Moldflow 模流分析在工程训练教学中的探索与实践

陈如香，戴坤添，刘改霞，胡一博，雷乔治

（哈尔滨工业大学（深圳）实验与创新实践教育中心，广东 深圳 518055）

加强现代信息技术与教学的深度融合是我国高校教学改革和创新的基本方向。虚拟现实技术在教育教学上的应用，开创了“虚拟教学”的崭新领域，其是教育高科技的展示和体现，也是教育手段现代化、信息化的标志之一，有着极其广阔的应用前景。

在工程训练课程的注塑成型模块中应用Moldflow模流分析技术，开设虚拟教学，探索虚实结合的新工科教学模式，既丰富了课程教学内容，又能加深学生对注塑成型的理解，提高课程教学效果和教学质量，具有深远的意义。

工程训练课程是高校工科教学规模最大、学生受众最多的实践课程，与其他课程相比较，工程训练课程对学生掌握理论知识、提升应用水平、学习工程知识、形成职业素养、提高综合素质和创新能力具有不可替代的作用。

注塑成型是哈尔滨工业大学（深圳）（以下简称“我校”）工程训练课程制造成型工艺之一，是学生的必修环节，针对材料科学与工程和机械制造及自动化专业的学生。为了提高学生的工程认知和工程技能，注塑成型模块的教学设计包括2 个教学环节，第一环节是实践操作，包括注塑件生产、质量缺陷优化和铝制注塑模具拆装；第二环节是注塑成型Moldflow 模流分析，学生在初识注塑成型工艺、模具结构和成型原理的基础上，对注塑成型产品进行模流分析，将注塑成型生产的注塑件与模流分析的结果进行对比验证和优化方案设计与分析，了解模流分析软件的分析流程和功能，加深了学生对模流分析的应用和理解。

本文主要介绍我校工程训练课程注塑成型模块的第二环节，注塑成型Moldflow 模流分析软件在工程训练课程中的教学实践。

一、课程概述

注塑成形技术广泛应用于塑料制品的开发与生产。注塑成形过程中，产品的成型质量和成型周期很大程度上取决于模具的设计。传统的模具设计依靠经验，缺乏完整、系统和定量的理论依据。通过引进注塑成型Moldflow 模流分析技术，可以在设计环节就对各种方案进行详细的分析、论证，实现成型过程的动态仿真分析，实现模具设计和控制产品成型过程优化，为获得理想的最终产品提供科学依据和设计分析手段，从而大大提高开发效率，缩短开发周期、降低成本，改变开模试制后才能发现缺陷、反复修改的被动局面[1-2]。

与传统的模具设计相比，Moldflow 模流分析技术无论是在提高生产效率、保证产品质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，都具有极大的效用[3-4]。

我校工程训练课程针对本校材料科学与工程、机械制造及自动化专业的学生，在注塑成型模块实践环节的基础上，增加注塑成型Moldflow 模流分析环节，可以模拟注塑成型过程及注塑成型对注射件质量的影响，通过设计不同的成型方案，探究模具结构和注塑成型工艺参数对注塑件质量和成型周期的影响，加深同学们对注塑成型工艺的理解。

课程通过虚实结合的教学方式，提高学生实践动手能力的同时，也提高学生应用计算机辅助设计CAE 解决实际工程问题的能力。

二、教学设计

Moldflow 模流分析应用实践是在工程训练课程注塑成型模块第一环节的实践基础上进行的，通过第一环节的实践，学生基本了解注塑成型原理、注塑成型工艺和注塑成型工艺条件，模具结构及模具的工作原理。

通过实践生产出注塑件，透明小盘子如图1 所示，通过教学设计，学生调节注塑机工艺条件，优化小盘子的质量，探究注塑工艺条件对注塑件质量的影响；通过铝制模具拆装环节，了解不同类型的注塑模具的结构、特点和工作原理。

图1 注塑生产的小盘子

在此基础上，将生产实践环节中学生亲自生产的小盘子作为Moldflow 模流分析的对象，通过课程的学习，对小盘子进行注塑成型仿真分析，包括模型导入、网格划分、网格修复、选择分析类型、选择成型材料、创建浇注系统、创建冷却系统、设置工艺参数、分析计算、查看分析结果和制作报告，学习Moldflow 模流分析的全流程，通过修改成型材料、浇注系统、工艺参数，探究模具结构和成型工艺参数对注塑件质量的影响。

注塑成型Moldflow 模流分析教学内容设计见表1。

表1 注塑成型CAE 模流分析教学内容设计

三、教学实践

（一）Moldflow 模流分析软件介绍

Moldflow 是欧特克公司开发的一款用于塑料产品、模具的设计与制造的行业软件。Moldflow 为企业产品的设计及制造的优化提供了整体的解决方案，帮助工程人员轻松地完成整个流程中各个关键点的优化工作。

