形位置在箱體底部中心，最大變形量為0.000990mm琼牧。以碳纖維增強塑料為原料制造航空機箱恢筝，成型方式為鋪疊擠壓成型，即由多層碳纖維織布浸漬樹脂巨坊，之后進行逐層鋪疊撬槽，最終通過擠壓成型。成型過程中要求機箱內(nèi)部不能有氣泡和空穴趾撵，不能有塌陷侄柔、凸起和角落堆疊。利用CAD自頂向下建立內(nèi)模占调、外模及驅(qū)動裝置暂题，并用Ansys?Workbench軟件對成型模具進行應(yīng)力應(yīng)變分析，得出成型模具最大應(yīng)力發(fā)生在外模上部究珊，為40.693MPa薪者，最大變形量為0.004148mm。最后使用UG軟件對成型模具進行運動仿真剿涮，明確各零部件之間沒有干涉情況言津。結(jié)果表明，使用碳纖維增強塑料替代鋁合金制造航空機箱取试，各項性能沒有明顯改變署氏，并且航空機箱質(zhì)量減輕了42.86%腋殃。裴允嘉使用有限元分析方法對使用碳纖維制備的重載四旋翼無人機的傳動系統(tǒng)進行了力學(xué)分析和裝配體結(jié)構(gòu)分析。該無人機采用燃油驅(qū)動晓够，通過傳動系統(tǒng)燕党，帶動4個變距涵道螺旋槳系統(tǒng)高效工作。使用三維制圖軟件（如CATIA移卢，UG）對傳動軸結(jié)構(gòu)（包括傳動軸中間軸結(jié)構(gòu)蜕裳、支臂外軸試驗臺、支臂內(nèi)軸聯(lián)軸器）進行設(shè)計建模涩凑，應(yīng)用ANSYS軟件對傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了有限元強度分析呈锣。首先在Ansys?Workbench軟件中，分別以-45°宜掏，45°秒准，0°，90°纖維逐層鋪設(shè)角度建立仿真模型并計算出受力情況最好的鋪層方式惹虏。應(yīng)用有限元軟件ANSYS求解碳纖維傳動軸承受扭矩載荷時的應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)角度供役，并對碳纖維管扭轉(zhuǎn)強度進行仿真分析，得出銷孔位置所受應(yīng)力最大為787.11MPa精置，傳動軸受轉(zhuǎn)矩載荷后计寇，扭轉(zhuǎn)角度為1.67°。在對碳纖維中間軸結(jié)構(gòu)有限元分析中脂倦，選用碳纖維T700作為中間軸材料番宁。使用CATIA三維建模軟件進行軸結(jié)構(gòu)設(shè)計及網(wǎng)格劃分，并用Ansys?Workbench軟件中的MeshMetric工具進行網(wǎng)格質(zhì)量檢查赖阻。結(jié)果顯示蝶押，中間傳動軸裝配結(jié)構(gòu)受載情況下，最大應(yīng)力點在中間傳動軸上的銷釘孔位置火欧，為219.43MPa棋电；大帶輪受力后位移最大，變形量最大為2.35mm苇侵。對碳纖維支臂外殼部件的力學(xué)特性進行有限元分析赶盔，導(dǎo)入有限元模型并進行網(wǎng)格劃分，使用Jacobian?Ratio方法檢查網(wǎng)格劃分的質(zhì)量榆浓。結(jié)果顯示招刨，支臂受拉載荷下，碳纖維外軸最大應(yīng)力為138.44MPa倾氮，最大應(yīng)力部位在接觸邊緣；快拆結(jié)構(gòu)軸頭最大應(yīng)力為292.99MPa永韭，最大應(yīng)力部位在鉚釘孔英甜，齒輪箱軸頭最大應(yīng)力為186.88MPa卡撤。對內(nèi)軸聯(lián)軸器分析，金屬聯(lián)軸器使用鋁合金材質(zhì)埃灿，彈性模量7.1×104MPa企亮，泊松比0.33；銷釘采用鋼材質(zhì)绝开，彈性模量2.0×105MPa讶里，泊松比0.30；墊塊使用聚乙烯材質(zhì)剑督，彈性模量1100MPa谆精，泊松比0.42。有限元分析結(jié)果表明菠食，聯(lián)軸器所受最大應(yīng)力為63.92MPa浮笔，最大變形量為0.12mm。聯(lián)軸器墊塊最大應(yīng)力為13.35MPa瓣铣，最大變形量為0.11mm答朋。設(shè)計分析和優(yōu)化結(jié)果表明，使用碳纖維材料制造無人機傳動系統(tǒng)傳動軸可以在滿足強度基礎(chǔ)上降低傳動結(jié)構(gòu)的質(zhì)量棠笑，并可延長使用壽命梦碗。

4 結(jié)語

CAD/CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用于塑件加工模具的設(shè)計和制造，可以保證塑件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性和高效性蓖救，降低了生產(chǎn)成本洪规，提高了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。

（互聯(lián)網(wǎng) 作者：付饒 王炳樂 ）

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