《基于边界元方法的注塑模结构分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于边界元方法的注塑模结构分析（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华中科技大学 硕士学位论文 基于边界元方法的注塑模结构分析 姓名：李巍毅 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：周华民 20090527 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘摘 要要 长期以来，注塑模具成型工艺数值模拟的焦点多集中于对成型制品的模拟，模 具通常被视为一套刚性系统。然而实际上模具的变形直接关系到注塑制品的质量， 同时模具的强度问题又决定了模具的成本和寿命，后者直接决定工业生产的成本。 因此，本课题着眼于解决注塑模结构刚强度计算的问题，基于三维弹性边界元 理论，对注塑模模具的刚强度计算进行了研究，建立了注塑模三维边界元弹性问题 的数值模型，解决了如下难点问
2、题：1) 采用了三角斜坐标变换法改进了三维边界元 奇异积分的处理方法；2) 基于点-面接触探测模型，提出了高效率的接触网格搜索算 法，建立了非匹配网格装配体模具的刚强度计算简化模型；3) 采用了按面力不连续 节点所在的积分单元分别处理的方法解决边界面力不连续问题。 基于本文建立的注塑模三维边界元弹性问题的数值模型，开发出了一套集成的 注塑模具的结构计算分析软件系统，能够与 HSCAE 注塑成型分析系统无缝集成。在 其注塑成型工艺分析结果基础上，对装配体模具的变形和应力情况进行分析，通过 控制模具变形量最终改善塑料制品的成型质量，同时也可以优化模具结构设计，可 提高模具寿命，降低模具成本，有较好
3、的经济效益。 对于复杂型腔的模具，在商业结构分析软件中无法自动获取型腔压力，手动施 加的型腔压力不能真实反映实际注射情况，分析结果可靠性难以保证。本系统能够 自动将 HSCAE 的制品压力场映射到模具型腔， 保证了计算凸凹模装配体模具变形问 题时的边界条件，具有良好的用户界面和易操作性，通过与 ANSYS 对比，计算结果 表明本文提出的数值模型及求解方法行之有效，具有实际的工程应用价值。 关键字：关键字：注塑模 模具变形 边界元 装配体 接触算法 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract The centre issue of injection moulding
4、analysis has long been focused on the simulation of the product profile, and the mould system is commonly supposed to so rigid that they have no deformation. In fact, however, the deformation can influence the dimensions of the product, especially in nowadays plastic injection industry, the high-qua
5、lity and precision are strongly demanded; Meanwhile, the structural strength of injection moulds determines their operating life, which is also an important factor to economic basis in industry. Therefore, this paper is to predict the injection moulds structural deformation under injection pressure.
6、 The 3.dimensional elastic boundary element method is applied to model the problem numerically. The key challenges have been solved such as: 1). To deal with the singularity of boundary integral, a newly method of local oblique coordinate is employed; 2). Based on point-surface contact model, the hi
7、ghly efficient contact search algorithm is presented, as well as simplified uncompromising meshing contact algorithm; 3). The specified solution according to different facet element the vertex belong is employed to deal with the un-continuous boundary conditions of surface pressures. As a result, an
8、 integrated analysis software system to calculate the injection mould deformation is developed. It can be directly integrated with the plastic injection analysis system HSCAE by importing the latters analysis result of injection pressure field as boundary condition. Then it can calculate the assembl
