基于HyperMesh、MoldFlow与Nastran的注塑优化集成

赵梅，赵 军，周雄辉

（1.烟台工程职业技术学院机械工程系，山东烟台264000；2.上海交通大学材料科学与工程学院，模具CAD国家工程研究中心，上海200030）

基于HyperMesh、MoldFlow与Nastran的注塑优化集成

赵梅1，2，赵 军2，周雄辉2

（1.烟台工程职业技术学院机械工程系，山东烟台264000；2.上海交通大学材料科学与工程学院，模具CAD国家工程研究中心，上海200030）

对考虑充模历史情况下的模具结构分析与优化进行了研究，综合运用HyperMesh、Moldflow和Nastran等多种软件完成从几何建模、网格划分、分析计算到结果处理的整个过程，实现了模流分析与模具结构分析的集成优化。结果表明，注射成型工艺与模具结构分析的集成可以更加真实和全面地模拟注塑过程中塑料的流动情况和模具变形情况，为模具设计提供更为全面的参考依据。

注射成型；模具结构；计算机辅助工程；模流分析；有限元分析

0 前言

目前的注射成型计算机辅助工程（CAE）技术及相应的仿真软件大多集中于某一个方面，而忽略了各个环节间的相互联系。因为注射成型是一个系统工程，其流程包括产品设计、模具设计、工艺参数设计、产品性能分析等多个环节，涉及的相应学科包括流变学、流体动力学、物理、化学、力学等多个方面。如注射成型工艺分析和模具结构分析就分属不同的学科范畴，并分别在不同的软件中独立进行，前者常用的分析软件有MoldFlow、Moldex3D，后者有Ansys、Nastran等。而事实上注射成型工艺分析与模具结构分析应该是整个模具CAE分析与优化设计过程中不可分割的2个方面：一方面模流分析结果可以给模具结构分析提供准确的边界条件；另一方面，模具结构的变形问题又直接影响模流分析的准确性，但由于各自适用软件的求解机理以及所用的求解器和内部数据结构不同，一般自成体系，相对封闭，制约了两者的集成以及CAE效能的进一步发挥，导致仿真精度下降，造成分析结果不全面或不准确，从而影响对整个设计方案与制造工艺的合理判断。因此，在传统注射成型工艺CAE模拟的基础上，采用多学科集成分析的方法对成型过程进行比较完整地模拟分析与研究就显得尤为必要。本文介绍了一种合理选择相关软件及建立各软件间精确的数据交换机制，有效提高CAE分析的效率与精度的方法。

1 综合应用各种软件进行CAD建模、模流分析、有限元分析及其前后处理

充分发挥UG、HyperMesh、MoldFlow、Nastran各种软件的优势，扬长避短，使建模、网格划分、计算分析及结果处理等过程操作方便、计算准确、精度提高［1－3］。采用多种软件集成分析的流程如图1所示。

图1 采用多种软件集成分析Fig.1 Integration analysis based on various softwares

将UG NX建立的产品的计算机辅助设计（CAD）模型和模具的CAD模型，导入HyperMesh进行网格划分前处理，再分别导入MoldFlow、Nastran进行产品的模流分析和模具结构的有限元分析。因为UG采用基于约束的特征建模和传统几何建模为一体的复合建模技术，建模高速高效，但其在有限元网格划分及有限元分析计算和后处理方面较为薄弱。HyperMesh是一款强大的有限元前处理软件，在网格划分方面与其他软件相比有着无与伦比的优越性，而且它与其他多种CAD和CAE软件具有良好的数据接口，尤其适合于大型的复杂制品，因为该类制品如果直接在有限元软件中处理，不仅耗费大量的时间和精力，而且可能影响结果的精度。

