1.1 Autodesk Moldflow有限元分析基础

Autodesk Moldflow作为成功的注塑产品成型仿真及分析软件，采用的基本思想也是工程领域中最为常用的有限元法。有限元法的应用领域从最初的离散弹性系统发展到后来进入连续介质力学中，目前广泛应用于工程结构强度、热传导、电磁场和流体力学等领域。经过多年的发展，现代的有限元法几乎可以用来求解大部分的连续介质和场问题，包括静力问题和与时间有关的变化问题以及振动问题。

1.1.1 有限元法的基本思想与特点

简单来说，有限元法就是利用假想的线或面将连续介质的内部和边界分割成有限大小的、有限数目的、离散的单元来研究。这样就把原来一个连续的整体简化成有限个单元体系，从而得到真实结构的近似模型，最终的数值计算就是在这个离散化的模型上进行的。直观上，模型物体被划分成网格状，在Autodesk Moldflow中将这些网格状的单元个体称为单元网格（mesh）或单元格，如图1-1所示。

1.有限元法的基本思想

有限元法的基本思想包括如下几个方面。

·连续系统（包括杆系、连续体、连续介质）被假想地分割成数目有限的单元，单元之间只在数目有限的节点处相互连接，构成一个单元集合体来代替原来的连续系统，在节点上引进等效载荷（或边界条件），代替实际作用于系统上的外载荷。

·由分块近似的思想，对每个单元按一定的规则建立求解未知量与节点相互之间的关系。

·把所有单元的这种特性关系按一定的条件（变形协调条件、连续条件或变分原理及能量原理）集合起来，引入边界条件，构成一组以接点变量（位移、温度、电压等）为未知量的代数方程组，求解它们就得到有限个接点处的待求变量。

因此，有限元法实质上是把具有无限个自由度的连续系统理想化为具有有限个自由度的单元集合体，使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。

2.有限元法的特点

有限元法正是由于它的诸多特点，在当今各个领域都得到了广泛应用，具体表现如下。

·原理清楚，概念明确。

·应用范围广泛，适应性强。

·有利于计算机应用。

1.1.2 注塑成型模拟技术

注塑成型模拟技术是一种专业化的有限元分析技术，可以模拟热塑性塑料注射成型过程中的充填、浇口和型腔中的流动过程，计算浇注系统及型腔的压力场、温度场、速度场、剪切应变速率场和剪切应力场的分布，从而可以优化浇口数目、浇口位置和注塑成型工艺参数，预测所需的注射压力和锁模力，并发现可能出现的短射、烧焦、不合理的熔接痕位置和气穴等缺陷。

作为行业的主导和先驱者，Autodesk Moldflow的注塑成型模拟技术也经历了中性面（也可简称中面）模型、表面（双层面）模型和三维实体模型3个发展阶段。

1.中性面模型技术

中性面模型技术是较早出现的注塑成型模拟技术，其采用的工程数值计算方法主要包括基于中性面模型的有限元法、有限差分法和控制体积法等。其大致的模拟过程如图1-2所示。

中性面模型技术具有如下优点。

·技术原理简明，容易理解。

·网格划分结果简单，单元数量少。

·计算量较小，即算即得。

由于中性面模型技术仅考虑产品厚度小于流动方向的尺寸，塑料熔体的黏度较大，将熔体的充模流动视为扩展层流，忽略了熔体在厚度方向的速度分量，因此所分析的结果是有限且不完整的。

2.表面（双层面）模型技术

表面模型技术将型腔或制品在厚度方向上分成两部分。与中性面模型不同，它不是在中性面，而是在型腔或制品表面产生有限网格，利用表面上的平面三角网格进行有限元分析。

相应地，与基于中性面的有限差分法在两侧进行不同，厚度方向上的有限差分仅在表面内侧进行。在流动过程中，上下两表面的塑料熔体同时并且协调地流动。其大致的模拟过程如图1-3 所示。

Autodesk Moldflow的Fusion模块采用的就是表面（双层面）模型技术，它基于Autodesk Moldflow的独家专利Dualdomain分析技术使用户可以直接进行薄壁实体模型分析。

