模流分析与solidworks
院系：机电学院
专业：材料成型及控制工程
完成时间：2012-12-31
一、注塑产品有限元模型的建立
1.制品模型的几何清理
本次设计的研究对象为实验室装化学剂塑料盒盖，将塑件的CAD模型导入UG中，对孔、倒角、倒圆角等一些小的几何特征进行初步的处理，以确保模型导入Moldflow/MPI模块，在MPI模块中进行有限元分析时不会出现错误。
2.制件有限元的初始划分将制件的CAD模型导入UG，转换为IGS文件格式读入MPI中，并对其进行初步的有限元划分，定义网格边长为2，定义弦高控制为0.15。
进行网格划分得到初始划分结果如图，初始统计结果如图所示
模型的初始网格划分
模型的初始网格统计
由上面的网格统计对话框可以得到：表面三角形单元为4108个，节点单元为2058个，没有柱体单元，连通区域为1个，自由边为0个，共用边为8097个，交叉边为0个，配向不正确的单元为0个，相交单元为0个，完全重叠单元为0个，复制柱体为0个，最小纵横比1.161，最大纵横比29.6，平均纵横比为1.721，匹配百分比为91.8%，相互百分比为87.6%。
通过以上统计结果分析可以很清晰的看出初始有限元分析的问题所在，最大纵横比>6%，不能进行翘曲分析。所以，应该对网格进行修复。
3.制件有限元模型的完善
从模型的初始网格统计结果可以看出，模型的最大纵横比为7.207，大于6，直接利用纵横比诊断工具查找模型网格的纵横比，并且设置网格修复的最大纵横比为6，
可以看出图中红色线条标记的网格单元为纵横比大于6的单元，诊断出纵横比较大的网格单元之后，利用网格和节点工具对网格单元进行修复处理。得到最终较为理想的网格划分结果如图。
网格统计
由上面的网格统计对话框可以得到：表面三角形单元为4102个，节点单元为2055个，没有柱体单元，连通区域为1个，自由边为0个，共用边为6153个，交叉边为0个，配向不正确的单元为0个，相交单元为0个，完全重叠单元为0个，复制柱体为0个，最小纵横比为1.161，最大纵横比为5.945，平均纵横比为1.656，匹配百分比为92.1%，相互百分比为88.5%。
从上面的分析结果可以看出，最大纵横比为 5.945<6，匹配百分比为92.1>90，那么就可以进行流动、冷却与翘曲的分析，并且可以得到比较精确的结果。
4.塑料制件材料的选择
制件材料的选择，常用的此类盒盖类制件的材料种类如下：
（1）HDPE（高密度聚乙烯）材料的性能特点：
A.强度低，抗拉伸强度和抗弯曲强度较低；
B.不耐温，长期使用温度60-82摄氏度；
C.化学稳定性好，在室温条件下，不溶于任何有机溶剂，耐酸、碱和各种盐类的腐蚀。
（2）ABS（丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物）材料的性能特点：
A.强度低，抗拉伸强度43Mpa，抗弯曲强度79Mpa；
B.不耐温，长期使用温度不得高于60摄氏度；
C.化学稳定性较好。
（3）PP（聚丙烯）材料的性能特点：
A.强度低，抗拉伸强度30-40，抗弯曲强度低；
B.不耐温，长期使用温度56-67摄氏度；
C.化学稳定性较好，除强氧酸对其有腐蚀作用外，与大多数化学药品不发生化学反应。
综上所诉，结合此类塑料盒盖的使用环境，本制件选用热塑性材料PP
5.模具材料的选择
模具材料选用，模具工具钢P-20，其性质有：密度为7.8g/cm3，弹性模量为2.0×105Mpa，P-20钢材已预先硬化处理至30-36HRC，可直接用于制模加工，具有尺寸稳定性好的特点，可以满足本次设计模具用材的需要。
6.成型窗口分析
注塑工艺参数的调整直接影响制品尺寸，尤其是温度、压力与时间三个主要参数。注塑工艺参数引起的制品尺寸误差约占整个制品尺寸误差的1/3.温度是成型过程中的重要工艺参数之一。不同材料要求的成型温度范围各不相同。理论上各种材料只要高于其熔融温度即可成型，但实际上，在高于熔点温度约30°C，低与热分解温度10°C分为内成型，才能保证制品质量提高尺寸精度。注射压力的变化导致制品尺寸的波动。其它工艺参数不变时，提高注射压力，可改善熔体充模流动性，增加流动长度，充模速度加快，制品密实，收缩减小，但易产生取向应力。若使保压压力接近注射压力可提高制品质量，减小制品间的尺寸波动。
一．模型的分析
1.最佳浇口位置分析
浇口的细微变化都会对塑料熔体的充填产生很大的影响。浇口设计应保证提供一个快速、均匀、平衡、单一方向流动的充填模式，避免射流、滞留、凹陷等现象的发生。所以在选定成型方案之前，对制品进行最佳浇口位置的预分析，其结果如图所示。
由图中所显示的结果可以看出，浇口设置的最佳区域在蓝色区域，绿色区域为较好的区域，浅黄色区域为较差区域，而红色区域为最差区域
2.注塑机的选择
本课题所选用的注塑机及设备参数为，型号：HT-85 STD 85 tons 30z(30mm)，最大注射机注射行程：135mm，最大注射机注射速率：137cm^3/s，最大注射机锁模力：77.1686tone。
二．浇注方案的设计
2.浇注方案二的设计
3.浇注方案三的设计
四、流变分析
1.充填分析
（1）填充时间，填充时间指的是熔融体填满整个型腔所需的时间，三种浇注方案的分析结果分别如图所示。
