维普资讯 http://www.cqvip.com Ｎ０５（Ｓｔｕｎ．１５１） Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０ｏ２ 塑料科技 ＰＬＡＳＴＩＣＳ ＳＣＩ．＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 文章编号：１００５－３３６０（２００２）－０５－０００１－０３ 注塑成型流动模拟技术发展的三个阶段 耿铁。李德群，周华民 （华中科技大学模具技术国家重点实验室，湖北武汉４３００７４） 摘要：总结了注塑成型流动模拟技术发展过程中有代表性的三个阶段，介绍了每种技术的数值原理和优 缺点，提出了发展方向和展望。 关键词：注塑模；流动模拟；中面流；双面流；实体流 中图分类号：ＴＱ０ｔ８ 文献标识码：Ａ 目前，在注塑产品的生产中，使用注塑成型流动模 拟技术已越来越普遍。 原ＡＣ—Ｔｅｃｈ公司（被Ｍｏｌｄｆｌｏｗ公司并购）的Ｃ—Ｍｏｌｄ 软件，国内华中科技大学国家模具技术国家重点实验 室的ＨＳＣＡＥ—Ｆ３．０软件。 中面流技术的数值方法主要采用基于中面的有限 注塑成型流动模拟技术通过预测塑料熔体流经流 道、浇口并填充型腔的过程，计算浇注系统及型腔的压 力场、温度场、速度场、剪切应变速率场和剪切应力场 的分布，可优化浇口数目、浇口位置和注射成型工艺参 数，预测所需的注射压力和锁模力，并发现可能出现的 元 限差分／控制体积法。用户首先要将薄壁塑料制 品抽象成近似的平面和曲面，这些面被称为中面，在这 些中面上生成二维平面三角网格，利用这些二维平面 注射不足、烧焦、不合理的熔接纹位置和气穴等缺陷。 注塑成型流动模拟技术的使用从根本上改变了传统的 生产方式，大大提高了产品质量，缩短了生产周期，降 三角网格进行有限元计算，计算出各时间段的温度场、 压力场，同时用有限差分的方法计算出厚度方向上温 度的变化，用控制体积法追踪流动前沿，并将最终的分 析结果在中面上显示。其模拟过程如图１所示。 低了生产成本。流动模拟软件一经问世便得到了塑料 行业和模具界的好评。 过去二十多年，注塑成型流动模拟技术经历了以 ２．５维模型为基础的中面流技术和双面流技术阶段。 随着塑料材料的不断发展、塑料制品复杂程度和对塑 料制品质量要求的不断提高，中面流技术和双流面技 术由于其本身的不足已不能满足人们的需要，注塑成 型流动模拟技术向着以３维模型为基础的实体流技术 发展已是大势所趋。 下面将详细介绍注塑成型流动模拟技术发展的三 个阶段。 ｄ 图１基于中面模型的模拟过程 １中面流技术 中面流技术的应用始于２０世纪８０年代。基于中 面流技术的注塑流动模拟软件应用的时间最长、范围 也最广，其典型代表如国外Ｍｏｌｄｆｌｏｗ公司的ＭＦ软件、 收稿日期：２００２－０５－２３ ８ ３维实体／表面模型；ｂ中面模型；ｃ中面模型网格划分； ｄ模拟结果显示 中面流技术简明、久经考验、计算量小、即算即得。 在大多数情况下，基于中面流技术的注塑流动模拟软 维普资讯 http://www.cqvip.com ，） 耿铁，等 注塑成型流动模拟技术发展的三个阶段 件能够成功地预测充模过程中的压力场、速度场、温度 分布、熔接纹位置等信息，但在中面流技术中，考虑到 制品的厚度远小于其他两个方向（常称流动方向）的尺 寸，塑料熔体的粘度大，将熔体的充模流动视为扩展层 流，忽略了熔体在厚度方向的速度分量，并假定熔体中 的压力不沿厚度方向变化，由此将三维流动问题分解 为流动方向的二维问题和厚度方向的一维分析。由于 采用了简化假设，它产生的信息是有限的、不完整的。 更为重要的是，应用中面流技术进行模拟分析，必须先 构造出中面模型。因此中面流技术在应用中具有很大 的局限性，具体表现为：（１）用户用手工操作直接由实 体／表面模型构造中面模型十分困难；（２）开发的 注塑成型流动模拟软件（如上述的ＭＦ，Ｃ—Ｍｏｌｄ和 ＨＳＣＡＥ—Ｆ３．