对比可知，Hypermesh划分的网格质量好、纵横比等都符合有限元分析的要求，而且速度快，操作比较简单，HyperMesh仅仅需要在MPI中做少量的修改就可以进行有限元分析，而直接使用MoldFlow划分的网格畸变较严重，相交和重叠单元很多，尤其是单元的纵横比超出了所允许的范围，并在很多特征上都已经改变了塑件原型。这时要用其自身的工具对网格进行修补，去除其重叠单元和非交叠边，调整网格的纵横比，这样的修补过程极其繁琐，调整的难度也比较大，因此需花费大量的时间来优化网格才能保证分析结果的正确性。所以用HyperMesh作为MoldFlow的Midplane类型网格的前处理是非常合适的方法，可大大提高划分网格的质量和速度，从而提高分析的准确性和工作效率。与模流分析软件MoldFlow一样，Nastran的缺点也是其几何建模和网格划分功能较差，且操作不方便，但它是具有高度可靠性的结构有限元分析软件，其计算结果与其他质量规范相比已成为最高质量标准，得到有限元界的一致公认。它具有功能齐全的多种高级非线性有限元求解器，可以处理各种线性与非线性结构分析；单元库提供数百种单元类型，材料库内容十分丰富，具有多种线性与非线性及复杂材料模型；分析时采用具有高数值稳定性、高精度与快速收敛的高度非线性问题求解技术，并采用加载步长自适应控制技术，可自动确定非线性分析和动力响应的加载步长，从而保证计算精度。

2 考虑充模历史情况下的模具结构强度校核与优化

正交试验设计在工艺优化研究中的应用非常广泛，是安排多因素、多水平而不需要全面试验的高效试验设计方法［4－6］。但由于正交试验往往没有考虑交互作用，且只能在设计因素的水平点上给出解决方案，而不是在一定试验范围内的最优方案。为进一步提高优化效果，采用回归分析的方法得到试验因素范围内的最优工艺参数组合。回归方程中最常用的模型为多元二次回归方程，一般表示为：

式中 x——设计变量

Y——目标变量

b0——常数项系数

bi——线性项系数

bii——二次项系数

bij——变量xi和xj之间的交互作用项系数

ε——试验误差

一般可根据物理或CAE实验得到的数据，采用最小二乘法（或移动最小二乘法）求解此方程，得到设计变量与目标函数之间的函数关系。采用多学科集成分析技术进行注射成型工艺与模具结构强度校核与优化的流程如图2所示，其中N为实验设计中的采样次数。

3 实例分析

图2 考虑充模历史的模具结构分析与优化流程Fig.2 Structural analysis and optimization of injection mold based on filling process

图3 垃圾桶的CAE模型Fig.3 CAE model of the trash can

如图3所示，材料为高密度聚乙烯，采用直浇口的浇注系统，对制品的内外表面均采用螺旋式水路进行冷却，模具型腔材料定为P20钢。在UG NX中建立垃圾桶产品CAD模型，将其导入HyperMesh进行网格划分和修复之后再导入MoldFlow进行分析，工艺参数值为：模具温度52℃、熔体温度230℃、注射时间5s、保压时间10s、保压压力为注射压力的80%、冷却时间20s，进行流动分析，将压力分析结果导出，用于载荷映射，进行模具结构分析，检验模具的变形情况。

在UG NX中建立垃圾桶模具型腔CAD模型，将其导入HyperMesh进行网格划分和修复，得到用于结构分析的垃圾桶模具型腔有限元模型。然后根据模流分析结果，选择模流分析所得压力结果作为载荷，通过载荷映射程序，获得模具型腔有限元模型的表面压力分布，最后用Nastran进行模具结构变形分析，并观察保压切换控制点（注塑填充过程中当型腔快要充满时，螺杆的运动从流动速率控制转换到压力控制，即V／P转换点）、锁模力最大时刻等关键工况时刻的模具变形结果，发现整个过程中锁模力最大时刻模具的变形量最大。

