分析CAE在薄壁殼體件注塑模具制造中的應用

文 宏

（蘭州理工大學 機電工程學院，蘭州 730050）

分析CAE在薄壁殼體件注塑模具制造中的應用

文 宏

（蘭州理工大學 機電工程學院，蘭州 730050）

介紹了CAE技術的功能與注塑模具的設計需求的切合性，并分析了CAE技術在薄壁殼體件注塑模具設計過程的相關應用，最后對于CAE技術未來的發展做了展望。

注塑模具；CAE；設計；制造

0 前言

薄壁殼體模具要根據產品的結構、產品的類型、特點以及產品的材質進行設計，其中模具的結構包括模具的流道類型、尺寸，澆口類型、數量、尺寸、位置，以確保設計的模具結構合理，并且使模具有利于產品制作在澆注和冷卻。因此模具設計對設計工程師的要求很嚴格，要求他們不僅要有豐富的結構設計經驗，還要在材料、制作工藝等方面的知識相當熟悉，這樣對一個設計師的要求就非常高。而一個工程師就算有很好的模具設計經驗，但是實際設計中的產品是多種多樣的，材料也不一而同，所以再有經驗的設計師在設計的過程中都無法避免不出錯誤。有時候一個細微的變化或者特定的產品要求可能使得已有經驗不可用，或者即使可用但在實際試模之前，也無法進行有效的驗證。這導致了模具設計過程具有明顯的設計——修正——再設計的特點。如何減少該過程中的循環次數，使初始設計應達到或者逼近合用的結果，這在實踐中具有重要意義。

CAE系統的功能正好可以解決在模具設計過程中出現的這些問題，因為CAE是以數學統計學模型為基礎的，可以通過統計模型分析得到近似于實際結果，這樣就大大節約的模具制作的成本和制作的時間，并能夠提高產品的質量，能夠有效的提高企業的效益。因此研究CAE技術在薄壁殼體件注塑模具中的應用有很重要的經濟價值和社會效益。

1 CAE技術的詳細介紹

1.1 CAE的定義及基本結構

CAE技術是利用計算機的高速計算解決產品的復雜的力學性能分析和產品結構性能的優化分析，是利用數學模型的近似數值分析方法。CAE軟件以有限分析軟件為主體，分為兩類，一種是以產品開發為主的專用CAE軟件，一種是用于產品優化創新的通用CAE軟件。CAE系統，其核心思想是結構的離散化。CAE軟件主要包含以下模塊：

（1）電腦建模模塊—安照設計模型的有效信息和相關的有效數據建立分析處理模型，運用布爾運算將模型分析，然后將產品生產材料參數和產品的使用載荷數據輸入到模型中，自動分割成幾個單元，生成有限元模型信息。

（2）有限元分析模塊—該模塊將有限的單元庫中的有關產品模型、生產材料及產品應用荷載等數據進行約束處理等運算方法計算，將這些數據帶入到線性和非線性的數據模型中運算處理。

（3）修正模塊—通過有限元分析之后會發現建立模型中與實際的沖突，根據分析結果對模型的各種物理特性進行調整，將沖突消減，對模型進行優化、修改。

（4）用戶界面模塊、數據管理系統與數據庫、專家系統、知識庫。

CAE軟件對工程和產品的分析、模擬能力，主要決定于單元庫和材料庫的豐富和完善程度，單元庫所包含的單元類型越多，材料庫所包括的材料特性種類越全，其CAE軟件對工程或產品的分析、仿真能力越強。

一個CAE軟件的計算效率和計算結果的精度，主要決定于解法庫。先進高效的求解算法與常規的求解算法，在計算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異。

1.2 發展歷程和現狀

CAE系統早上世紀60年代就出現，并在模具設計中開始應用，經過五十多年的發展，CAE系統發展越來越完善，在模具設計方面發展也越來越全面，應用也越來越廣泛。現已成為注塑模具產品結構分析中不可或缺的計算軟件。

CAE軟件在美國最先研究和開發的，并且該軟件從研發開始就在模具設計中得到了充分的肯定，隨著幾十年的完善發展成熟，現在CAE系統已經在航空航天、汽車制造等大型模具生產中得到了充分的利用。并且德國、日本等機械加工強國也分別開發了自己CAE軟件。

