3D模擬在準(zhǔn)確性和功能應(yīng)用中的進(jìn)展

2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

在過去,大約只有5%的模擬采用了3D注射成型模擬。但現(xiàn)在,3D模擬已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于多種成型中,并能夠?qū)⒛M數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析緊密地結(jié)合起來。軟件供應(yīng)商還將對(duì)氣輔、共注射、多組分注射和嵌入成型等工藝的分析功能引入3D模擬技術(shù)中,并在2.5D程序軟件上使用疊模和多腔模具等方式來向3D模擬平臺(tái)轉(zhuǎn)變。“目前,我們所有的模擬功能都能在3D軟件中實(shí)現(xiàn),而一些最新的發(fā)展技術(shù)也只能在3D環(huán)境中應(yīng)用?！盡oldflow公司的發(fā)言人說。

通過不斷提高對(duì)不同材料間傳熱的模擬能力,3D軟件已經(jīng)在對(duì)復(fù)雜的成型過程的分析方面取得了很大的改進(jìn)。其他的新進(jìn)展還包括對(duì)制品殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)能力的改進(jìn),因?yàn)闅堄鄳?yīng)力會(huì)影響制件的光學(xué)性能、翹曲變形和機(jī)械強(qiáng)度等性能。

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圖1 通過3D分析可知,圖中的改錐采用了嵌入成型和雙色二次成型
(照片來源:Moldflow公司)

3D模擬需求的增長

包括CoreTech、Moldflow、Sigma Engineering和 Vero International在內(nèi)的3D模擬技術(shù)供應(yīng)商一致認(rèn)為,目前只有5%~10%的注射成型制件能夠通過3D模擬技術(shù)生產(chǎn),其余部分都是采用2.5D“薄殼”技術(shù)或是Moldflow公司的雙域技術(shù)(Dual Domain)完成的。但他們表示,3D分析的應(yīng)用將會(huì)越來越廣。這是因?yàn)樗芰现破窌?huì)變得越來越復(fù)雜,而且即使已經(jīng)用2.5D技術(shù)分析過制品,用戶仍希望應(yīng)用3D模擬技術(shù)再分析一遍,雖然應(yīng)用3D分析可能花費(fèi)更多的時(shí)間。這就是為什么3D模擬分析只占整個(gè)市場的一小部分份額,卻在模具模擬領(lǐng)域擁有最多的關(guān)注和報(bào)道的原因。

“3D模擬使加工商和模具設(shè)計(jì)者能夠簡化整個(gè)建模過程。他們能夠直接得到3DCAD文件,而不像2.5D程序那樣需要將原始文件轉(zhuǎn)換成中性面模式(midplane),而這一過程往往會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的問題。而且,3D模擬的結(jié)果更容易導(dǎo)出結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)包。” CoreTech International公司總裁Venny Yang如是說。

Moldflow公司的資料顯示,該公司所擁有的雙域模擬專利技術(shù)與2.5D模擬技術(shù)非常相似,但不需要進(jìn)行中性面模式的轉(zhuǎn)換。然而,Moldflow公司的產(chǎn)品線經(jīng)理Murali Annareddy同意Venny Yang的第二個(gè)觀點(diǎn),即關(guān)于3D技術(shù)轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)分析的過程更簡便的說法,他認(rèn)為:“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師希望將塑料制品和CAE分析進(jìn)行更好地融合,這樣通過模擬模內(nèi)壓和纖維定向,他們能夠進(jìn)行更加準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)分析?！?

3D模擬不只應(yīng)用于平流,它還能模擬湍流和層流、噴射、熔體中的氣穴或氣泡以及重力的影響等。另外,它也可以模擬壁厚不均勻的制品?！澳壳?幾乎沒有制品被設(shè)計(jì)成均勻的壁厚,” Vero International公司顧問Natalia Kassa說,“這樣采用2.5D模擬時(shí),就必須提出更多的假設(shè)條件,而如果那種假設(shè)不正確就將產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。采用2.5D模擬壁厚不均勻的復(fù)雜制品時(shí),需要具備流體學(xué)等高等知識(shí)和正確解釋那些不同壁厚的經(jīng)驗(yàn)。總之,為了得到正確的結(jié)果,采用2.5D來模擬模型的一些區(qū)域,可能與它所代表的制品看上去很不相同?！?