采用正交试验设计方法，通过极差分析比较工艺参数对垃圾桶模具变形的影响程度分别为：保压压力＞熔体温度＞模具温度＞注射时间＞冷却时间＞保压时间。通过回归分析，求得单纯考虑模具变形情况下的优化工艺参数为：模具温度32℃、熔体温度280℃、注射时间4s、保压时间14s、保压压力为注射压力的60%、冷却时间20s。

为了验证模具变形效果，在此工艺条件下再次进行模流分析，并通过载荷映射程序得到垃圾桶模具型腔在注塑过程中的压力分布后，在Nastran中分析模具变形，得到模具最大变形量如图4所示，变形量明显减少。当然，只单纯考虑模具变形是不够的，此时虽然变形量明显减小，但280℃熔体温度可能使产品变形量增加，因此，还需要综合考虑产品变形，进行多目标优化。

图4 优化前后最大锁模力时刻的模具变形Fig.4 Transformation at maximum clamping force time

4 结论

（1）选用合理的有限元前处理软件可提高有限元分析工作的质量和效率，对计算精度和计算量产生直接的影响；

（2）注射成型工艺与模具结构分析的集成可以更加真实和全面地模拟注塑过程中塑料的流动情况和模具变形情况。

［1］ 周临震，刘德仿.基于MSC／Nastran的产品结构形状优化设计［J］.机械设计与制造，2006，（10）：15－17.

Zhou Linzhen，Liu Defang.Product Shape Optimization Based on MSC／Nastran［J］.Machinery Design and Manufacture，2006，（10）：15－17.

［2］ 刘 斌，覃孟然.基于HyperMesh的Moldflow中性面网格实现技术［J］.塑料科技，2007，（9）：78－81.

Liu Bin，Qin Mengran.Realization Technology of Generating Midplane Mesh for Moldflow Based on HyperMesh［J］.Plastics Science and Technology，2007，（9）：78－81.

［3］ 齐兴新，王雪，赵娇子.基于UG和Moldflow的组合型腔注射模优化设计［J］.模具工业，2010，36（7）：42－45.

Qi Xingxin，Wang Xue，Zhao Jiaozi.Optimization of Injection Mould with Combined Cavity Based on UG and Moldflow［J］.Die and Mould Industry，2010，36（7）：42－45.

［4］ Cheng Hsien Wu，Yu Jen Huang.The Influence of Cavity Deformation on the Shrinkage and Warpage of an Injectionmolded Part［J］.Advanced Manufacturing Technologies，2007，32：1144－1154.

［5］ 代 丽，李 庆，廖宇航，等.注射模变形的数值计算与试验研究［J］.模具工业，2011，37（7）：11－14.

Dai Li，Li Qing，Liao Yuhang，et al.Numerical Simulation and Experimental Research on the Injection Mould Deformation［J］.Die and Mould Industry，2011，37（7）：11－14.

［6］ Yang S，Kwon T.Numerical and Experimental Investigation of Shrinkage Behavior of Precision Injection Molded Articles［J］.Polymer Engineering and Science，2008，48（8）：1569－1583.

Optimization Integration of Injection Molding Analysis Based on HyperMesh，MoldFlow and Nastran

ZHAO Mei1，2，ZHAO Jun2，ZHOU Xionghui2

（1.Department of Mechanical Engneering，Yantai Engineering and Technology College，Yantai 264000，China；2.National Engineering Research Center of Die and Mold CAD，School of Materials Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China）

The modeling，plotting finite element grids，analyzing，and calculating for an injection mold were completed with the aid of softwares HyperMesh，Moldflow，and Nastran，optimization integration of mold structure and mold flow was realized.The integration of injection technology and mold structure could comprehensively simulate the flowing of materials and the deformation of injection mold，and thus provided a basis for the mold design.

injection molding；mould structure；computer aided engineering；mold flow analysis；finite element analysis

TQ320.66＋2

B

1001－9278（2012）03－0099－04

2011－11－28

联系人，xyt1022＠126.com

（本文编辑：刘 学）