模流分析技术全面应用与介绍

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1、一、什么是 CAE？CAE（Computer Aided Engineering） 是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲 稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化 设计等问题的一种近似数值分析方法。CAE从60年代初在工程上开始应用到今天，已经历了 30 多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结 构分析中（如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续 力学各类问题的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度 都有很大提高，各种基于

2、产品数字建模的 CAE 系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重 要工具，同时也是计算机辅助4C系统（CAD/CAE/CAPP/CAM）的重要环节。CAE系统的核心思想是 结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过 对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多 实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。其基本过程是将一个形状复杂的连续体的 求解区域分解为有限的形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合 体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量（应力、位移、压力和温度等）问题简化

3、为求解 有限的单元节点上的场变量值。此时得到的基本方程是一个代数方程组，而不是原来描述真实连 续体场变量的微分方程组。求解后得到近似的数值解，其近似程度取决于所采用的单元类型、数 量以及对单元的插值函数。根据经验，CAE各阶段所用的时间为：40%45%用于模型的建立和数 据输入，50%55%用于分析结果的判读和评定，而真正的分析计算时间只占5%左右。针对这种 情况，采用 CAD 技术来建立 CAE 的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称此过程为 CAE的前处理。同样，CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、 温度、压力分布的等值线图，表示应力、温度、压力

4、分布的彩色明暗图，以及随机械载荷和温度 载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图。我们称这一过程为CAE的后处理。 针对不同的应用，也可用CAE仿真模拟零件、部件、装置（整机）乃至生产线、工厂的运动和运行 状态。二、CAE技术一模具设计的发展趋势模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，随着塑料工业的迅速发展以及塑料制品在航空、航天、 电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用，产品对模具的要求越来越高，传统的模具设计 方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求。计算机辅助工程（CAE）技术已成为塑料产品 开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有效的途经。同传统的模具设计相比，CA

5、E技术 无论在提高生产率、保证产品质量，还是在降低成本、减轻劳动强度等方面，都具有很大优越性。 近几年， CAE 技术在汽车、家电、电子通讯、化工和日用品等领域逐步地得到了广泛应用。目前，世界塑料成型CAE软件市场由美国上市公司Moldflow公司主导，该公司是专业从事 注塑成型CAE软件和咨询公司，自1976年发行了世界上第一套流动分析软件以来，一直在此领 域居领先地位，而科盛科技的 Modex3D 软件则独树一帜地在 3D 分析上有其特有的技术优势。利 用 CAE 技术可以在模具加工前，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的 填充、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分

6、子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形 等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模以后再返修具。 这不仅是对传统模具设计方法的一次突破，而且对减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和 降低成本等，都有着重大的技术经济意义。在今天，塑料模具的设计不但要采用CAD技术，而且还要采用CAE技术。这是发展的必然趋 势。注塑成型分两个阶段，即开发/设计阶段(包括产品设计、模具设计和模具制造、热流道设 计与制造)和生产阶段(包括购买材料、试模和成型)。传统的注塑方法是在正式生产前，由于 设计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕后，通常需要几次试模，发现问题后，不仅需要 重新

7、设置工艺参数，甚至还需要修改塑料制品和模具设计，这势必增加生产成本，延长产品开发 周期。采用 CAE 技术，可在很大程度上代替传统试模， CAE 技术提供了从制品设计到生产的完整 解决方案，在模具制造之前，预测塑料熔体在型腔中的整个成型过程，帮助研判潜在的问题，有 效地防止问题发生，大大缩短了开发周期，降低生产成本。目前新的生产工艺也越来越多的运用 在了塑胶产品生产上，例如：气体辅助，高光，双色，微型发泡，模内贴标技术等，这些技术的 运用大大挑战了传统工艺的市场地位，而CAE分析技术可以让开发者们不走或者少走弯路，在开 发运用新工艺和新技术上做到有理有据，赢在起跑线上。三、CAE技术在注塑成型

8、领域的重要应用近年来，CAE技术在注塑成型领域中的重要性日益增大，采用CAE技术可以全面解决注塑成 型过程中出现的问题。CAE分析技术能成功地应用于三组不同的生产过程，即制品设计、模具设 计和注塑成型。三方面的应用分述如下：1、制品设计制品设计者能用流动分析解决下列问题：(1) 制品能否全部注满 这一古老的问题仍为许多制品设计人员所注目，尤其是大型制件， 如盖子、容器和家具等。(2) 制件实际最小壁厚 如能使用薄壁制件，就能大大降低制件的材料成本。减小壁厚还可 大大降低制件的循环时间，从而提高生产效率，降低塑件成本。(3) 浇口位置是否合适 采用 CAE 分析可使产品设计者在设计时具有充分的选

