Moldflow中性面技術在墻壁開關電子門鈴產品中的應用

張遠村 汪海濤 張 杰

（寧波公牛電器有限公司 慈溪 315314）

引言

隨著用戶需求逐漸提高，產品更新迭代的速度不斷加快，在激烈市場競爭下，產品研發制造的周期縮短，而對產品的品質及可制造性要求逐步提高，如何快速的占領市場，短時間內開發出高質量的產品是研發人員需要面對的客觀問題，利用CAE軟件進行在前期分析評估，快速，高效的提供優化方案和數據支持是產品設計優化的重要手段。本文中以墻壁開關電子門鈴類產品中的面蓋為例，介紹分析過程中的中性面網格應用及方案優化過程。

1 產品結構及材料簡介

此產品主體面積為69*58 mm，面蓋中部通過網孔特征為出聲途徑，其中網孔特征約占產品主體面的1/4左右，為直徑1.2 mm的圓孔陣列排布而成，孔邊距為0.8 mm，此種網孔特征在模流分析種通常視為復雜橫截面，產品主壁厚及網孔特征區域壁厚初步設定為1.6 mm，四周為翻邊和卡扣結構，產品為外觀件，外表面為高光，采用熱塑性注塑成型。產品結構如圖1所示。

產品材料為聚碳酸酯，簡稱PC，為非結晶性材料無定型熱塑性塑料，通常以優異的電氣性能，良好的尺寸穩定性，以及使用時對人體良好的安全性和機械性能，廣泛的用于電子電器行業。本次案例中所使用的材料為科思創Makrolon 2665，推薦的熔體溫度為280 ℃～320 ℃，模具溫度為80 ℃～120 ℃，熔融指數為12.5 cm3/10 min。

圖1 產品結構

2 初步風險評估及進膠位置限制

產品整體壁厚較薄，為1.6 mm，中部的網孔區域通常充填困難區域，有產生熔接痕以及氣穴風險，容易造成外觀缺陷及品質不良問題；進膠位置的選擇上通常要避開外觀面以及自動化生成，因此側邊卡腳位置是比較理想的選擇，見圖2所示。

圖2 進膠位置

3 問題分析

熔接痕及氣穴等缺陷屬于充填時熔膠流動造成缺陷，主要受產品結構影響，此產品需要防止在網孔區域產生困氣，燒焦等嚴重外觀問題，并盡可能的優化熔接角度；此產品上的網孔特征空間窄小導致充填阻力大，其次更多的接觸面積也相應從模壁上獲得較多的冷卻效因，因此需要調整網孔區域的幾何特征來進行優化，工藝上需要選用較高的模溫及料溫改善流動性。

4 模流分析方案制定

4.1 Moldflow網格模型的適用性

鑒于此類產品結構特性，合理選用Moldflow網格類型及分析技術是決定分析是否有效的前提條件。因此，網格模型對流動的準確性為最重要的指標，另外準確的熱量損失計算也能進一步提高分析結果準確度。

在Moldflow中有以下3種常用于產品零件的網格建模：中性面網格，雙層面網格，3D網格，從CAE的假設和計算上有以下特性：

1）其中對于中性面及雙層面，其流動求解方程基于廣義hele-shaw流動模型；

2）3D模型是基于全三維的Nvier-stokes模型[1]；

3）對于制件幾何Hele-shaw流動模型要求最小長度和寬度應大于厚度的四倍;而3D網格適合厚壁制件，局部長度和寬度小于局部厚度的四倍時推薦使用3D。另外中性面可對類似于網孔特征的復雜截面使用近似表示。

4.2 不同網格模型前處理特點

Moldflow對數模前處理步驟較為簡單。兼容多種通用CAD模型作為數據來源，進行導入后可嘗試劃分網格，或通過CADdoctor軟件進行模型簡化或修復后進行網格劃分；對于此產品中部的網孔特征需網格劃分需要細化處理，以免模型失真，雙層面很難達到需要的精度和良好的匹配率，低于85%的匹配率的模型不被推薦使用；Moldflow中性面常用的做法有通過Hypermesh對模型進行前處理后導入Moldflow計算，另外也可通過獲取產品外型進行偏置，得到的中性面曲面模型來生成網格。

