CAE的基本原理

CAE的基本原理
1） 粘性流體力學的基本方程
(1) 廣義牛頓定律，反映了一般工程問題範圍內粘性流體的應力張量與應變速率
張量之間的關係，數學運算式為本構方程。
(2) 品質守恆定律，其含義是流體的品質在運動過程中保持不變，數學運算式為
連續性方程。
(3) 動量守恆定律，其含義是流體動量的時間變化率等於作用於其上的外力總
和，數學運算式為運動方程。
(4) 熱力學第一定律，其含義是系統內能的增加等於對該系統所作的功與加給該
系統的能量之和，數學運算式為能量方程。
2） 塑膠熔體充模流動的簡化和假設
(1) 由於型腔壁厚(z向)尺寸遠小於其他兩個方向(x和y方向)的尺寸且塑膠熔體
粘性較大，所以熔體的充模流動可視為擴展層流，z向的速度分量可忽略不計，
且認為壓力不沿z向變化。
(2) 充模過程中熔體壓力不是很高，因此可視熔體為未壓縮流體。
(3) 由於熔體粘性較大，相對于粘性剪切應力而言，慣性力和品質力都很小，可
忽略不計。
(4) 在熔體流動方向(x和y方向)上，相對于熱對流項而言，熱傳導項很小，可忽
略不計。
(5) 熔體不含內熱源。
(6) 在充模過程中，熔體溫度變化不大，可認為比熱容和導熱係數是常數。
(7) 熔體前沿採用平面流前模型。
3） 塑膠熔體充模流動的控制方程
5） 數值計算實施過程與策略
CAE軟體的應用過程。首先根據製品的幾何模型剖分具有一定厚度的三角形單
元，對各三角形單元在厚度方向上進行有限差分網格剖分，在此基礎上，根據熔
體流動控制方程在中性層三角形網格上建立節點壓力與流量之間的關係，得到一
組以各節點壓力為變數的有限元方程，解方程組求得節點壓力分佈，同時將能量
方程離散到有限元網格和有限差分網格上，建立以各節點在各差分層對應位置的
溫度為未知量的方程組，求解方程組得到節點溫度在中性層上的分佈及其在厚度
方向上的變化，由於壓力與溫度通過熔體粘度互相影響，因此必頇將壓力場與溫
度場進行迭代耦
注射溫度
熔體流入冷卻的型腔，因熱傳導而散失熱量。與此同時，由於剪切作用而產生熱
量，這部分熱量可能較熱傳導散失的熱量多，也可能少，主要取決於注塑條件。
熔體的粘性隨溫度升高而變低。這樣，注射溫度越高，熔體的粘度越低，所需的
充填壓力越小。同時，注射溫度也受到熱降解溫度、分解溫度的限制。
3） 模具溫度
模具溫度越低，因熱傳導而散失熱量的速度越快，熔體的溫度越低，流動性越差。
當採用較低的注射速率時，這種現象尤其明顯。
4） 注射時間
注射時間對注塑過程的影響表現在三個方面：
（1）縮短注射時間，熔體中的剪應變率也會提高，為了充滿型腔所需要的注射
壓力也要提高。
（2）縮短注射時間，熔體中的剪應變率提高，由於塑膠熔體的剪切變稀特性，
熔體的粘度降低，為了充滿型腔所需要的注射壓力也要降低。
（3）縮短注射時間，熔體中的剪應變率提高，剪切發熱越大，同時因熱傳導而
散失的熱量少,因此熔體的溫度高,粘度越低，為了充滿型腔所需要的注射壓力也
要降低。
以上三種情況共同作用的結果，使圖3-7中的充滿型腔所需要的注射壓力的曲線
呈現“U”形。也就是說，存在一個注射時間，
注射時間
熔體溫度
注射壓力
時所需的注射壓力最小。
2〃注射模流動類比軟體分析結果的指導作用
注射模流動類比軟體的指導意義十分廣泛，她是一種設計工具，能夠輔助模具設
計者優化模具結構與工藝，指導產品設計者從工藝的角度改進產品形狀，選擇最
佳成型性能的塑膠，幫助模具製造者選擇合適的注射機，當變更塑膠品種時對現
有模具的可行性做出判斷，分析現有模具設計弊病。同時，流動軟體又是一種教
學軟體工具，能夠幫助模具工作者熟悉熔體在型腔內的流動行為，把握熔體流動
的基本原則。下面逐項分析三維流動軟體的主要輸出結果是如何用來指導設計
