三维注塑成形模拟系统的研究和应用一、发展概况和应用背景塑料工业近20年来发展十分迅速，早在7年前塑料的年产量按体积计算已经超过钢铁和有色金属年产量的总和，塑料制品在汽车、机电、仪表、航天航空等国家支柱产业及与人民日常生活相关的各个领域中得到了广泛的应用。

塑料制品成形的方法虽然很多，但最主要的方法是注塑成形，世界塑料成形模具产量中约半数以上是注塑模具。

随着塑料制品复杂程度和精度要求的提高以及生产周期的缩短，主要依靠经验的传统模具设计方法已不能适应市场的要求，在大型复杂和小型精密注射模具方面我国还需要从国外进口模具。

二、关键技术和实用功能1．用三维实体模型取代中心层模型传统的注塑成形仿真软件基于制品的中心层模型。

用户首先要将薄壁塑料制品抽象成近似的平面和曲面，这些面被称为中心层。

在这些中心层上生成二维平面三角网格，利用这些二维平面三角网格进行有限元计算，并将最终的分析结果在中面上显示。

而注塑产品模型多采用三维实体模型，由于两者模型的不一致，二次建模不可避免。

但由于注塑产品的形状复杂多样、千变万化，从三维实体中抽象出中心层面是一件十分困难的工作，提取过程非常繁琐费时，因此设计人员对仿真软件有畏难情绪，这已成为注塑成形仿真软件推广应用的瓶颈。

HSCAE 3D主要是接受三维实体/表面模型的STL文件格式。

现在主流的CAD/CAM系统，如UG、Pro/ENGINEER、CATIA和SolidWorks等，均可输出质量较高的STL格式文件。

这就是说，用户可借助任何商品化的CAD/CAE 系统生成所需制品的三维几何模型的STL格式文件，HSCAE 3D可以自动将该STL文件转化为有限元网格模型，通过表面配对和引入新的边界条件保证对应表面的协调流动，实现基于三维实体模型的分析，并显示三维分析结果，免去了中心层模拟技术中先抽象出中心层，再生成网格这一复杂步骤，突破了仿真系统推广应用的瓶颈，大大减轻了用户建模的负担，降低了对用户的技术要求，对用户的培训时间也由过去的数周缩短为几小时。

图1为基于中心层模型和基于三维实体/表面模型流动分析模拟情况对比图。

图1（a）中模型分别表示为产品模型→中心层→有限元网格→流动显示。

图1（b）中模型分别表示为产品模型→有限元网格→流动显示。

图1 基于中心层模型和基于三维实体/表面模型流动分析模拟情况对比2．有限元、有限差分、控制体积方法的综合运用注塑制品都是薄壁制品，制品厚度方向的尺寸远小于其他两个方向的尺寸，温度等物理量在厚度方向的变化又非常大，若采用单纯的有限元或有限差分方法势必造成分析时间过长，无法满足模具设计与制造的实际需要。

我们在流动平面采用有限元法，厚度方向采用有限差分法，分别建立与流动平面和厚度方向尺寸相适应的网格并进行耦合求解，在保证计算精度的前提下使得计算速度满足工程的需要，并采用控制体积法解决了成形中的移动边界问题。

对于内外对应表面存在差异的制品，可划分为两部分体积，并各自形成控制方程，通过在交接处进行插值对比保证这两部分的协调。

3．数值计算与人工智能技术的结合优选注塑成形工艺参数一直是广大模具设计人员关注的问题，传统的CAE软件虽然可以在计算机上仿真出指定工艺条件下的注塑成形情况，但无法自动对工艺参数进行优化。

