Moldflow 模流分析在工程訓練教學中的探索與實踐

陳如香，戴坤添，劉改霞，胡一博，雷喬治

（哈爾濱工業大學（深圳）實驗與創新實踐教育中心，廣東 深圳 518055）

加強現代信息技術與教學的深度融合是我國高校教學改革和創新的基本方向。虛擬現實技術在教育教學上的應用，開創了“虛擬教學”的嶄新領域，其是教育高科技的展示和體現，也是教育手段現代化、信息化的標志之一，有著極其廣闊的應用前景。

在工程訓練課程的注塑成型模塊中應用Moldflow模流分析技術，開設虛擬教學，探索虛實結合的新工科教學模式，既豐富了課程教學內容，又能加深學生對注塑成型的理解，提高課程教學效果和教學質量，具有深遠的意義。

工程訓練課程是高校工科教學規模最大、學生受眾最多的實踐課程，與其他課程相比較，工程訓練課程對學生掌握理論知識、提升應用水平、學習工程知識、形成職業素養、提高綜合素質和創新能力具有不可替代的作用。

注塑成型是哈爾濱工業大學（深圳）（以下簡稱“我校”）工程訓練課程制造成型工藝之一，是學生的必修環節，針對材料科學與工程和機械制造及自動化專業的學生。為了提高學生的工程認知和工程技能，注塑成型模塊的教學設計包括2 個教學環節，第一環節是實踐操作，包括注塑件生產、質量缺陷優化和鋁制注塑模具拆裝；第二環節是注塑成型Moldflow 模流分析，學生在初識注塑成型工藝、模具結構和成型原理的基礎上，對注塑成型產品進行模流分析，將注塑成型生產的注塑件與模流分析的結果進行對比驗證和優化方案設計與分析，了解模流分析軟件的分析流程和功能，加深了學生對模流分析的應用和理解。

本文主要介紹我校工程訓練課程注塑成型模塊的第二環節，注塑成型Moldflow 模流分析軟件在工程訓練課程中的教學實踐。

一、課程概述

注塑成形技術廣泛應用于塑料制品的開發與生產。注塑成形過程中，產品的成型質量和成型周期很大程度上取決于模具的設計。傳統的模具設計依靠經驗，缺乏完整、系統和定量的理論依據。通過引進注塑成型Moldflow 模流分析技術，可以在設計環節就對各種方案進行詳細的分析、論證，實現成型過程的動態仿真分析，實現模具設計和控制產品成型過程優化，為獲得理想的最終產品提供科學依據和設計分析手段，從而大大提高開發效率，縮短開發周期、降低成本，改變開模試制后才能發現缺陷、反復修改的被動局面[1-2]。

與傳統的模具設計相比，Moldflow 模流分析技術無論是在提高生產效率、保證產品質量方面，還是在降低成本、減輕勞動強度方面，都具有極大的效用[3-4]。

我校工程訓練課程針對本校材料科學與工程、機械制造及自動化專業的學生，在注塑成型模塊實踐環節的基礎上，增加注塑成型Moldflow 模流分析環節，可以模擬注塑成型過程及注塑成型對注射件質量的影響，通過設計不同的成型方案，探究模具結構和注塑成型工藝參數對注塑件質量和成型周期的影響，加深同學們對注塑成型工藝的理解。

課程通過虛實結合的教學方式，提高學生實踐動手能力的同時，也提高學生應用計算機輔助設計CAE 解決實際工程問題的能力。

二、教學設計

Moldflow 模流分析應用實踐是在工程訓練課程注塑成型模塊第一環節的實踐基礎上進行的，通過第一環節的實踐，學生基本了解注塑成型原理、注塑成型工藝和注塑成型工藝條件，模具結構及模具的工作原理。

通過實踐生產出注塑件，透明小盤子如圖1 所示，通過教學設計，學生調節注塑機工藝條件，優化小盤子的質量，探究注塑工藝條件對注塑件質量的影響；通過鋁制模具拆裝環節，了解不同類型的注塑模具的結構、特點和工作原理。

圖1 注塑生產的小盤子

在此基礎上，將生產實踐環節中學生親自生產的小盤子作為Moldflow 模流分析的對象，通過課程的學習，對小盤子進行注塑成型仿真分析，包括模型導入、網格劃分、網格修復、選擇分析類型、選擇成型材料、創建澆注系統、創建冷卻系統、設置工藝參數、分析計算、查看分析結果和制作報告，學習Moldflow 模流分析的全流程，通過修改成型材料、澆注系統、工藝參數，探究模具結構和成型工藝參數對注塑件質量的影響。

注塑成型Moldflow 模流分析教學內容設計見表1。

表1 注塑成型CAE 模流分析教學內容設計

三、教學實踐

（一）Moldflow 模流分析軟件介紹

Moldflow 是歐特克公司開發的一款用于塑料產品、模具的設計與制造的行業軟件。Moldflow 為企業產品的設計及制造的優化提供了整體的解決方案，幫助工程人員輕松地完成整個流程中各個關鍵點的優化工作。

