CAE技術(shù)在三維注塑成形模擬系統(tǒng)的研究和應(yīng)用

2013-07-17 by:廣州Abaqus培訓(xùn)中心來源:仿真在線

CAE技術(shù)在三維注塑成形模擬系統(tǒng)的研究和應(yīng)用

作者:張宜生李德群周華民

一、發(fā)展概況和應(yīng)用背景

塑料工業(yè)近20年來發(fā)展十分迅速,早在7年前塑料的年產(chǎn)量按體積計(jì)算已經(jīng)超過鋼鐵和有色金屬年產(chǎn)量的總和,塑料制品在汽車、機(jī)電、儀表、航天航空等國家支柱產(chǎn)業(yè)及與人民日常生活相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。塑料制品成形的方法雖然很多,但最主要的方法是注塑成形,世界塑料成形模具產(chǎn)量中約半數(shù)以上是注塑模具。

隨著塑料制品復(fù)雜程度和精度要求的提高以及生產(chǎn)周期的縮短,主要依靠經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)方法已不能適應(yīng)市場的要求,在大型復(fù)雜和小型精密注射模具方面我國還需要從國外進(jìn)口模具。

二、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)用功能

1.用三維實(shí)體模型取代中心層模型

傳統(tǒng)的注塑成形仿真軟件基于制品的中心層模型。用戶首先要將薄壁塑料制品抽象成近似的平面和曲面,這些面被稱為中心層。在這些中心層上生成二維平面三角網(wǎng)格,利用這些二維平面三角網(wǎng)格進(jìn)行有限元計(jì)算,并將最終的分析結(jié)果在中面上顯示。而注塑產(chǎn)品模型多采用三維實(shí)體模型,由于兩者模型的不一致,二次建模不可避免。但由于注塑產(chǎn)品的形狀復(fù)雜多樣、千變?nèi)f化,從三維實(shí)體中抽象出中心層面是一件十分困難的工作,提取過程非常繁瑣費(fèi)時(shí),因此設(shè)計(jì)人員對仿真軟件有畏難情緒,這已成為注塑成形仿真軟件推廣應(yīng)用的瓶頸。

HSCAE 3D主要是接受三維實(shí)體/表面模型的STL文件格式?，F(xiàn)在主流的CAD/CAM系統(tǒng),如UG、proeNGINEER、CATIA和SolidWorks等,均可輸出質(zhì)量較高的STL格式文件。這就是說,用戶可借助任何商品化的CAD/CAE系統(tǒng)生成所需制品的三維幾何模型的STL格式文件,HSCAE 3D可以自動將該STL文件轉(zhuǎn)化為有限元網(wǎng)格模型,通過表面配對和引入新的邊界條件保證對應(yīng)表面的協(xié)調(diào)流動,實(shí)現(xiàn)基于三維實(shí)體模型的分析,并顯示三維分析結(jié)果,免去了中心層模擬技術(shù)中先抽象出中心層,再生成網(wǎng)格這一復(fù)雜步驟,突破了仿真系統(tǒng)推廣應(yīng)用的瓶頸,大大減輕了用戶建模的負(fù)擔(dān),降低了對用戶的技術(shù)要求,對用戶的培訓(xùn)時(shí)間也由過去的數(shù)周縮短為幾小時(shí)。

2.有限元、有限差分、控制體積方法的綜合運(yùn)用

注塑制品都是薄壁制品,制品厚度方向的尺寸遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺寸,溫度等物理量在厚度方向的變化又非常大,若采用單純的有限元或有限差分方法勢必造成分析時(shí)間過長,無法滿足模具設(shè)計(jì)與制造的實(shí)際需要。我們在流動平面采用有限元法,厚度方向采用有限差分法,分別建立與流動平面和厚度方向尺寸相適應(yīng)的網(wǎng)格并進(jìn)行耦合求解,在保證計(jì)算精度的前提下使得計(jì)算速度滿足工程的需要,并采用控制體積法解決了成形中的移動邊界問題。對于內(nèi)外對應(yīng)表面存在差異的制品,可劃分為兩部分體積,并各自形成控制方程,通過在交接處進(jìn)行插值對比保證這兩部分的協(xié)調(diào)。