CAE软件使用人员必须设置不同的工艺条件进行多次CAE分析，并结合实际经验在各方案之间进行比较，才能得出较满意的工艺方案。

同时，在对零件进行CAE分析后，系统会产生有关该方案的大量信息(制品、工艺条件、分析结果等)，其中分析结果往往以各种数据场的形式出现，要求用户必须具备分析和理解CAE分析结果的能力，所以传统的CAE 软件是一种被动式的计算工具，无法提供给用户直观、有效的工程化结论，对软件使用者的要求过高，影响了CAE系统在更大范围内的应用和普及。

针对以上不足，HSCAE 3D软件在原有CAE系统准确的计算功能基础上，把知识工程技术引入系统的开发中，利用人工智能所具有的思维和推理能力，代替用户完成大量信息的分析和处理工作，直接提供具有指导意义的工艺结论和建议，有效解决了CAE系统的复杂性与用户使用要求的简单性之间的矛盾，缩短了CAE系统与用户之间的距离，将仿真软件由传统的“被动式”计算工具提升为“主动式”优化系统。

HSCAE 3D系统主要将人工智能技术应用于初始工艺方案设计、CAE分析结果的解释和评价、分析方案的改进与优化3个方面，其结构框图见图2。

图2 基于知识的仿真系统结构框图在基于知识的仿真系统中主要采用的优化方法:(1) 基于实例推理的优化。

主要应用于具有离散取值空间的成形工艺初始设计。

制品形状和浇注系统结构采用编码方式，而尺寸信息采用特征参数描述。

在对以往成功工艺设计的收集和抽象的基础上，建立以框架形式描述的实例库索引和检索机制。

(2) 基于人工神经网络的优化。

对工艺设计中如注射时间、注射温度这样具有连续取值空间的参数，采用基于人工神经网络的方法来优化。

利用优化目标函数并在一定的优化策略下，得到优化系统确认的最优参数（参见图3）。

图3 分级注射工艺优化(3) 基于规则推理的优化。

主要用于对分析结果的解释和评价。

本系统所建立的专家系统规则库是以注塑模领域的专家知识为基础的，涵盖了有关短射、流动平衡、熔体降解、温差控制、保压时间、许可剪切应力、剪切速率、锁模力等方面的知识，在对计算结果进行分析和提炼的基础上，驱动专家系统进行推理，对成形方案进行分析评价，并给出具体的优化改进建议。

4．制品与流道系统的三维流动保压集成分析流道系统一般采用圆柱体单元，而制品采用的是三角形单元，HSCAE 3D系统采用半解析法解决混合单元的集成求解问题，这样，HSCAE 3D系统不仅能分析一模一腔大型复杂的制品，而且能够分析一模多腔小型精密制品，大大拓宽了系统的使用范围。

目前HSCAE 3D系统是世界上先进的能够分析一模多腔流动平衡问题的三维仿真软件。

5．塑料制品熔合纹预测的高效算法熔合纹对制品的强度、外观等有重要影响，准确预测熔合纹位置是仿真软件的难题。

HSCAE 3D系统通过节点特征模型方法大大提高了熔合纹预测的准确性和效率，其准确度达到国际同类产品的先进水平。

并利用神经网络方法对熔合纹的影响程度作出定性评价，为用户对成形质量的评估提供了直接的判断依据。

MOLDFLOW产品的全面介绍1、Moldflow Plastic Advisers(塑件顾问系列)Moldflow Plastic Advisers(塑件顾问系列)这个产品为注塑制件设计及模具设计过程带来了革命性的变化。

