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模擬平臺轉(zhuǎn)變?！澳壳?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。

通過不斷提高對不同材料間傳熱的模擬能力,3D軟件已經(jīng)在對復(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)展還包括對制品殘余應(yīng)力的預(yù)測能力的改進(jìn),因?yàn)闅堄鄳?yīng)力會影響制件的光學(xué)性能、翹曲變形和機(jī)械強(qiáng)度等性能。

newmaker.com
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)用將會越來越廣。這是因?yàn)樗芰现破窌兊迷絹碓綇?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。“目前,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)等高等知識和正確解釋那些不同壁厚的經(jīng)驗(yàn)?？傊?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)測翹曲變形,而提升預(yù)測翹曲變形和收縮的水平是模擬技術(shù)發(fā)展的一種趨勢?！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。

newmaker.com
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)測光學(xué)制品,如汽車照明燈、醫(yī)用X光檢測放大透鏡、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,即評價(jià)注塑設(shè)備的性能。其創(chuàng)新的噴嘴壓力預(yù)測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定料筒和澆口嘴之間的壓力損失。通過對比機(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,從而更加精確地測定出熔體壓力,提升3D模擬技術(shù)對模芯的偏差、充模和翹曲變形的預(yù)測能力。

在過去的18個(gè)月,Moldflow公司對其3D流動(dòng)模擬進(jìn)行了改進(jìn),使其有能力預(yù)測分析兩個(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。新軟件還會提醒用戶這一過程可能會出現(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)。相對于以前單個(gè)模塊的購買方式,這種打包模式使得高級分析變得更加經(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,即使是小公司也能負(fù)擔(dān)得起。它的“功能”平臺則增加了冷卻、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。

newmaker.com
圖3 來自 Sigma公司的3D軟件能夠預(yù)測環(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)測功能將有助于預(yù)測光學(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。“在多數(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使制品產(chǎn)生焊縫,極大地降低了制品的表面質(zhì)量。”Yang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。”他認(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)測翹曲變形的功能。

newmaker.com
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)

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才