虽然，从中性面模型技术跨入表面模型技术，可以说是一个巨大进步，也得到了用户的好评，但是，表面模型技术仍然存在如下一些缺点。

·分析数据不完整。

·无法准确解决复杂问题。

·缺乏真实感。

3.三维实体模型技术

Autodesk Moldflow的Flow3D和Cool3D等模块通过使用经过验证的、基于四面体的有限元体积网格解决方案技术，可以对厚壁产品和厚度变化较大的产品进行真实的三维模型分析。

实体模型技术在数值分析方法上与中性面流技术有较大变化。在实体模型技术中熔体在厚度方向上的速度分量不再被忽略，熔体的压力随厚度方向变化。其大致的模拟过程如图1-4所示。

与中性面模型或表面模型相比，由于实体模型考虑了桶体在厚度方向上的速度分量，因此其控制方程要复杂得多，导致相应的求解过程也复杂得多、计算量大且计算时间长，这是基于实体模型的注塑流动分析目前所存在的最大问题。

1.1.3 注塑制品的质量管理与常见缺陷处理方法

在注塑生产过程中，由于机器设备及人为操作等原因，制品经常出现各种各样的品质缺陷。在Autodesk Moldflow应用之前，大多数注塑操作者仅凭积累的工作经验进行处理，不仅盲目调机时间长，而且原料还浪费较大，对一些问题缺乏科学的系统性分析。

1.制品的质量管理

在实际注塑成型生产中，人们总是希望不要产生废品，但是由于受到注塑原料、成型模具、注塑机及辅助设备、成型环境等因素的影响，总会出现各种各样的质量问题，因此注塑制品的质量管理显得极为重要。

质量管理包括正确选择注塑机型、原材料的控制、模具的有效管理、注塑工艺操作与调整、推行品质检查与全面品质管理、建立完善的品质保证体系、选择适当的控制方法以及实现品质的网络化管理等方面。

质量管理是一项系统、复杂和烦琐的工作，没有固定的模式，各个企业应该根据自身的特点确定自己的管理思路及管理方法。总之，品质要常抓不懈、持之以恒，这样才能抓出效果和品质。影响制品质量的因素包括如下几方面。

·对注塑件有精度和质量（表面和内在）的要求。

·注塑件的精度取决于塑料材料、模具、注射工艺、制品的结构等。

·对于大制品，成型条件的波动所造成的误差占制品公差的1/3；对于小制品，模具的制造精度占制品精度的1/3，单个型腔的制品精度较高，运动型芯的部位精度较低，浇注系统、冷却系统、脱模力设计不当均会使制品变形从而影响精度。