Moldflow 可以模拟整个注射过程及这一过程对注射成型产品的影响。Moldflow 工具中融合了一整套设计原理，可以评价和优化组合整个过程，可以在模具制造以前对塑料产品的设计、生产和质量进行优化[5]。

（二）模型导入、网格划分与修复

给学生提供实践环节注塑生产的小盘子的三维模型，作为Moldflow 模流分析的模型。

由老师先进行软件操作讲解，以及操作演示，学生根据软件操作指导书进行软件应用分析的前处理操作，将模型导入软件窗口中，如图2 所示。学生可自由选择模型类型并理解有限元法的基本思想和特点，模型类型包括中性面、双层面和3D 实体模型，并进行网格划分、网格统计和网格修复，理解模型分析的基本要求，整个模型连通域必须为1，模型不存在自由边、相交单元和重叠单元，单元纵横比平均为15 左右，修复好的网格模型如图3 所示。

图2 导入三维模型

图3 有限元网格模型

（三）最佳浇口分析及浇口位置设置

模型开始分析时，先通过浇口位置分析来确定最佳浇口位置。如果是一模一腔分析，可以直接选用最佳浇口位置作为案例分析的进浇点。学生首次接触Moldflow软件，推荐学生设计一模一腔，选择最佳浇口位置作为注塑成型进浇口。

（四）成型工艺设置

成型工艺设置用于设定注射成型类型，课程可直接选用热塑性注塑成型。

分析序列可根据需要选择填充、填充+保压、快速充填、填充+保压+翘曲、冷却、冷却+填充+保压+翘曲、成型窗口、浇口位置、冷却（FEM）及冷却（FEM）+填充+保压+翘曲等分析类型[6-7]。

注塑成型工艺选择系统默认设置，工艺参数包括模具表面温度、熔体温度、注塑压力、保压压力和保压时间，冷却时间等。

课堂案例分析类型推荐学生选择填充+保压+翘曲，了解小盘子注塑成型过程中的流动行为，保压阶段对注塑件质量的影响，以及翘曲变形量和影响因素。工艺参数直接选用系统推荐的默认值即可。

（五）分析计算及结果分析

小盘子模型前处理及分析参数设置完成，直接选择“分析”，系统会进行分析计算。

分析完成，可以查看小盘子模具分析结果。

比如方案一有限元网格类型为3D 实体模型，材料为PP，分析类型为填充+保压+翘曲，分析结果填充时间、流动前沿温度、注塑位置压力和翘曲变形量等结果如图4 所示。

图4 方案一模流分析结果

（六）修改模型或参数，优化分析

为了让学生探究模具结构和工艺参数对注塑件质量的影响，由学生自行设计实验方案二和方案三，并进行模流分析，对分析结果进行对比，总结模具结构和注塑成型工艺参数对注塑件质量的影响。

给学生提供几个参考方案，见表2。比如分析不同材料，一模一腔和一模多腔的模具结构，不同工艺参数如温度、压力、速度和时间对注塑件成型质量的影响，由学生通过思考并确定不同的实验方案，对方案一的小盘子成型质量进行优化。

表2 Moldflow 模流分析实验方案设计

比如通过更改材料，将方案一的材料PP 更改为PS材料，分析不同材料成型的注塑件质量，其中流动前沿温度、体积收缩率等结果如图5 所示。通过实验对比，了解不同材料对注塑成型过程中熔体的流动、填充时间、体积收缩率和翘曲变形量的影响。

图5 方案一和方案二模流分析结果对比

通过设计一模两腔的侧浇口注塑方案三，与一模一腔的方案一注塑件质量进行对比，填充时间、流动前沿温度、平均体积收缩率和路径线等结果如图6 所示。通过实验对比，了解浇口位置对注塑成型过程中的熔体流动行为的影响，浇口位置直接影响填充时间、流动前沿温度、成型周期及注塑件质量。

图6 方案一和方案三模流分析结果对比

四、结束语

我校工程训练课程注塑成型模块引入Moldflow 模流分析教学内容，探索注塑成型教学虚实结合的教学模式，通过课程的实践，学生学习了注塑成型基础知识、注塑成型工艺和模具结构，了解Moldflow 模流分析在注塑成型过程中的应用。课程通过实践环节和Moldflow 模流分析相结合的方式，让学生探究注塑成型工艺条件和模具结构设计对注塑件质量的影响，提前预测和优化模具设计方案，提前发现模具设计方案可能存在的问题，及时进行优化，缩短模具开发周期。Moldflow 模流分析丰富了课程的教学内容，提高了学生的工程认知、工程技能和工程综合能力。