“2.5D模擬最大的缺點(diǎn)是雖然能夠向用戶呈現(xiàn)合理的流動(dòng)、包裝和冷卻等信息,卻無法預(yù)測(cè)翹曲變形,而提升預(yù)測(cè)翹曲變形和收縮的水平是模擬技術(shù)發(fā)展的一種趨勢(shì)?！盋oreTech公司的Yang補(bǔ)充道。

光學(xué)部件是一個(gè)正在成長的注塑成型領(lǐng)域,并已吸引了3D軟件供應(yīng)商的關(guān)注。為了減少光在傳播中發(fā)生扭曲,用戶希望能通過用塑料替代玻璃,以解決目前所面臨的棘手問題,即將取向和殘余應(yīng)力降低至最小。Moldflow、CoreTech 和 Sigma等公司已經(jīng)開發(fā)或正在開發(fā)雙折射這一新應(yīng)用領(lǐng)域。3D模擬應(yīng)用的另一個(gè)熱門領(lǐng)域是多物料成型,而2.5D軟件很難做到如此復(fù)雜的過程模擬。

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圖2 據(jù)說,3D模擬能夠更好地模擬具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的薄壁制品,如上圖中的連接器(采用 CoreTech公司的Moldex3D3D模擬軟件進(jìn)行模擬)。同時(shí),3D模擬(Moldflow的MPI6.1)還具有2.5維分析不能做到的新功能,如預(yù)測(cè)光學(xué)透鏡的雙折射

新的分析功能

作為3D模擬軟件功能拓展的例證,Moldflow公司將其所謂的“突破性”創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用于其最新的注塑成型模擬分析軟件Moldflow Plastics Insight(MPI)6.1版。新版本在3D翹曲變形模塊中增添了一項(xiàng)新功能,即能夠預(yù)測(cè)光學(xué)制品,如汽車照明燈、醫(yī)用X光檢測(cè)放大透鏡、手機(jī)顯示屏和其他透鏡等光學(xué)元件的流動(dòng)應(yīng)力和雙折射(雙反射)偏差。到目前為止,它已經(jīng)被驗(yàn)證可模擬6種塑料的光學(xué)性質(zhì)。

最近,Moldflow公司還拓展了注塑成型模擬的一個(gè)新應(yīng)用,即評(píng)價(jià)注塑設(shè)備的性能。其創(chuàng)新的噴嘴壓力預(yù)測(cè)功能可生成更精確的熔體流動(dòng)和剪切熱圖像,并通過柱塞位置和注射速度曲線來確定充模時(shí)間,以測(cè)試設(shè)備部件(如單向閥)是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常。壓力傳感器甚至可以顯示出材料烘干時(shí)的內(nèi)部情況,而這能影響熔體粘度和最終的注射壓力,Moldflow公司的Annareddy說。

更重要的是,模具制造商能夠通過模擬空氣注射壓來測(cè)定料筒和澆口嘴之間的壓力損失。通過對(duì)比機(jī)械水壓和標(biāo)準(zhǔn)的噴嘴壓力,可準(zhǔn)確地判斷出熔體的可壓縮性,從而更加精確地測(cè)定出熔體壓力,提升3D模擬技術(shù)對(duì)模芯的偏差、充模和翹曲變形的預(yù)測(cè)能力。

在過去的18個(gè)月,Moldflow公司對(duì)其3D流動(dòng)模擬進(jìn)行了改進(jìn),使其有能力預(yù)測(cè)分析兩個(gè)塑料制品在進(jìn)行二次成型時(shí),其接觸面部分的再熔融現(xiàn)象。新軟件還會(huì)提醒用戶這一過程可能會(huì)出現(xiàn)一種材料污染另一種材料的現(xiàn)象。此外,該軟件還能預(yù)測(cè)薄壁制品其表面和內(nèi)部的氣穴分布和氣穴深度等情況。