Moldflow 可以模擬整個注射過程及這一過程對注射成型產品的影響。Moldflow 工具中融合了一整套設計原理，可以評價和優化組合整個過程，可以在模具制造以前對塑料產品的設計、生產和質量進行優化[5]。

（二）模型導入、網格劃分與修復

給學生提供實踐環節注塑生產的小盤子的三維模型，作為Moldflow 模流分析的模型。

由老師先進行軟件操作講解，以及操作演示，學生根據軟件操作指導書進行軟件應用分析的前處理操作，將模型導入軟件窗口中，如圖2 所示。學生可自由選擇模型類型并理解有限元法的基本思想和特點，模型類型包括中性面、雙層面和3D 實體模型，并進行網格劃分、網格統計和網格修復，理解模型分析的基本要求，整個模型連通域必須為1，模型不存在自由邊、相交單元和重疊單元，單元縱橫比平均為15 左右，修復好的網格模型如圖3 所示。

圖2 導入三維模型

圖3 有限元網格模型

（三）最佳澆口分析及澆口位置設置

模型開始分析時，先通過澆口位置分析來確定最佳澆口位置。如果是一模一腔分析，可以直接選用最佳澆口位置作為案例分析的進澆點。學生首次接觸Moldflow軟件，推薦學生設計一模一腔，選擇最佳澆口位置作為注塑成型進澆口。

（四）成型工藝設置

成型工藝設置用于設定注射成型類型，課程可直接選用熱塑性注塑成型。

分析序列可根據需要選擇填充、填充+保壓、快速充填、填充+保壓+翹曲、冷卻、冷卻+填充+保壓+翹曲、成型窗口、澆口位置、冷卻（FEM）及冷卻（FEM）+填充+保壓+翹曲等分析類型[6-7]。

注塑成型工藝選擇系統默認設置，工藝參數包括模具表面溫度、熔體溫度、注塑壓力、保壓壓力和保壓時間，冷卻時間等。

課堂案例分析類型推薦學生選擇填充+保壓+翹曲，了解小盤子注塑成型過程中的流動行為，保壓階段對注塑件質量的影響，以及翹曲變形量和影響因素。工藝參數直接選用系統推薦的默認值即可。

（五）分析計算及結果分析

小盤子模型前處理及分析參數設置完成，直接選擇“分析”，系統會進行分析計算。

分析完成，可以查看小盤子模具分析結果。

比如方案一有限元網格類型為3D 實體模型，材料為PP，分析類型為填充+保壓+翹曲，分析結果填充時間、流動前沿溫度、注塑位置壓力和翹曲變形量等結果如圖4 所示。

圖4 方案一模流分析結果

（六）修改模型或參數，優化分析

為了讓學生探究模具結構和工藝參數對注塑件質量的影響，由學生自行設計實驗方案二和方案三，并進行模流分析，對分析結果進行對比，總結模具結構和注塑成型工藝參數對注塑件質量的影響。

給學生提供幾個參考方案，見表2。比如分析不同材料，一模一腔和一模多腔的模具結構，不同工藝參數如溫度、壓力、速度和時間對注塑件成型質量的影響，由學生通過思考并確定不同的實驗方案，對方案一的小盤子成型質量進行優化。

表2 Moldflow 模流分析實驗方案設計

比如通過更改材料，將方案一的材料PP 更改為PS材料，分析不同材料成型的注塑件質量，其中流動前沿溫度、體積收縮率等結果如圖5 所示。通過實驗對比，了解不同材料對注塑成型過程中熔體的流動、填充時間、體積收縮率和翹曲變形量的影響。

圖5 方案一和方案二模流分析結果對比

通過設計一模兩腔的側澆口注塑方案三，與一模一腔的方案一注塑件質量進行對比，填充時間、流動前沿溫度、平均體積收縮率和路徑線等結果如圖6 所示。通過實驗對比，了解澆口位置對注塑成型過程中的熔體流動行為的影響，澆口位置直接影響填充時間、流動前沿溫度、成型周期及注塑件質量。

圖6 方案一和方案三模流分析結果對比

四、結束語

我校工程訓練課程注塑成型模塊引入Moldflow 模流分析教學內容，探索注塑成型教學虛實結合的教學模式，通過課程的實踐，學生學習了注塑成型基礎知識、注塑成型工藝和模具結構，了解Moldflow 模流分析在注塑成型過程中的應用。課程通過實踐環節和Moldflow 模流分析相結合的方式，讓學生探究注塑成型工藝條件和模具結構設計對注塑件質量的影響，提前預測和優化模具設計方案，提前發現模具設計方案可能存在的問題，及時進行優化，縮短模具開發周期。Moldflow 模流分析豐富了課程的教學內容，提高了學生的工程認知、工程技能和工程綜合能力。