9、择浇口位置的 余地，确保设计的审美特性。(4) 新的工艺适用性 新的生产工艺在制品设计上可能会碰到更多问题，尤其以气辅模具， 双色模具为典型，采用CAE分析可以最大可能在前期给出最佳产品设计与模具设计方案，让探索 高难度工艺的工作变得有游刃有余。2 、模具设计和制造CAE 分析可在以下诸方面辅助设计者和制造者，以得到良好的模具设计：(1) 良好的充填形式 对于任何的注塑成型来说，最重要的是控制充填的方式，以使塑件的 成型可靠、经济。(2) 最佳浇口位置与浇口数量 为了对充填方式进行控制，模具设计者必须选择能够实现这 种控制的浇口位置和数量，CAE分析可使设计者有多种浇口位置的选择方案并对其影响

10、作出评 价。(3) 流道系统的优化设计 实际的模具设计往往要反复权衡各种因素，尽量使设计方案尽善 尽美。通过流动分析，可以帮助设计者设计出压力平衡、温度平衡或者压力、温度均平衡的流道 系统，还可对流道内剪切速率和摩擦热进行评估，如此，便可避免材料的降解和型腔内过高的熔 体温度。(4) 冷却系统的优化设计 通过分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管路的布局和工 作条件，从而产生均匀的冷却，并由此缩短成型周期，减少产品成型后的内应力。(5) 减小反修成本 提高模具一次试模成功的可能性是 CAE 分析的一大优点。反复地试模、 修模要耗损大量的时间和金钱。此外，未经反复修模的模具，其寿命也较长。3、

11、注塑成型注塑者可望在制件成本、质量和可加工性方面得到 CAE 技术的帮助：(1) 更加宽广更加稳定的加工裕度流动分析对熔体温度、模具温度和注射速度等主要注塑加 工参数提出一个目标趋势，通过流动分析，注塑者便可估定各个加工参数的正确值，并确定其变 动范围。会同模具设计者一起，他们可以结合使用最经济的加工设备，设定最佳的模具方案。(2) 减小塑件应力和翘曲 选择最好的加工参数使塑件残余应力最小。残余应力通常使塑件 在成型后出现翘曲变形，甚至发生失效。(3) 省料和减少过量充模 流道和型腔的设计采用平衡流动，有助于减少材料的使用和消除 因局部过量注射所造成的翘曲变形。(4) 最小的流道尺寸和回用料成

12、本 流动分析有助于选定最佳的流道尺寸。以减少浇道部分 塑料的冷却时间，从而缩短整个注射成型的时间，以及减少变成回收料或者废料的浇道部分塑料 的体积。4 、热流道系统设计与制造热流道系统可以看做注塑机喷嘴在模具上的延伸，为注塑成型提供了极大的技术保证，在 降低注塑压力，残余内应力，材料成本，生产周期等方面都起到了良好的效果。而热流道的设计 制作不同于模具，一旦方案制定下来，修改起来难于实现以至于报废。这就要求业者对与热流道 系统在前期设计上有良好的把握，CAE技术在此时将显得尤为关键，通过CAE迭代分析技术获取 的最佳方案将大大降低热流道的制造风险，为热流道商与模具商实现共赢。三，为何选择远航科

13、技(WWW.YHCAE.COM)做模流分析，仅仅会熟练操作和使用软件是远远不够的。操作和使用此软件仅仅相当于CAE 的初级水平而已.而对于专业的 CAE 分析工程师来而言，除了需要熟练操作软件外，掌握各种操 作秘诀、精通各种分析工艺及软件的高级参数设置、精通模具结构和注塑成型知识、正确判读分 析结果、熟知问题点及其解决方案、能针对问题点来正确地更改设置/注塑成型工艺以及模具/ 产品结构等等，以达到通过利用 CAE 软件，能够在软件中模拟实际试模调机的水平，从而能够真 正地利用模流分析创造经济效益。对于一部分初学者而言，通过断章取义地方式方式学习 CAE 软件，很容易走进认为能够在 CAD软件中

14、建模出一个方体，即能够建模出飞机模型的误区，尚维真正入门即认为CAE软件易学、 易懂且认为 CAE 软件价值不高等等，其实这些观念都是错误的。如果说分析出来的结果与实际差 别大，只能说明分析者只是仅会操作软件且水平有限，不知道如何进行高级参数设置、操作要点 及缺乏模具加工制造和注塑成型知识等等。 CAE 软件分析出来的结果只有准确和错误两种，一个 只会操作软件的分析者分析出来的结果与一个精通软件且精通模具结构、注塑成型工艺并能够正 确评估制定出解决方案者分析出的结果是有天壤之别的，甚至可以说，前者分析出的结果是不可 靠且无多少实际价值的.专业的模流分析工程师不仅仅是如何去找出问题，而且需要能够找出正 确的解决方案，这是应用模流分析的精髓之所在。选择远航科技即选择了正确的操作指导者与实 施者，让企业少走，或不走弯路是我们的服务宗旨！