Moldflow公司發(fā)布了一款新產(chǎn)品,它允許使用Ansys 和Abaqus結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來分析程序。用戶僅通過MPI 3D模擬軟件和Moldflow Plastics Advisers (MPA)注塑分析軟件(該軟件今年剛擁有3D功能)就能夠輕松地輸入模擬結(jié)果。新的Moldflow Structural Alliance (MSA 1.0)軟件具備了測(cè)繪技術(shù),可在模具成型模擬和結(jié)構(gòu)分析模擬之間創(chuàng)建獨(dú)立的網(wǎng)格連接。

塑料制品擁有完整統(tǒng)一的材料特性是結(jié)構(gòu)分析軟件的基本假設(shè),然而塑料熔體的流動(dòng)模式和增強(qiáng)纖維的取向都是變量,因而會(huì)影響制品的結(jié)構(gòu)性能。MSA軟件的結(jié)構(gòu)分析程序在模擬過程中考慮到了這些變量,從而能夠得到更加符合實(shí)際的結(jié)果。

最近,Moldflow公司還發(fā)明了一種新的定價(jià)和許可辦法,即MPI Enterprise,旨在為用戶提供一種更為經(jīng)濟(jì)的分析方式。這種許可辦法不再基于使用人數(shù)定價(jià),而是基于任務(wù)的數(shù)量,從而使大多數(shù)客戶能夠以相同的價(jià)格買到軟件,而且從2.5D到雙域或3D技術(shù)的升級(jí)也無需另付額外的費(fèi)用,用戶只需根據(jù)任務(wù)量就能選擇最恰當(dāng)?shù)姆治鱿到y(tǒng)。相對(duì)于以前單個(gè)模塊的購買方式,這種打包模式使得高級(jí)分析變得更加經(jīng)濟(jì)。

MPI Enterprise提供了基本流動(dòng)和包裝模擬程序的“標(biāo)準(zhǔn)”平臺(tái),即使是小公司也能負(fù)擔(dān)得起。它的“功能”平臺(tái)則增加了冷卻、收縮、翹曲變形和纖維取向等模塊,而“過程擴(kuò)展”平臺(tái)則打包了專用模塊,如氣輔成型、共注射、注射壓縮、雙折射、熱固性樹脂成型、MuCell微細(xì)發(fā)泡和其他先進(jìn)的成型模塊。

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圖3 來自 Sigma公司的3D軟件能夠預(yù)測(cè)環(huán)狀和底部溝槽的特點(diǎn),從而限制部件的自由收縮,并建立相應(yīng)的應(yīng)力模擬圖

3D軟件的進(jìn)展

作為一家為模具和模頭制造商提供3D CAD/CAM軟件的供應(yīng)商,Vero International公司已將其3D模擬范圍擴(kuò)大至注射成型模擬領(lǐng)域。2007年9月,Vero公司收購了意大利Plastics & Computer公司,并擁有了其模擬工具,包括數(shù)控成本優(yōu)化、產(chǎn)品最優(yōu)化解決方案以及2.5D和3D模擬模塊等。其中,3D模塊不僅具有纖維取向功能,還包括了從填料到冷卻和翹曲分析的過程模擬。目前,該模塊已成功整合進(jìn)Vero公司新的Visi-Flow產(chǎn)品線中。

Visi-Flow產(chǎn)品線應(yīng)用了混合網(wǎng)格專利技術(shù)。通常,傳統(tǒng)的殼網(wǎng)格需要一個(gè)較長的模擬準(zhǔn)備時(shí)間,而3D模擬所構(gòu)建的立體網(wǎng)格則需要花費(fèi)較長的計(jì)算時(shí)間。相比之下,Visi-Flow可在生成一個(gè)外部的殼網(wǎng)格后,自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)部六面體網(wǎng)格,從而能夠采用傳統(tǒng)的殼網(wǎng)格應(yīng)用在很短的計(jì)算時(shí)間內(nèi)獲得準(zhǔn)確的3D立體分析。