3.數(shù)值計(jì)算與人工智能技術(shù)的結(jié)合

優(yōu)選注塑成形工藝參數(shù)一直是廣大模具設(shè)計(jì)人員關(guān)注的問題,傳統(tǒng)的CAE軟件雖然可以在計(jì)算機(jī)上仿真出指定工藝條件下的注塑成形情況,但無法自動對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。CAE軟件使用人員必須設(shè)置不同的工藝條件進(jìn)行多次CAE分析,并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)在各方案之間進(jìn)行比較,才能得出較滿意的工藝方案。同時(shí),在對零件進(jìn)行CAE分析后,系統(tǒng)會產(chǎn)生有關(guān)該方案的大量信息(制品、工藝條件、分析結(jié)果等),其中分析結(jié)果往往以各種數(shù)據(jù)場的形式出現(xiàn),要求用戶必須具備分析和理解CAE分析結(jié)果的能力,所以傳統(tǒng)的CAE軟件是一種被動式的計(jì)算工具,無法提供給用戶直觀、有效的工程化結(jié)論,對軟件使用者的要求過高,影響了CAE系統(tǒng)在更大范圍內(nèi)的應(yīng)用和普及。

針對以上不足,HSCAE 3D軟件在原有CAE系統(tǒng)準(zhǔn)確的計(jì)算功能基礎(chǔ)上,把知識工程技術(shù)引入系統(tǒng)的開發(fā)中,利用人工智能所具有的思維和推理能力,代替用戶完成大量信息的分析和處理工作,直接提供具有指導(dǎo)意義的工藝結(jié)論和建議,有效解決了CAE系統(tǒng)的復(fù)雜性與用戶使用要求的簡單性之間的矛盾,縮短了CAE系統(tǒng)與用戶之間的距離,將仿真軟件由傳統(tǒng)的“被動式”計(jì)算工具提升為“主動式”優(yōu)化系統(tǒng)。HSCAE 3D系統(tǒng)主要將人工智能技術(shù)應(yīng)用于初始工藝方案設(shè)計(jì)、CAE分析結(jié)果的解釋和評價(jià)、分析方案的改進(jìn)與優(yōu)化3個(gè)方面2。

在基于知識的仿真系統(tǒng)中主要采用的優(yōu)化方法:
(1) 基于實(shí)例推理的優(yōu)化。主要應(yīng)用于具有離散取值空間的成形工藝初始設(shè)計(jì)。制品形狀和澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用編碼方式,而尺寸信息采用特征參數(shù)描述。在對以往成功工藝設(shè)計(jì)的收集和抽象的基礎(chǔ)上,建立以框架形式描述的實(shí)例庫索引和檢索機(jī)制。
(2) 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。對工藝設(shè)計(jì)中如注射時(shí)間、注射溫度這樣具有連續(xù)取值空間的參數(shù),采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來優(yōu)化。利用優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)并在一定的優(yōu)化策略下,得到優(yōu)化系統(tǒng)確認(rèn)的最優(yōu)參數(shù)。

(3) 基于規(guī)則推理的優(yōu)化。主要用于對分析結(jié)果的解釋和評價(jià)。本系統(tǒng)所建立的專家系統(tǒng)規(guī)則庫是以注塑模領(lǐng)域的專家知識為基礎(chǔ)的,涵蓋了有關(guān)短射、流動平衡、熔體降解、溫差控制、保壓時(shí)間、許可剪切應(yīng)力、剪切速率、鎖模力等方面的知識,在對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和提煉的基礎(chǔ)上,驅(qū)動專家系統(tǒng)進(jìn)行推理,對成形方案進(jìn)行分析評價(jià),并給出具體的優(yōu)化改進(jìn)建議。

4.制品與流道系統(tǒng)的三維流動保壓集成分析

流道系統(tǒng)一般采用圓柱體單元,而制品采用的是三角形單元,HSCAE 3D系統(tǒng)采用半解析法解決混合單元的集成求解問題,這樣,HSCAE 3D系統(tǒng)不僅能分析一模一腔大型復(fù)雜的制品,而且能夠分析一模多腔小型精密制品,大大拓寬了系統(tǒng)的使用范圍。目前HSCAE 3D系統(tǒng)是世界上先進(jìn)的能夠分析一模多腔流動平衡問題的三維仿真軟件。

5.塑料制品熔合紋預(yù)測的高效算法

熔合紋對制品的強(qiáng)度、外觀等有重要影響,準(zhǔn)確預(yù)測熔合紋位置是仿真軟件的難題。HSCAE 3D系統(tǒng)通過節(jié)點(diǎn)特征模型方法大大提高了熔合紋預(yù)測的準(zhǔn)確性和效率,其準(zhǔn)確度達(dá)到國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對熔合紋的影響程度作出定性評價(jià),為用戶對成形質(zhì)量的評估提供了直接的判斷依據(jù)。