一-模具CAE技術(shù)概論

1、模具CAE基礎(chǔ),模具設(shè)計與制造專業(yè),知識要點 一 有限元分析概述 二 有限元法分析的基本過程 三 通用有限元軟件簡介 四 沖壓成形有限元模擬軟件簡介 五 塑料成型模擬軟件簡介,模具CAE基礎(chǔ),一. 模具CAE技術(shù)概論,現(xiàn)代成形加工與模具正朝著高效率、高速度、高精度、高性能、低成本、節(jié)省資源等方向發(fā)展，因此傳統(tǒng)的設(shè)計方式已遠遠無法滿足要求。 20多年來，隨著計算機技術(shù)和數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了計算機輔助工程分析(Computer Aided Engineering)這一新興的技術(shù)，該技術(shù)在成形加工和模具行業(yè)中的應(yīng)用，即模具CAE。,CAD：Computer Aided Design 計算機輔助

2、設(shè)計 CAM：Computer Aided Manufacturing 計算機輔助制造 CAE：Computer Aided Engineering 計算機輔助工程,模具 CAD/CAE/CAM 技術(shù)借助于計算機對產(chǎn)品性能 、模具結(jié)構(gòu) 、 成形工藝 、 數(shù)控加工及生產(chǎn)管理進行設(shè)計和優(yōu)化 。 能顯著縮短模具設(shè)計與制造周期 , 降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量 。,CAE所涉及的內(nèi)容非常豐富，泛指運用科學的方法、以計算機軟件的形式，為工程領(lǐng)域提供一種有效的輔助工具，幫助工程技術(shù)人員對產(chǎn)品、加工工藝、工模具、以及制造成本等進行反復(fù)的評估、修改和優(yōu)化，直到獲得最佳的結(jié)果。 由于所開發(fā)CAE軟件的種類、功能都

3、較有限，系列化與集成化都難以實現(xiàn)； CAE應(yīng)用還遠未達到所定義范圍。,目前，模具CAE的主要內(nèi)容和目的： 對工件的可加工性能作出早期的判斷，預(yù)先發(fā)現(xiàn)成形中可能產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷，并模擬各種工藝方案，以減少模具調(diào)試次數(shù)和時間，縮短模具開發(fā)時間； 對模具進行強度剛度校核，擇優(yōu)選取模具材料，預(yù)測模具的破壞方式和模具的壽命，提高模具的可靠性，降低模具成本； 通過仿真進行優(yōu)化設(shè)計，以獲得最佳的工藝方案和工藝參數(shù)，增強工藝的穩(wěn)定性、降低材料消耗、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量； 查找工件質(zhì)量缺陷或問題產(chǎn)生的原因，以尋求合理的解決方案。,1.1 有限元分析概述,對于一般的工程受力問題，獲得整個問題的精確解一般幾乎是不

4、可能的。隨著20世紀五六十年代計算機技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展、以及工程實踐中對數(shù)值分析要求的日益增長，并發(fā)展起來了有限元的分析方法。 有限元法自1960年由Clough首次提出后，獲得了迅速的發(fā)展； 首先只是應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，但很快就廣泛應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學、成形工藝等連續(xù)問題。,流體,力學,熱傳導(dǎo),成型分析,對于連續(xù)體的受力問題，可以假想地將整個求解區(qū)域離散化，分解成為一定形狀有限數(shù)量的小區(qū)域（即單元），彼此之間只在一定數(shù)量的指定點（即節(jié)點）處相互連接，組成一個單元的集合體以替代原來的連續(xù)體；,只要先求得各節(jié)點的位移，即能根據(jù)相應(yīng)的數(shù)值方法近似求得區(qū)域內(nèi)的其他各場量的分布；這就是有