塑件顾问产品是最快最便捷的测试产品工艺性以及优化模具设计的工具。

The Moldflow Part Adviser(塑件顾问)塑件顾问使制件设计者在产品初始设计阶段就注意到产品的工艺性，并指出容易发生的问题。

制件设计者可以了解到如何改变壁厚、制件形状、浇口位置和材料选择来提高制件工艺性。

塑件顾问提供了关于熔接痕位置、困气、流动时间、压力和温度分布的准确信息。

最好在制件设计阶段使用这个软件。

因为该产品直接读入三维实体不用任何转换，易学易用。

它不仅可以分析每一个制件，而且可以分析每一种方案，快速优化每一个制件设计。

在分析完成之后，可以将分析结果通过网络与其它技术人员共享。

The Moldflow Mold Adviser( 模具顾问)模具顾问为注塑模采购者、设计者和制造者提供了一个准确易用的方法来优化他们的模具设计。

模具顾问大大增强了塑件顾问的功能，它可以设计浇注系统并进行浇注系统平衡、可以计算注塑周期、锁模力和注射体积。

可以建立单型腔系统或多型腔系统模具。

和塑件顾问一样，它基于网络的分析报告使您可以与同事们快速的交流有关模具尺寸流道尺寸和形式，浇口的设计等信息。

Mold Adviser ( Part Adviser 的升级产品)主要特征和优点:1.分析主流道、分流道和浇口自动设置优化的浇口位置，自动进行流道平衡，优化流道布局、尺寸和横截面形状，自动优化注塑加工参数。

2.计算注塑周期、锁模力、注塑量模具设计者/制造者可以快速准确地使用这三个主要结果进行模具加工。

而且这些结果还可以用于确定模具、选择注塑机、优化注塑周期、减少废料。

3.自动几何造型工具Moldflow公司首创了新型造型工具，使使用者快速简便地进行多型腔模具设计（各型腔形状可以完全不同）、主流道设计、分流道设计和浇口设计。

4.自动的基于互连网的分析报告生成-Mold Advisor基于互连网的分析报告生成器可以提供包括模具基本尺寸，流道尺寸、形状和布局，浇口形状、尺寸和位置等信息的报告。

并方便的传输给各相关部门和成员。

2、Moldflow Plastic Insight(MPI)简介Moldflow Plastic Insight(MPI)是一个提供深入制件和模具设计分析的软件包，它提供强大的分析功能、可视化功能和项目管理工具。

这些工具使客户可以进行深入的分析和优化。

MPI使用户可以对制件的几何形状、材料的选择、模具设计及加工参数设置进行优化以获得高质量的产品。

1.集成的用户界面集成的用户界面使用户可以方便地输入CAD模型、选择和查找材料、建立分析模型、进行一系列的分析，并采用先进的后处理技术使用户方便的观察分析结果、它还可以生成基于INTERNET的分析报告，方便的实现数据共享。

2.CAE模型的获取MPI提供了CAE行业最优秀的CAD集成方案，Moldflow实现了最广泛的几何模型集成。

包括线框模型、表面造型、薄壁实体以及难以用中型面来表达的厚壁实体。

无论您设计的几何体是什么形式，MPI都提供了易于使用的、稳定的、集成的环境来处理您的模型。

对于线框和表面造型，MPI可以直接读取任何CAD表面模型并进行分析。

在用户采用线框和表面造型文件时，MPI可以自动生成中型面网格并准确计算单元厚度，进行精确的分析。

MPI的中型面模块用于处理薄壁制件，节省了用户大量的CAE建模时间。

使他们致力于CAE分析和优化。

对于薄壁实体，MPI的FUSION模块基于Moldflow的独家专利的DaulDomain分析技术，使用户可以直接进行薄壁实体模型分析。

这将原来需要几小时甚至几天的建模工作缩短为几分钟，无需进行中型面网格的生成和修改。

FUSION可以直接从塑件顾问中读取模型而进行进一步的分析。

对于厚壁实体Moldflow的MPI/Flow3D、和MPI/Cool3D模块采用全三维的自适应网格进行全三维分析。

这三种方法提供了最广泛的几何设计模型的集成，是其它软件难以匹敌的。

3.分析功能简介注塑流动模拟MPI的流动分析模拟了塑料熔体在整个注塑过程中的流动情况，确保用户获得高质量的制件。

使用流动分析用户可以优化浇口位置和加工参数、预测制件可能出现的缺陷、自动确定取得流动平衡的流道系统尺寸。