０软件）造型功能较差，根据产品中面构造 中面模型往往需要花费大量的时间；（３）由于注塑产品 的千变万化，由产品模型直接生成中面模型的ＣＡＥ软 件的成功率不高、覆盖面不广；（４）由于ＣＡＤ阶段使用 的产品模型和ＣＡＥ阶段使用的分析模型不统一，使二 次建模不可避免，ＣＡＤ与ＣＡＥ系统的集成也无法实现。 由此可见，提取中面已经成为中面流技术的致命 缺陷，采用实体／表面模型来取代中面模型已是必然趋 势。 ２双面流技术 双面流技术出现在２Ｏ世纪９ｏ年代后期，其商品 化软件的典型代表是我国华中科技大学模具技术国家 重点实验室的ＨＳＣＡＥ ３ＤＲＦ５．０，称为三维真实感注塑 成型流动分析系统以及澳大利亚ＭｏｌｄＦｌｏｗ公司的Ｐａｒｔ ａｄｖｉｓｏｒ，称为注塑制品顾问。 所谓双面流是指将模具型腔或制品在厚度方向上 分成两部分，有限元网格在型腔或制品的表面产生，而 不是在中面，利用表面上的平面三角网格进行有限元 分析。相应的，与基于中面的有限差分在中面两侧（从 中性层至两模壁）进行不同，厚度方向上的有限差分仅 在表面内侧（从模壁至中性层）进行。在流动过程中， 上下两表面的塑料熔体同时并且协调地流动，其模拟 过程如图２所示。 显然，双面流技术所应用的原理和方法与中面流 没有本质上的差别，不同的是双面流采用了一系列相 关的算法，将沿中面流动的单股熔体演变为沿上下表 面协调流动的双股流。由于上下表面处的网格无法一 一对应，而且网格形状、方位与大小也不可能完全对 称，如直接进行有限元分析，会导致分析过程中上下两 个表面的塑料流动模拟各自地进行，彼此之间毫 无关联、互不影响，这与塑料制品在注塑过程中的实际 情况不相符，因此，必须将所有表面网格的节点进行厚 度方向配对，使有限元分析算法能根据配对信息协调 上下两个表面的塑料流动过程，将上下对应表面的熔 体流动前沿所存在的差别控制在允许的范围内。这是 实施双面流技术的难点所在。 ｂ 图２基于双面流的模拟过程 ａ ３维实体／表面模型（ＳＴＬ格式）；ｂ表面网格划分 ｃ流动前沿显示 目前，基于双面流技术的注塑流动模拟软件主要 是接受三维实体／表面模型的ＳＴＬ文件格式。该格式 记录的是三维实体表面在经过离散后所生成的三角面 片。现在主流的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统，如ＵＧ，Ｐｒｏ／Ｅ，Ｓｏｌｉｄ． Ｗｏｒｋｓ，ＡｕｔｏＣＡＤ等，均可输出ＳＴＬ格式文件。由于是 直接读取实体表面信息生成表面三角形网格，免去了 中面模拟技术中先抽象出中面，再生成三角形网格这 一复杂步骤。这就是说，用户可借助于任何商品化的 ＣＡＤ／ＣＡＭ系统生成所需制品的三维几何模型的ＳＴＬ 格式文件，流动模拟软件可以自动将该ＳＴＬ文件转化 为有限元网格模型供注塑流动分析，这样就大大减轻 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。同时，由 于双面流模拟技术将分析结果显示在实体表面上，比 将分析结果显示在中面上具有更真实生动的显示效 果。双面流技术具有中面流技术的全部优点，同时又 克服了提取中面的繁琐过程，因此，基于双面流技术的 注塑流动模拟软件问世仅仅几年，便在世界上拥有了 维普资讯 http://www.cqvip.com 耿铁，等注塑成型流动模拟技术发展的三个阶段 ３ 庞大的用户群，得到了广大用户的支持和好评。 双面流技术具有明显优点的同时也存在着明显的 缺点。 由于它采用的是和中面流一样的２．５维模型和简 化假设，所以它的分析数据不完整。除了用有限差分 法求解温度在壁厚方向的差异外，基本上没有考虑物 理量在厚度方向上的变化。随着塑料注塑成型工艺的 发展，塑料制品的结构越来越复杂，壁厚差异越来越 大，物理量在壁厚方向上的变化逐渐变得不容忽视。 同时由于数据的不完整，造成了流动模拟与冷却分析、 应力分析、翘曲分析集成的困难。此外，熔体仅沿着上 下表面流动，在厚度方向上未作任何处理，缺乏真实 感。如图３所示，当在透明的模具型腔内作注塑流动 时该缺点便暴露无遗。 图３双面流技术应用于型腔流动时的缺陷 因此，从某种意义上讲，双面流技术只是一种从二 维半数值分析（中面流）向三维数值分析（实体流）过渡 的手段。