我國CAE系統的應用是比較早的，只是在早期只是通過購買的方式引進了其他國家的CAE系統。現在我國也在逐漸開發自己的CAE系統，并且有的系統已經比較完善，如鄭州大學的Z-Mold軟件、杭州自動化技術研究院的MFEP4.0等。但是這些軟件的開發沒有廣泛的與機械制造企業對接，主要是現在國內的企業很少愿意使用CAE系統。主要是現在企業沒有認識到CAE系統應用的價值，和CAE系統能給企業帶來的經濟效益。

2 CAE在薄壁殼體件注塑模具制造中各模塊的主要功能

在文章的前面已經對CAE在注塑模具設計中的作用做了簡要的敘述，下面將會對CAE系統在薄壁殼體件注塑模具制造中的主要功能做詳細的介紹。

薄壁殼體件注塑件在制作中有較大難度，由于薄壁帶來注塑難度，由于薄壁會帶來充型難，出模難，易變形，精度難以保證等難題的存在，若單純的靠設計工程師憑經驗設計，很難得到理想的產品。而CAE系統的優勢和性能在薄壁殼體件注塑模具制造中得到了充分的展現。

2.1 薄壁殼體件注塑模具設計過程的預處理

CAE系統對于薄壁殼體件注塑模具設計的預處理是指注塑模具形狀在電腦三維塑性，在CAE系統中建立模具的幾何圖形，然后用CAE系統對圖形進行有限元網格劃分，將加工材料的材質參數輸入到CAE系統中，為注塑模型過程的計算機模擬建立數據基礎。當模具圖形有限元網格劃分完畢后，對圖形進行有限元計算，得出注塑模具時澆口的位置。然后對澆筑的流道、澆筑時模具的溫度、溶料的溫度進行設定，最后設置注塑工程中的各個工藝參數，為后面的模擬注塑工程做準備。

2.2 薄壁殼體件注塑模具制作的過程模擬

注塑過程的模擬根據時間先后分為：材料熔體的流動模擬、澆筑模擬、冷卻過程模擬。因為在模具制造過程中材料熔體的形態、溫度、狀態不不斷變化的，這樣就很難有效的把握，所以在模擬過程中要經過一系列的能量守恒、過程假設、因素影響的計算，為了讓整個模擬過程更加接近于實際情況。而整個過程的模擬都是在以前建立的模型和數據庫中抽調的，操作非常方便，可行性也很高。

2.3 薄壁殼體件注塑模具制造模擬結果的分析

CAE系統在完成對整個薄壁殼體件注塑模具制造過程的模擬之后，會得出一系列的數據，反應建立的模型的可行性。這個時候就需要工程師對這些數據進行分析，找出模型中的不足之處，然后對相應的參數進行修改。

2.4 CAE系統在薄壁殼體件注塑模具制造中的工藝流程

薄壁殼體件注塑模具制造中的工藝流程如圖1所示。

3 CAE系統在薄壁殼體件注塑模具制造中應用展望

現在CAE系統無論在理論還是技術應用等各方面已經取得了很大的發展，在模具制造方面也已經得到了很大范圍內的應用，為模具制造業帶來了很大的發展，取得了巨大的成功，為企業帶來了巨大的效益，為設計工程的設計工作帶來了很大便利。但是隨著科技的發展CAE系統在未來有更廣闊的發展，在薄壁殼體件注塑模具制造中起的作用也會越來越大。CAE系統在未來的發展方向應該會有以下幾個方面：

（1）CAE與CAD技術的結合。CAD對于三維圖形的設計已經應用越來越廣泛，而CAD技術發展也越來越成熟，隨著它的發展會對圖形的設計越來越便捷，CAE系統有其結合會節省很多建立圖形的時間和工作。

（2）CAE技術與3D打印技術的結合。現在3D打印技術已經逐步在模具制造中嶄露頭角，因其便利性廣受各制造企業的好評，只是現在技術還有待進一步發展成熟。如果CAE系統與3D打印技術相結合那么在模具制造中會大大提高工作效率。

[1]任玉珠.基于CAE技術的注塑模具高效率設計方法[J].制造自動化，2011（03）.

[2]羅超等.CAE技術在模具制造中的應用[J].煤礦機械，2011（05）.

[3]申長雨，常靜波等.注射模冷卻過程CAE技術[J].模具工業，2001（04）.

[4]錢欣，金楊福.塑料制品缺陷與CAE分析[M].北京工業出版社，2010.