浇注方案一充填时间
浇注方案二充填时间
浇注方案三充填时间
图中显示熔融体的填充位置。其中每种颜色轮廓代表制件填充所需的时间。在开始浇注时用蓝色表示，填充结束用红色表示。如果注塑过程中出现短射现象，则未填满的部分将显示为无色。
从图中可以看出，三种方案都能将制件填满。方案一的填充时间为1.035s，填充较为均匀；方案二的填充时间为0.92s，填充较为均匀；方案三的填充时间为1.035s，填充也较为均匀。
从分析结果来看，浇注方案三的填充时间最长,方案一的充填时间最短，所以从充填时间这个结果上分析方案二较好
（3）气穴位置
气穴位置的分析结果是在可能形成气穴的位置用红色线勾画出来，根据分析图可以看出气穴出现的严重与否。如果所生产的制件对表面质量的要求不是很高，或者气穴的位置可以通过模具中的排气措施将气穴的影响减小，则有些表面气穴的形成还可以接受
对三种方案所形成的气穴位置予以分析，其结果如图所示
方案一气穴位置
方案二气穴位置
方案三气穴位置
从图中可以看出，浇注方案三和浇注方案二所形成的气穴较少且位置大多位于制件的分型面上以及制件骨位处，这样既不影响制件表面美观也易于设置排气装置；浇注方案三所形成的气穴较多也是位于制件分型面上和制件骨位处综上所诉，就气穴位置分析而言，浇注方案三和浇注方案二比较好。
2.保压分析结果比较
体积收缩率是指塑料聚合体从熔融温度逐步冷却到周围温度时发生的收缩。影响制件体积收缩率的主要因素是保压时间和熔融体温度。当制件厚度过大或者保压时间不够都会造成制件高的收缩率，这就会造成制件翘曲、缩痕以及关键尺寸变小和制件内部空洞等缺陷。
三种方案分析的体积收缩率结果如图所示
方案一体积收缩率
方案二体积收缩率
方案三体积收缩率
从三种分析结果图中可以看出，在保压结束后浇注方案一的体积收缩率最大为17.5%，方案二的体积收缩率最大为14.53%，方案一的体积收缩率最大。由此可知浇注方案一的体积收缩率最大，方案三的体积收缩率最小，且体积收缩较为均匀，所以就体积收缩率的比较结果，浇注方案二较好。
综上对部分主要流变分析结果的比较可以看出，三种成型方案中，浇注方案一和浇注方案二的比较结果比较一致填充比较均匀，气穴的位置比方案二更好。保压结束后体积收缩率方案二和方案三较方案二更好。但是充填时间方案一最短，锁模力也是方案一最小，所以经综合分析比较看浇注方案二在三种成型方案中更加合理。
五、冷却分析
1.冷却系统设计方案确定
下面对浇注方案一进一步进行冷却系统的设计。
冷却系统设计方案一：
方案一冷却系统的设计是采用两组循环冷却水路，绕产品的周边进行冷却，前后模各一组循环冷却水路，冷却水路的直径为5mm。前后模的循环冷却水路的
中心间距分别为25mm和15mm，前后模水路中心相距24mm，冷却介质选用水
方案一冷却系统设计
冷却系统设计方案二：
方案二的冷却系统也是采用四组循环冷却水路，每组两根冷却水管，两两用软管连接，冷却水路的直径为5mm。每组相邻两根冷却水管中心间距为15mm，前
后模冷却水管中心间距为24mm，前模两组冷却水管相距23mm。
冷却系统设计方案二
冷却系统设计方案三：
方案三的冷却系统是也是采用五组循环水路，前后模各两组，每组水路都是环绕产品冷却。水管的直径为5mm。
冷却系统设计方案三
2.冷却分析及其结果比较
以下为三种冷却方案的结果及对比分析。
图中可以看出，三种方案的冷却方式从入水口到出水口的温度增长都没有超过2ºC-3ºC。冷却方案一得冷却回路介质温度的最高温度为25.44ºC，入水口和出水口的温差为0.44ºC；冷却方案二的相应值为25.22ºC和0.22ºC；冷却方案三的相应值为25.28ºC和0.28ºC。由此可知，冷却方案一的温差最大，容易导致制件成型后的翘曲程度最大，冷却方案二和三的回路冷却介质温差最小，制件成型后的翘曲程度最小。
3.翘曲分析结果及其比较
翘曲分析的结果如图所示
方案一的翘曲变形分析结果
方案二的翘曲分析结果
方案三翘曲分析结果
从图中的分析结果可知，冷却方案一的最大翘曲值为0.1917mm；冷却方案二的最大翘曲值为0.1911mm；冷却方案三的最大翘曲值为0.2106mm。可见，冷却方案二的翘曲值最小，发生的翘曲变量最小，所以就翘曲变形分析结果看冷却方案二的设计最好。
六、方案比较参数总表
浇注方案比较
方案一方案二方案三流道形式冷流道（成本低）冷流道（成本低）冷流道（成本低）充填时间/s 0.9418 0.92 1.035气穴位置制件靠近分型面和
外表面处（气穴数
多）
制件靠近分型面和
骨位处（不影响外
观）
制件靠近分型面和
骨位处（不影响外
观）
最大体积收缩率17.5% 14.53% 14.43%
由表可知选择方案二
冷却方案比较
进出水口温差/ºC 0.44 0.22 0.28
制件冷却时间/s 2.437 2.439 2.435
最大翘曲量/mm 0.1917 0.1911 0.2106
由表可知，冷却方案三和方案二的制件冷却时间相同，均比方案一小。冷却方案二最大翘曲量较其他两个方案都要小。另外，方案三在制件冷却时间上也比方案一和方案二要短。
综上所述，通过对浇注方案和冷却方案这两项结果比较，选定最佳成型方案为方案二下载本文