9、y injection moulds stress and strain field under the injection pressure by what we can control the moulds deformation in order to limit the product undesired offset, as well as to optimize the structural design of moulds to lower the cost. It should note that in cases that real injection moulds whic
10、h commonly have very complex die cavity, the general structural analysis systems have their limit to predict the real deformation the injection moulds experience because they have no way to automatically obtain the pressure field on die cavity. Meanwhile manually applying the pressure field is too r
11、oughly to reflect the real boundary condition the injection moulds experience. This problem can be solved by the specialized system developed in this paper. II 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 It has as simple user-interface as possible and the result compared with ANSYS shows the numerical model this paper
12、presented is of effective, practical basis in engineering application. Key words：Injection Mould Mould Deformation BEM Assembly Parts Contact Algorithm III 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论绪论 1.1 课题的来源课题的来源 塑料是当今世界新发展起来的三大合成材料之一。塑料材料拥有密度小、质量 轻、比强度高、绝缘性好、介电损耗低、化学稳定性高、绝热性好、减摩耐磨性好、 减震隔音性能好的特点，因而在国民经济和人民生活的各
13、个领域得到了日益广泛的 应用。在机电、仪表、化工、汽车、通信和航天航空等领域，塑料已成为金属的良 好代用材料，更进而出现了金属材料塑料化的趋势1,2。 作为最有效的塑料成型方法之一的注射成型具有以下优点：可以一次成型各种 结构复杂、尺寸精密和带有金属嵌件的制品；制品表面可以和模具型腔表面一样平 滑光亮，或者有同样的纹理或镌刻；只需少量修整或完全不需修整；成型周期短， 可以一模多腔，生产率高；大批生产时成本低廉，易于实现自动化半自动化生产。 因此，塑料注射成型在塑料加工行业中占有非常重要的地位3,4。 作为注塑成型工艺当中决定意义的一个环节就是注塑模模具的设计和制造。注 塑模模具的变形和结构刚强
14、度问题对最终制品以及模具本身的寿命都起到了决定作 用。传统的塑料注射成型开发方法主要是尝试法，依据设计者有限的经验和比较简 单的计算公式进行产品和模具设计及其工艺开发。在注射成型生产实际中，随着塑 料熔体的流动性能的千差万别，模具的结构必然需要随之变化，由于生产环境和工 艺条件各不相同，仅凭有限的经验和简单的公式难以对这些因素作全面的考虑和处 理来进行模具设计，而且设计者经验的积累和公式的总结也往往跟不上塑料材料的 发展和制品复杂程度及精度要求的提高，因此，开发过程中要反复试模和修模，并 一再调整工艺参数，甚至必须从新设计方案，才能正式投产。这种开发方法效率低 下、生产周期长、费用高，产品质量
15、难以得到有效保证，不利于新产品的研制和开 发，特别对大型复杂制品和精密制品的成型，问题更加突出1.3。 工业领域的发展向高效率高精度发展，计算机技术的引入直接促进了其高速发 展。CAE(computer aided engineering) 5,6是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 度，刚度，屈曲稳定性，热传导和弹塑性等力学性能和结构性能等优化设计问题的 一种近似的数值解决方法。针对注塑模模具结构强度在注塑成型工艺当中出现的相 关问题，采用数值模拟的方法，将有效的解决实际生产工艺当中存在的很多棘手的 问题，实践证明，这是一种科学可靠的手段
16、。此即本课题研究的应用价值和来源。 本人所在实验室开发的HSCAE软件7是对塑料注射成型过程的流动过程分析,根 据在注射流动中个相关方程对流动的描述,以模拟注射过程。对于与模具变形有关的 物理量，如流动压力，保压压力场等，本人基于HSCAE的基础，利用制品的成型过 程当中的物理参数，可以直接应用到模具结构计算的外界边界条件上，同时也将成 为HSCAE系统另一创新性模块，此即为本课题的理论意义8。 1.2 研究目的及意义研究目的及意义 人们希望注射模具能成型出高精度的塑料产出，所以虽然注射模具在塑料只凭 的过程中受到很大的压力，但只能允许它们有弹性变形。显然，模具的任何变形都 会像塑料制品冷却时的收缩一样，会影响塑料制品的最终精度。另外，不适当的变 形会使模具在成型过程中产生干涉或碰撞，如镶件，嵌入式型芯等9。 对注塑成型的模具结构计算进行研究的意义主要在于对制品成型质量的控制和 对模具功能的维