·大批量生产中，要保证每次注射时所有型腔流动和固化条件（时间、温度和压力均影响收缩）的一致性。

·提高注塑件的精度，主要依赖模具的设计与制造，而保证注塑件的质量主要靠对注射工艺的控制，与流道系统关系密切。

2.常见制品缺陷及处理方法

常见制品缺陷及处理方法如下所述。

(1) 短射

短射是指由于模具型腔填充不完全造成的制品不完整的质量缺陷，即熔体在完成填充之前就已经凝结，易出现在偏薄胶位及角落位置，如图1-5所示。

造成短射的原因如下所述。

·流动受限，由于浇注系统设计得不合理导致熔体流动受到限制，流道过早凝结。

·出现滞留或制品流程过长、过于复杂。

·排气不充分，未能及时排出的气体会产生阻止熔体流动压力。

·模温或料温过低，降低了熔体流动性，导致填充不完全。

·成型材料不足，注塑机注塑量不足或者螺杆速率过低也会造成短射。

·注塑机的缺陷，入料堵塞或螺杆前端缺料。

短射的解决方案如下所述。

·避免迟滞现象发生。

·尽量消除气穴，将气穴位置设在利于排气的位置或利用顶杆排气。

·增加螺杆速率。

·改进制件设计，使用平衡流道，并尽量减小制件的厚度差异。

·更换成型材料。

·增大注塑压力。

（2）气穴

气穴是指由于熔体前沿汇聚而小塑件内部或在模腔表层形成的气泡。其现象为表面有气泡孔、真空气泡，通常在PC透明料中比较容易出现，如图1-6所示。

造成气穴的原因如下所述。

·跑道效应。

·滞留。

·不平衡，即使制件厚度均匀，各个方向上的流长也不一定相同，导致气穴产生。

·排气不充分。

气穴的解决方案如下所述。

·平衡流长。

·避免滞留和跑道效应的出现，对浇注系统做修改，从而使制件最后填充位置位于容易排气的区域。

·充分排气，将气穴位置设在利于排气的位置或利用顶杆排气。

（3）熔接痕与熔接线

当两个或多个流动前沿融合时，会形成熔接痕和熔接线。两者的区别是融合流动前沿的夹角的大小。图1-7所示的物品中很明显地可以看到制品表面出现的熔接线。

熔接痕和熔接线成因：由于制件的几何形状，填充过程中出现两个或两个以上的流动前沿时，就很容易产生了熔接痕和熔接线。

熔接痕与熔接线的解决方案如下所述。

·增加模温和料温，使两个相遇的熔体前沿融合得更好。

·改进浇注系统设计，在保持熔体流动速率的前提下减小流道尺寸，以产生摩擦热。

（4）飞边（披锋）

飞边是指在分型面或者顶杆部位从模具模腔溢出的薄层材料，如图1-8所示。飞边通常与制件相连，通常需要人工清除。

造成飞边的原因如下所述。

·模具分型面闭合性差，模具变形或存在堵塞物。

·锁模力过小。

·过保压。

·成型条件有待优化，如成型材料黏度、注塑速率和浇注系统等。

·排气位置不当。

飞边的解决方案如下所述。

·确保分型面能闭合得很好。

·避免保压过度。

·选择具有较大锁模力的注塑机。

·设置合适的排气位置。

·优化成型条件。

（5）凹陷及缩痕

凹陷及缩痕是注塑制品表面产生凹坑、陷窝或收缩痕迹的现象，由熔体冷却固化时体积收缩而产生，如图1-9所示。

造成凹陷及缩痕的原因如下所述。

·模具缺陷。

·注塑工艺不当。

·注塑原料不符合要求。

·制件结构设计不合理。

凹陷及缩痕的解决方案如下所述。

·改进进料口及浇口的形状。

·增加注塑压力与注射速率。

·改善原料的成分，可适当增加润滑剂。

·尽量保证制品壁厚的一致性。

（6）翘曲及扭曲

翘曲及扭曲都是产品脱模后产生的制品变形现象。沿边缘平行方向的变形称之为翘曲（如图1-10所示），沿对角线方向上的变形称之为扭曲。

造成翘曲及扭曲的原因如下所述。

·冷却不当。

·分子取向不均衡。

·浇注系统设计的缺陷。

·脱模系统结构不合理。

·成型条件设置不当。

翘曲及扭曲的解决方案如下所述。

·合理改善冷却系统，应保证制件均匀冷却。

·降低模温与料温，减小分析的流动取向。

·合理地设置浇口位置和浇口类型。

·适当增加注射压力、注射速率和保压时间等注塑工艺参数。

（7）烧焦

物品表面呈现烧焦状（即呈现灰黑色），易出现在结合线旁边或产品末端等位置，如图1-11所示。

造成烧焦的原因如下所述。

·注塑射速、射压偏高。

·料筒温度偏高。

·模具排气不良。

烧焦的解决方案如下所述。

·注塑降低射速、射压。

·降低料筒温度。

·模具增加排气。

（8）波纹

物品表面呈现波纹状，一般出现在浇口处，如图1-12所示。

造成波纹的原因如下所述。

·注塑射速、射压、保压偏小。

·炮筒温度过低。

·模具浇口太小。

波纹的解决方案如下所述。

·注塑提高射速、射压、保压。

·提高炮筒温度。

·提高模温。

（9）顶凸

物品表面有白色印记，一般位于顶针的背面，如图1-13所示。

造成顶凸的原因如下所述。

·注塑保压偏高。

·顶出速度太快。

·冷却时间不够。

·模具有倒扣或拔模角度不够。

·顶针截面积偏小。

顶凸的解决方案如下所述。

·注塑降低保压，放慢顶出速度，延长冷却时间。

·提高射速、射压、保压，提高炮筒温度，以及提高模温。

（10）拉白

物品表面呈白色、将断不断的状态。一般出现在薄壁转角处或薄壁筋根部，如图1-14所示。

造成拉白的原因如下所述。

·注塑射速与保压时间偏高。

·模具拔模角度不够。

·转角位置的结构设计不合理。

·顶杆位置设计不正确。

拉白的解决方案如下所述。

·注塑降低保压和时间，放慢顶出速度，延长冷却时间。

·降低射速、射压，增加模具拔模角度，转角处添加圆角以提高结构强度。