4.3 方案調整及計算效率

從后期方案調整的難易程度上來講：中性面可通過對網格單元的屬性設定，直接定義壁厚或進行等效壁厚，形狀因子等屬性，來指定模型壁厚，不必對網格幾何進行調整。3D網格通常無法直接調整厚度及幾何，需要分析方案的模型進行更新。

從計算效率上來講：中性面網格數量遠遠小于其他兩種網格類型，計算耗費的時間也遠小于其他兩種網格類型。

綜合以上因素，在此產品可使用中性面模型做為主要分析手段，3D網格為對比參考。

5 中性面模型方案建立

5.1 獲取中性層曲面

此方案中，直接使用了將產品表面進行偏置，如圖3。

并對中間網孔面特征區域分割為獨立曲面進行區分設定，如圖4。

5.2 網孔特征面處理

對網孔特征區域，需要進行中性面表面特征的橫截面形狀等價處理：利用中性面三角單元的屬性通過使用具有相等厚度和形狀因子（用于修正表面樣式引起的冷卻和流動阻力）的單元進行建模，主要有以下概念：

1）基本單元:將組成整個網孔特征的重復出現的最小特征作為基本單元，如圖5所示。

2）基本單元的投影區域A，如圖6所示。

3）型腔接觸面S，如圖7所示。

4）基本單元的體積V，如圖8。

本產品中，產品模型壁厚為b=1.6 mm，孔直徑d=1.2 mm，孔距為2 mm，a=0.8 mm計算可得:A=4，S=11.77,V=4.59;可得產品的等效厚度為t=1.15，形狀因子為1.47。

另外在Moldflow中對于簡單的圓孔及方孔也可直接輸入孔間距，壁厚，以及孔徑對中性面進行屬性設定。最終壁厚診斷結果如圖9。

圖3 中性層曲面

圖4 網孔特征片體

圖5 基本單元

圖6 投影區域

圖8 體積V

圖9 壁厚診斷

6 中性面與其他兩種網格分析對比

6.1 流動結果對比

相同工藝設定下的等值線的對比，如圖10所示。

中性面與3D網格的分析結果均現出明顯的滯留現象，流動等值線一致性較高，而雙層面由于網格原因，結果無明顯滯留流現象，流動結果與中性面及3D差異大。

6.2 分析時間對比

通過對比分析消耗的時間，中性面存在明顯優勢，如圖11所示。

在本案例單次充填計算中，非中性面網格消耗的時間是中性面網格的20倍以上，當存在多方案需要進行分析時，優勢會更加明顯。

圖10 等值線對比

7 Moldflow優化方案驗證

經初步問題分析及模流方案設計結果，對產品進行相同工藝條件設定：模具表面溫度：120 ℃，熔體溫度315 ℃，注射時間為0.7 s，VP切換點為99%。

方案1為原始方案；

方案2在網孔區域進行壁厚增加將壁厚，從1.6增加到1.9 mm；

方案3加大網孔區域的孔間距從0.8 mm加大到1.0 mm；

方案4將與網孔特征區域不變，將同一平面的主壁厚減薄改為1.5 mm。

驗證不同壁厚分布及網孔特征下的產品充填狀態。充填時間等值線結果，如圖12所示。

前沿溫度，vp切換壓力，充填末端壓力結果對比，見表1。

從分析結果來看,調整后的等值線匯合位置都出現了不同程度后移，說明滯留現象得到改善，方案3的具有相對最高的流動前沿溫度以及最低的壓力，匯合點后移程度更大，說明改善效果相對最為明顯，方案4對溫度上升2.2 ℃，改善較小，壓力上升明顯，大面積減小壁厚對流動平衡性改善有限，但對產品整體充填不利。

綜合以上方案，加大網孔區域的孔間距效果最好，增加網孔區域壁厚次之，最終優化方案選用增加壁厚及加大孔間距。對初始方案和優化方案進行風險對比，如圖13所示。

圖11 消耗時間對比

從熔接痕和氣穴結果對比來看，風險變小。優化后未在網孔區域形成氣穴。

圖12 不同方案等值線對比

表1 充填末端壓力結果對比

圖13 熔接痕及氣穴結果

8 結論

合理利用中性面網格，對網孔特征此類復雜截面進行簡化處理，不僅可以保證計算結果的有效性，而且分析計算快速，通過網格屬性定義分析模型壁厚，可減少反復修改CAD模型的步驟，節省時間，提高設計、分析過程中的效率，具有較高的使用價值。