Vero公司還準(zhǔn)備為其3D軟件包引入一個(gè)氣輔模塊。Kassa介紹說,由于經(jīng)氣輔成型的制品其壁厚不均一,實(shí)際上通過3D模擬氣體要比2.5D簡單得多?！皫怏w通道的壁厚可能是傳統(tǒng)壁厚的10倍,而且沿一個(gè)橫截面測(cè)量發(fā)現(xiàn),其壁厚并非完全相同?！?Vero公司還致力于將其所有的2.5D功能模塊應(yīng)用到其基于實(shí)體網(wǎng)絡(luò)的3D程序中,包括共注塑、雙色注射和熱固樹脂成型等。

關(guān)注傳熱遞

CoreTech System公司發(fā)布了其最新的Moldex3D version 8.1軟件,它包括了幾項(xiàng)新的功能和改進(jìn)。公司還承諾在其將要發(fā)布的9.0版本中將擁有更多的新功能,如雙折射預(yù)測(cè)功能將有助于預(yù)測(cè)光學(xué)制品的流動(dòng)應(yīng)力。目前,Moldex3D軟件的Windows版和Linux版在美國由EPS Flotek公司獨(dú)家代理。

最新版本的亮點(diǎn)包括更短的計(jì)算時(shí)間,支持多組分注射工藝,如嵌入和雙色成型等,以及升級(jí)了的計(jì)算纖維取向等功能。CoreTech公司還改進(jìn)了模擬結(jié)果與FEA結(jié)構(gòu)分析程序包,如 Ansys 和 Abacus等的轉(zhuǎn)換接口,而基于氣輔和水輔成型的模擬技術(shù)仍在研發(fā)當(dāng)中。

CoreTech公司的Yang認(rèn)為,在開發(fā)最新的Moldex3D軟件的過程中,首要考慮的是關(guān)于熱量方面的相關(guān)問題。新添加的SolidCool功能可更好地模擬出模具表面的溫度隨時(shí)間變化的曲線,而快速加熱和冷卻成型(RHCM)模塊則能夠模擬出模具從加熱到冷卻的整個(gè)循環(huán)過程中其溫度變化的全過程。一般,我們都將模具的溫度設(shè)定為恒定不變,而RHCM模擬則在填料和包裝過程中采用很高的模具溫度,而在剩下的過程中降低模具的溫度?！霸诙鄶?shù)情況下,模具制造商希望通過較低的模具溫度環(huán)境來縮短循環(huán)周期,但是較低的模具溫度會(huì)使制品產(chǎn)生焊縫,極大地降低了制品的表面質(zhì)量?！盰ang解釋說,“因此,一些模具制造商企圖通過延長循環(huán)時(shí)間來提高模具溫度?！彼J(rèn)為,兩全其美的的辦法是,使用型腔壓力傳感器來控制模具溫度的升降。

根據(jù)模具的尺寸大小,CoreTech公司還重組了其軟件系統(tǒng),使其纖維取向的計(jì)算速度從1.5次加快到30次,甚至更快。據(jù)介紹,翹曲變形的預(yù)測(cè)速度也加快了。

Moldex3D軟件可被用于模擬模內(nèi)裝飾的成型過程。Yang說:“采用3D模擬,我們能從各個(gè)方向看到被裝飾制品的所有變化,而2.5D模擬則需要先假定熱傳導(dǎo)、冷卻和翹曲變形的影響?！?

對(duì)于新版本的開發(fā),CoreTech公司已經(jīng)引入了一個(gè)用于多組分注射成型的專用模塊。該模塊可模擬帶有金屬或塑料嵌入件的制品,并考慮了冷卻和熱傳導(dǎo)對(duì)制件的影響。另外,它還具有通過考慮所有材料的力學(xué)性能來預(yù)測(cè)翹曲變形的功能。

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圖4 3D軟件供應(yīng)商所提供的新版本軟件包括一些新的功能,如改進(jìn)了模擬熱流道或多型腔填充中的不平衡流動(dòng)(如左圖Vero公司的 Visi-Flow所示),以及生成更易于整合進(jìn)FEA結(jié)構(gòu)分析包的應(yīng)力或纖維取向數(shù)據(jù)(如右圖CoreTech公司的Moldex3D所示)