要实现塑料注射制品的虚拟制造，必须依靠 实体流技术。 ３实体流技术 三维流动模拟一直是当今塑料注射成型领域中的 研究热点，其技术难点多，经历实践考验的时间短，目 前还没有真正成熟的软件问世。 实体流技术在实现原理上仍与中面流技术相同， 所不同的是数值分析方法有较大差别。在实体流技术 中熔体在厚度方向的速度分量不再被忽略，熔体的压 力随厚度方向变化。实体流技术直接利用塑料制品的 三维实体信息生成三维立体网格，利用这些三维立体 网格进行有限元计算，不仅获得实品表面的流动 数据，还获得实体内部的流动数据，计算数据完整。因 此，对于薄壁制品，实体流技术能够产生更加详细的关 于流动特征的信息和应力分布；对于如在气体辅助成 型中遇到的有厚壁区域的制品，实体流技术能更加准 确地预测其充填行为。许多在２．５维模型中不能预测 的充模过程中的微观行为，如熔体前沿的流动形态和 推进方式，即“泉涌”效应在实体流技术中都可以得到 很好的体现。实体流技术完全克服了双面流技术的不 足，为注塑流动全过程模拟打下了基础。同时分析结 果直接在三维制品上或三维透明的模具型腔内显示， 更加真实生动。 与中面流或双面流相比，由于实体流模型考虑了 熔体在厚度方向上的速度分量，所以其控制方程要复 杂得多，相应的求解过程也复杂得多，计算量大、计算 时间过长，这是基于实体流的注塑流动模拟软件目前 所存在的最大问题。诸如电视机外壳或洗衣机缸这样 的塑料制品，用现行软件，在目前配置最好的微机上仍 需要数百小时才能计算出一个方案。如此冗长的运行 时间与虚拟制造的宗旨大相径庭，塑料制品的虚拟制 造是将制品设计与模具设计紧密结合在一起的协同设 计，追求的是高质量、低成本和短周期。如何缩短实体 流技术的运行时间是当前注塑成型计算机模拟领域的 研究热点和当务之急。随着研究开发人员的不懈努力 以及计算机硬件的飞速发展，可以预见，满足虚拟制造 要求的三维注塑流动模拟软件会在近两年内涌现。 华中科技大学模具技术国家重点实验室在成功推 出中面流软件ＨＳＣＡＥ～Ｆ３．０和双面流软件ＨＳＣＡＥ一 ３ＤＲＦ后，正在开发全新的实体流模拟软件，由于继承 了中面流和双面流的主要技术特点，其运行时间达到 图４实体流技术应用于型腔流动 【下转第１９页】 维普资讯 http://www.cqvip.com 张众贤，等１９９９． 碳酸钙对ＵＰＶＣ型材性能的影响 ２０００． ｌ９ ［２］根赫特Ｒ．．塑料添加剂手册［Ｍ］．北京：化学工业出版社， ［３］刘英俊．塑料填充改性［Ｍ］．北京：轻工业出版社，１９９８ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＣａＣＯ３ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＵＰＶＣ Ｐｒｏｆｉｅ ｆＺＨＡＮＧ Ｚｈｏｎｇ－ｘｉａｎ，ＨＵ Ｍｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｙｉｎｇ－ｚｈａｎ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｄａｌｉａｎ Ｓｈｉｄｅ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｄａｌｉａｎ １１６０１１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃ￣ｃｏ３ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ，ｓｕｒｆａｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ａｎｄ ｆｉｌｌｉｎｇ ａｍｏｕｎｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ＼ ｎｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆＵＰＶＣ ｐｒｏｆａｉｌｅ ｓｈａｐｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣａＣＯｓ；ＵＰＶＣ ｐｒｏｆｉｌｅ；Ｆｉｌｌｉｎｇ 帑 乖 铂 旎 旎 幂 锯 奔 锯 乖 奔 锈 看 看 旎 幂 厅 吊 钎： ！