5、限元法。,有限元法的實質(zhì)就是將一個無限的連續(xù)體，理想化為有限個單元的組合體，使復(fù)雜問題簡化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問題；且在一定的條件下，問題簡化后求得的近似解能夠趨近于真實解。,由于對整個連續(xù)體進行離散，分解成為小的單元； 有限元法可適用于任意復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，也便于處理不同的邊界條件； 在滿足條件下，如果單元越小、節(jié)點越多，有限元數(shù)值解的精度就越高。 隨著單元的細分，需處理的數(shù)據(jù)量非常龐大，采用手工方式難以完成，必須借助計算機； 計算機具有大存儲量和高計算速度等優(yōu)勢，同時由單元計算到集合成整體區(qū)域的有限元分析，都很適合于計算機的程序設(shè)計，可由計算機自動完成； 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元分析

6、才得以迅速的發(fā)展。,二、有限元法分析的基本過程,有限元軟件并不直接體現(xiàn)以上的過程，一般只是根據(jù)相應(yīng)的功能分為前處理、分析計算和后處理三大部分。 前處理模塊的主要功能是構(gòu)建分析對象的幾何模型、定義屬性以及進行結(jié)構(gòu)的離散劃分單元； 分析計算模塊則對單元進行分析與集成，并最終求解得到各未知場量； 后處理則將計算結(jié)果以各種形式輸出，以便于了解結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)進行數(shù)值分析。,三、通用有限元軟件簡介,有限元法自1960年代提出后，由于其強大的功能，獲得了迅速的發(fā)展。但有限元法的應(yīng)用離不開計算機和有限元應(yīng)用軟件； 隨著有限單元法理論的發(fā)展和完善，國內(nèi)外先后開發(fā)出了MSC.NASTRAN、ANSYS、ASK

7、A、ADINA、SAP等諸多大型通用有限元軟件，ABQUS、LS-DYNA、MSC.MARC等非線形分析有限元軟件，及其他各種功能的有限元應(yīng)用軟件。 這些軟件一般都具有結(jié)構(gòu)靜動力分析、大變形和穩(wěn)定分析、各種非線形 、以及熱分析、流體分析和多物理場耦合分析等功能，有比較成熟、齊全的單元庫，并提供二次開發(fā)的接口。,有限元軟件MSC.NASTRAN,NASTRAN有限元分析系統(tǒng)是由美國國家宇航局（NASA）在20世紀60年代中期委托MSC公司和貝爾航空系統(tǒng)公司開發(fā)，發(fā)展至今已有多個版本，其系統(tǒng)規(guī)模大、功能強。在70年代初期，MSC公司對原始的NASTRAN進行改進和完善后推出了MSC.NASTRAN

8、。 作為世界最流行的大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件之一，MSC.NASTRAN的分析功能覆蓋了絕大多數(shù)工程應(yīng)用領(lǐng)域，并為用戶提供了方便的模塊化功能選項。 主要分析功能模塊有：基本分析模塊、動力學分析模塊、熱傳導(dǎo)模塊、非線性分析模塊、設(shè)計靈敏度分析及優(yōu)化模塊、超單元分析模塊、氣動彈性分析模塊、DMAP用戶開發(fā)工具模塊及高級對稱分析模塊。,有限元軟件ANSYS,ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍內(nèi)增長最快的計算機輔助工程（CAE）軟件，能與多數(shù)計算機輔助設(shè)計（CAD，computer Aided design）軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Creo

9、 ，NASTRAN、Alogor、IDEAS、AutoCAD等。,ANSYS是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 ANSYS功能強大，操作簡單方便，現(xiàn)在已成為國際最流行的有限元分析軟件，在歷年的FEA評比中都名列第一。目前，中國100多所理工院校采用ANSYS軟件進行有限元分析或者作為標準教學軟件。,四、沖壓成形有限元模擬軟件簡介,金屬塑性成形一般可分為體積成形和板料成形兩大類。 在板料成形模擬方面，國際上主要有

10、美國的DYNAFORM、德國的AUTOFORM、法國的PAM系列軟件； 在體積成形方面，有美國的DEFORM、MSC.SUPERFORGE，法國的FORGE3等。,1. 板料成形模擬軟件DYNAFORM,DYNAFORM是由美國ETA公司和LSTC公司聯(lián)合開發(fā)的用于板料成形模擬的專用軟件包。DYNAFORM具有友好的用戶界面、良好的操作性能，包括大量的智能化自動工具，可方便地求解各類板成形問題。 DYNAFORM專門用于工藝及模具設(shè)計涉及的復(fù)雜板成形問題，如彎曲、拉深、成形等典型板料沖壓工藝，液壓成形、滾彎成形等特殊成形工藝； 可以預(yù)測成形過程中板料的裂紋、起皺、減薄、劃痕、回彈，評估板料的成