作為Moldex3D 8.1的組成部分,新的eDesign模塊是一個(gè)能夠確認(rèn)制品厚薄的實(shí)體模擬程序,而且操作非常簡單,只需通過簡單的幾個(gè)步驟,就可以用3DCAD幾何圖形來分析模擬結(jié)果。eDesign可幫助模具制造商加快制品或模具的設(shè)計(jì)速度,這與Moldflow公司的Plastic Advisers有幾分類似。此外,該軟件還能給用戶帶來諸多好處:優(yōu)化澆口位置、防止充模不足和出現(xiàn)焊縫、評(píng)估冷卻回路和最大限度地縮短循環(huán)時(shí)間。

更好的是,用戶無需預(yù)制模型。eDesign軟件能夠通過“一鍵”操作從3D CAD文件直接生成2.5D網(wǎng)格。用戶可以通過指定網(wǎng)格控制水平,平衡計(jì)算時(shí)間和模擬精確性之間的矛盾。

eDesign通過使用與CoreTech 公司的3D實(shí)體程序相同的3D solver技術(shù),很好地完成了對(duì)流動(dòng)、充模、冷卻和翹曲變形(如果有需要,還有纖維取向)的模擬分析。軟件“向?qū)А惫δ芸梢詭椭脩艏涌鞌?shù)據(jù)的錄入和程序運(yùn)行。另外,eDesign能自動(dòng)地在制品的表面和橫截面處選擇合適的網(wǎng)格單元并同時(shí)生成網(wǎng)格。即便是復(fù)雜的3D幾何體,該軟件也可在15~20min內(nèi)生成網(wǎng)格。

熱流道模擬

模擬熱流道系統(tǒng)是Sigma Engineering公司的3D-Sigma 4.5版軟件最新增加的功能之一。該軟件不僅引入了熱流道的熱容量和導(dǎo)熱性,還引入了加熱器的幾何構(gòu)型。Sigma公司介紹說,該軟件通過模擬加熱器中的溫度分布,以及熱流道管道中的熱流從加熱器到套管,再從套管到熔體的熱傳導(dǎo),首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能傳遞到加熱器末端的全程模擬。

該軟件可以模擬熔融聚合物在流道系統(tǒng)中的熱量變化,包括它在注射間隙停留在流道系統(tǒng)內(nèi)的熱量變化,以及在進(jìn)入下一個(gè)注射循環(huán)周期后通過熱流道管路時(shí)的熱量變化情況等。

用戶通常認(rèn)為這兩個(gè)過程的熱環(huán)境都是統(tǒng)一,但事實(shí)并不盡然。這是因?yàn)椴牧显诹鲃?dòng)和靜止的狀態(tài)下,其粘度是不一樣的。Sigma公司已經(jīng)開發(fā)出了一套與時(shí)間相關(guān)的粘度測(cè)量程序,以模擬這種變化。在模擬過程中所做的假設(shè)越少,模型的處理結(jié)果就越完善,從而能夠極大地提高模擬的準(zhǔn)確性。

Sigma公司的3D-Sigma 4.6版能夠自動(dòng)地考察模具的收縮局限性,例如,制品的底部溝槽會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,從而限制制件的自由收縮?！俺绦?qū)⒆詣?dòng)評(píng)估制品的哪些區(qū)域在模具中是自由收縮的,以及哪些區(qū)域會(huì)因材料的關(guān)系不能自由收縮而產(chǎn)生應(yīng)力。” Schermerhorn解釋道,“Sigma在其軟件中填補(bǔ)了這一缺陷,它采用非線性材料來模擬應(yīng)力,這樣只要制品還在模具中就能了解其應(yīng)力弛豫的變化,從而保證了能夠?qū)γ撃：蟮闹萍M(jìn)行更可靠、更精確地收縮/翹曲變形的模擬?！?

Sigma公司還將在其3D軟件中增加一種新功能,即通過采用冷卻水的高速脈沖來模擬所謂“瞬間冷卻”,而不是采用速度恒定的水流來模擬。用戶可以通過控制脈沖冷卻功能的開關(guān)來確定實(shí)際的效果。Sigma公司介紹說,他們目前正在開發(fā)另外一種專用于長玻璃纖維的纖維取向模塊。之前的版本只能處理長度范圍在0.5~10mm的玻璃纖維,而新模塊的模擬范圍將更長。(end)

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