； ｝ ！； 【上接第３页】 了虚拟制造中即算即得的要求。该软件正在测试中，其 商品化版本计划在２００２年ｌＯ月正式发布。图４是用 华中科技大学开发的实体流模拟软件进行鼠标上壳的 充模流动。 参考文献： ［１］李德群，等．注塑模软件三个发展阶段［Ｊ］．模具工业， １９８６，（６）． 科学进展，２００１，（３）． ［３］周华民，等．塑料注射成型三维真实感流动保压过程模拟 及实验研究［Ｄ］．武汉：华中科技大学博士学位论文． 【４】Ｚｈｏｕ Ｈ．，Ｕ Ｄ．．Ａ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｉｌｌｉｎｇ ｓｔａｇｅ ｉｎ ｅｃｆｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，（２）． ［５】 Ｉ－ＩＥｑＵ Ｊ．一Ｆ．，ＧＡＯ Ｄ．Ｍ．，ＧＡＲＣＩＡ－ＲＥＪＯＮ Ａ．，ＳＡＬＬＯＵＭ Ｇ．．３Ｄ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｉｌｌｉｎｇ Ｓｔａｇｅ ｉｎ ｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ【Ｊ］．Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｎｇｉ，￣ｉｇ ａｎｎｄ ＳｅＡ— ｅｎｃｅ，１９９８，３８（２）． ［２］周华民，等．基于表面模型的注射成型充填模拟［Ｊ］．自然 Ｔｈｒｅｅ Ｓｔａｇｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｆｌｏｗ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＧＥＮＧ Ｔｉｅ，ＬＩ Ｄｅ－ｑｕｎ，ＺＨＯＵ Ｈｕａ－ｍｉｎ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂ．ｏｆ Ｍｏｕｌｄ＆Ｄｉｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨＵＳＴ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： ｅ ｍｐｍ￣ｎｔａｉｔｖｅ ｔｃｈｎｉｅｑｕｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｆｌｏｗ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍｅｄ ｕｐ． Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈ痞ｅ ｔｅｃｈｎｉｕｅｓ ｗｅｒｑｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄｓ ｎｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔａｓ ｗｅｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｔｅｉｏｎ Ｍｏｕｌｄ；Ｆｌｏｗ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｍｉｄｄｌｅ—ｆａｃｅ—ｆｌｏｗ；Ｄｏｕｂｌｅ—ｆａｃｅ—ｆｌｏｗ；Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｆｌｏｗ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