11、形性能，從而為板成形工藝及模具設(shè)計提供幫助。,管材頭部的打扁成型模擬,拉深制件的成型分析,2. 體積成形模擬軟件DEFORM,DEFORM系列軟件是基于工藝過程模擬的有限元系統(tǒng)(FEM數(shù)字解法與數(shù)字模擬技術(shù))，可用于分析各種塑性體積成形過程中的金屬流動以及應(yīng)變應(yīng)力溫度等物理場量的分布，提供材料流動、模具充填、成形載荷、模具應(yīng)力、纖維流向、缺陷形成、韌性破裂和金屬微結(jié)構(gòu)等信息，并提供模具仿真及其他相關(guān)的工藝分析數(shù)據(jù)。,塑料成型是制造業(yè)中的一個主要組成部分，而流動模擬對塑料成型具有重要意義； 運用塑料流動模擬能幫助設(shè)計人員優(yōu)化成型工藝與模具結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)設(shè)計人員從成型工藝的角度改進產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)、選擇適

12、合的塑料材料和成型設(shè)備，評判不同材料采用同一工藝與模具成型的可行性，分析可能出現(xiàn)的問題； 達到降低生產(chǎn)成本、縮短模具開發(fā)周期的目的。對于一般簡單的塑料制品的成型，只進行流動模擬分析即可； 對于復(fù)雜精密塑件的成型，不僅要對流動過程進行模擬分析，還需要對充模、保壓過程中塑件與模具的冷卻進行分析；甚至需要分析開模后塑件的殘余變形與應(yīng)力等。,五、塑料成型模擬軟件簡介,由于塑料成型數(shù)值模擬越來越重要的作用，以及實際的需要； 國內(nèi)外相繼開發(fā)了相應(yīng)的商品化軟件，主要有： 澳大利亞MOLDFLOW公司的MOLDFLOW系列軟件； 美國SDRC公司的Polyfill和Polycool-II， 德國IKV研究所的

13、CADMOULD系列； 法國CISIGRAPH的STRIM 100； 我國華中科技大學的華塑CAE 3DRF 5.0等。,1. 華塑CAE 3DRF 5.0軟件,華塑CAE 3DRF 5.0軟件是由華中科技大學開發(fā)，該CAE軟件與華塑CAD模具結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算校核軟件進行集成，實現(xiàn)了塑料成型工藝與模具的CAD/CAE/CAM一體化。,主要技術(shù)特點和功能有：,幾何模型的輸入 自帶幾何造型系統(tǒng)； 先進的圖形和結(jié)果顯示功能 實現(xiàn)模型及分析結(jié)果三維顯示，快速旋轉(zhuǎn)、平移、縮放；流動分析結(jié)果可隨意按時間步顯示和回溯； 操作方便 系統(tǒng)具有良好的中文界面，支持相關(guān)的中國國標，優(yōu)良的設(shè)計操作性能，采用可折疊的目錄

14、樹管理操作進程和分析數(shù)據(jù)，讓用戶能有效的控制整個分析過程的實現(xiàn)； 先進的流動分析技術(shù) 采用三維真實感注射成型流動分析； 強大的分析功能 準確地分析流動前沿、溫度場、壓力場、剪切力與剪切速率場；自動預(yù)測熔接縫和氣穴的位置等； 開放的數(shù)據(jù)庫 支持國內(nèi)外塑料數(shù)據(jù)庫，并可以測試并添加新獲得的塑料流變數(shù)據(jù)。,圖 華塑CAE 3DRF 5.0軟件分析的實例,2. MOLDFLOW系列軟件,MOLDFLOW系列軟件根據(jù)功能差別分為MPA（Moldflow Plastics Advisers）和MPI（Moldflow Plastics Insight），其中MPI功能非常強大，包括流動分析、冷卻分析、翹曲分

15、析、收縮分析、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、氣體輔助注射成型分析、注射工藝參數(shù)優(yōu)化等。,MPI的主要技術(shù)特性和功能,MPI/FLOW Base Modules基本模塊 模型及幾何建模 能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜的產(chǎn)品曲面進行造型，并能對模具冷流道、熱流道及冷卻管道方便的進行造型，并能自動進行有限單元網(wǎng)格劃分； 結(jié)果顯示 能夠?qū)τ嬎銠C計算結(jié)果按等值線、光照或按照有限單元、單元節(jié)點等多種方式顯示，并能方便的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、平移顯示結(jié)果；,標準圖形接口 能夠?qū)AD/CAM/CAE軟件的IGES格式造型文件方便地輸入到Moldflow造型模塊，節(jié)省造型時間，方便產(chǎn)品分析； 有限單元文件接口 能夠?qū)NSYS、Patran、I

16、-DEAS、C-MOLD軟件產(chǎn)生的產(chǎn)品造型網(wǎng)格文件通過此接口直接傳入到Moldflow軟件中，方便的用于分析，無須再對產(chǎn)品進行造型； 材料、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫 Moldflow材料、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫中包括近5000種樹脂材料和各種常用的模具材料、冷卻液、注塑機，方便的為您在模擬分析時提供選擇； 模塊還可根據(jù)產(chǎn)品尺寸和所選材料為您提供初步的工藝參數(shù)，包括熔料溫度、填充時間、鎖模力、注塑壓力等；,實體模型網(wǎng)格自動生成 此模塊可以將CAD軟件(如:UG、Pro/E、SolidWorks)中的三維幾何產(chǎn)品造型通過STL格式直接劃分成Moldflow網(wǎng)格文件，進行Moldflow分析；該模塊使用戶能更好的將已

17、有的CAD軟件與Moldflow軟件配合使用，減少產(chǎn)品重復(fù)造型，方便快捷，是橫跨其他CAD軟件和Moldflow軟件之間的一座天橋； 流動分析 在產(chǎn)品造型、材料、工藝確定后，通過Moldflow流動分析模塊的模擬，您可以得到在注塑過程中，熔融樹脂填充模具型腔時的各種結(jié)果及參數(shù)，如：型腔溫度、壓力、熔料推進過程、鎖模力大小、熔接痕出現(xiàn)位置、氣穴出現(xiàn)位置等；并能根據(jù)產(chǎn)品的幾何形狀優(yōu)化注塑時注塑機的螺桿曲線。 其他模塊 MPI/FUSION雙層面網(wǎng)格前處理器 將IGES面模型、STL格式文件、STEP格式文件、Parasolid格式文件等直接劃分有限元網(wǎng)格，即通過此模塊可以直接將CAD模型轉(zhuǎn)為Mol

18、dflow分析模型，無須再建模；,MPI/COOL 冷卻分析 通過Moldflow冷卻分析模塊，可以優(yōu)化模具設(shè)計方案的冷卻系統(tǒng)，包括：冷卻管道的數(shù)目、位置、尺寸，冷卻過程中的各項工藝參數(shù)等；優(yōu)化后的方案可以減少動、定模溫差，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率； MPI/ SHRINK 收縮分析 了解制品各個部分及各個方向的收縮情況及其原因，并可預(yù)測縮痕、收縮翹曲情況等； MPI/ WARP 翹曲變形分析 能夠精確的計算因冷卻及收縮不均勻而產(chǎn)生的產(chǎn)品收縮和變形，并分析其原因；幫助模具設(shè)計師收放模具型腔尺寸，優(yōu)化設(shè)計模具結(jié)構(gòu)使得制出的產(chǎn)品收縮變形減少，保證裝配尺寸； MPI/FIBER 纖維取向分析 纖維

19、取向分析模塊可以對添加了纖維材料的塑料填充全過程進行模擬，確定纖維在制品中的取向，保證制品性能。,MPI/STRESS 殘余應(yīng)力分析 能夠計算模具型腔在填充、保壓、冷卻等各個時期內(nèi)，由于因冷卻不均勻、收縮不均勻、模壁摩擦等原因引起的產(chǎn)品各部分出現(xiàn)內(nèi)因力；通過此模塊的優(yōu)化，可以保證制出的產(chǎn)品有較好的機械性能、強度、韌性； MPI/OPTIM 優(yōu)化設(shè)計專家 能優(yōu)化流道尺寸、澆口位置，使型腔填充均勻，避免由填充不均勻所導(dǎo)致的殘余應(yīng)力、翹曲變形；提供優(yōu)化的填充、保壓階段的螺桿行程速度曲線及其他工藝參數(shù)，確保熔料在型腔中均勻前進。使用者無需豐富的經(jīng)驗，也可設(shè)計出合理的澆注系統(tǒng)，設(shè)定合理的工藝條件； MP

20、I/GAS 氣體輔助成型分析 氣體輔助成型分析模塊可以對采用氣體輔助成型的工藝進行塑料流動，氣體穿透情況分析，并提供相應(yīng)的注塑工藝及氣體穿透參數(shù)，如注射時間、開始充氣時間、保壓時間、氣體保壓壓力曲線、螺桿變速曲線等等；,MPI/TSETS 熱固性塑料成型分析 模擬熱固性塑料在型腔中從物料熔融塑化到反應(yīng)成型固化的過程，并預(yù)測樹脂填充型腔時的各種參數(shù)，如：型腔溫度、壓力、熔料推進過程、鎖模力大小、熔接痕出現(xiàn)位置、氣穴出現(xiàn)位置等； MPI/FLOW3D真三維流動分析 該模塊是建立在四面體立體網(wǎng)格上的真三維流動、保壓分析。主要用于厚壁制品的分析，預(yù)測成型過程中的各種參數(shù)，包括熔料推進過程、溫度、壓力、

21、剪切應(yīng)力等，通過以上結(jié)果可以分析制品成型后可能產(chǎn)生的缺陷，包括熔接痕、氣穴、縮痕等。,圖 MOLDFLOW軟件流動分析的實例,MPA的主要技術(shù)特性和功能,MPA(Moldflow Plastic Adviser) 適合非專業(yè)性的使用者(如產(chǎn)品設(shè)計人員)。,一、產(chǎn)品設(shè)計評估 Every Part Design Evaluated 首先,設(shè)計人員可以快速評估每個薄殼射出塑件的制造可行性，產(chǎn)品設(shè)計概念得以在最初的階段即加以改善。MPA將產(chǎn)品設(shè)計及模具修改所需花費的時間與金錢降至最低，并縮短產(chǎn)品上市時間。 二、仿真制造過程 Virtual Manufacturing Insight MPA對于設(shè)計人員

22、的主要制造顧慮提供實用的建議，并能迅速的修改影響產(chǎn)品制造品質(zhì)的設(shè)定與性質(zhì)，例如薄板厚度、澆口位置、補強肋的位置及原料的選擇。,三、先進的科技 Advance Technology MPA是以非牛頓、非等溫的理論解析，及實際注模行為的仿真為基礎(chǔ)，所以結(jié)果非常的可靠、可信。另外，Moldflow豐富的原料數(shù)據(jù)庫(Database)包括了全球各大商牌七千多種原料之各項詳細精確的材質(zhì)特性數(shù)據(jù)，并隨時更新，供設(shè)計人員充分利用。,四、軟件特性 工業(yè)界最佳CAD整合軟件 Industry Best CAD integration MPA可以用集成中CAD環(huán)境下的Moldflow 菜單進行格式轉(zhuǎn)換，或是接受STL檔案，單獨使用。通過MPA使得CAD實體模型可以被真實地仿真出來。 實體基礎(chǔ) Solid Based MPA是以實體為基礎(chǔ)，在雜亂的資料轉(zhuǎn)換、網(wǎng)格的建立、實體模型的mid-plane各方面需要下評估。因此，即使再復(fù)雜的產(chǎn)品，也可以在很快的時間內(nèi)完成。 操作極其簡便 Extreme ease of use 通過模型操作工具列、線上教學和直覺式圖形使用者接口(GUI)，使得MPA操作相當簡便，只需要幾分鐘時間就可以學會，而且不