的。
1） 熔體流動前沿動態顯示
三維流動類比軟體能顯示熔體從進料口逐漸充滿型腔的動態過程，由此可判斷熔
體的流動是否較理想的單項流形式（簡單流動）（複雜流動成型不穩定，容易出
現次品）。各個流動分支是否在同時充滿型腔的各個角落（流動是否平衡）。若
熔體的填充過程不理想，可以改變進料口的尺寸，數量和位置，反復運行流動類
比軟體，一直到獲得理想的流動形式為止。若僅僅是為了獲得較好的
流動形式而暫不考察詳盡的溫度場，應力場的變化，或是初調流道系統，最好是
運行簡易三維流動分析（等溫流動分析），經過幾次修改，得到較為滿意的流道
設計後，再運行非等溫三維流動分析。
2） 型腔壓力
在填充過程中最大的型腔壓力值能幫助判斷在指定的注射機上熔體能否順利充
滿型腔（是否短射），何處最可能產生飛邊，在各個流動方向上單位長度的壓力
差（又稱壓力梯度）是否接近相等（因為最有效的流動形式是沿著每個流動分支
熔體的壓力梯度相等），是否存在局部過壓（容易引起翹曲）。流動類比軟體還
能給出在熔體填充模具所需的最大鎖模力，以便用戶選擇注射機。
3） 熔體溫度
流動類比軟體提供型腔內熔體在填充過程中的溫度場。可鑒別在填充過程中熔體
是否存在著因剪貼發熱而形成的局部熱點（易產生表面黑點、條紋等並引起機械
性能下降），判斷熔體的溫度分佈是否均勻（溫差太大是引起翹曲的主要原因），
判斷熔體的平均溫度是否太低（引起注射壓力增大）。熔體接合點的溫度還可幫
助判斷熔合紋的相對強度。
4） 剪切速率
剪貼速率又稱應變速率或者速度梯度。該值對熔體的流動過程影響甚大。實驗表
明，熔體在剪貼速率為103S-1左右成型，製品的品質最佳。流道處熔體剪貼速
率的推薦值約為5*102~5*103S-1，澆口處熔體剪貼速率的推薦值約為
104~105S-1 。流動軟體能給出不同填充時刻型腔各處的熔體剪切速率，這就有
助於用戶判斷在該設計方案下預測的剪切速率是否與推薦值接近，而且還能判斷
熔體的最大剪切速率是否超過該材料所允許的極限值。剪切速率過大將使熔體過
熱，導致聚合物降解或產生熔體破裂等弊病。剪切速率分佈不均勻會使熔體各處
分子產生不同程度的取向，因而收縮不同，導致製品翹曲。通過調整注射時間可
以改變剪切速率。
5） 剪切應力
剪切應力也是影響製品品質的一個重要因素，製品的殘餘應力值與熔體的剪切應
力值有一定的對應關係，一般，剪切應力值大，殘餘應力值也大。因此總希望熔
體的剪切應力值不要過大，以避免製品翹曲或開裂。根據經驗，熔體在填充型腔
時所承受的剪切應力不應超過該材料抗拉強度的1%。
6） 熔合紋/氣穴
兩個流動前沿相遇時形成熔合紋，因而，在多澆口方案中熔合紋不可避免，在單
澆口時，由於製品的幾何形狀以及熔體的流動情況，也會形成熔合紋。熔合紋不
僅影響外觀，而且為應力集中區，材料結構性能也受到削弱。改變流動條件（如
澆口的數目與位置等）可以控制熔合紋的位置，使其處於製品低感光區和應力不
敏感區（非“關鍵”部位）。而氣穴為熔體流動推動空氣最後聚集的部位，如果
該部位排氣不暢，就會引起局部過熱、氣泡、甚至充填不足等缺陷，此時就應該
加設排氣裝置。流動類比軟體可以為用戶準確地預測熔合紋和氣穴的位置。
7） 多澆口的平衡
當採用多澆口時，來自不同澆口的熔體相互匯合，可能造成流動的停滯和轉向（潛
流效應），這時各澆口的充填不平衡，影響製品的表面品質及結構的完整性，也
得不到理想的簡單流動。這種情況應調整澆口的位置。
流動類比軟體在優化設計方案更顯優勢。通過對不同方案的模擬結果的比較，可
以輔助設計人員選擇較優的方案，獲得最佳的成型品質。
3〃流動軟體的正確使用
注射模流動類比軟體只是一種輔助工具，它能否在產生中性層發揮作用並產生經
濟效益，在很
大程度上取決於模具設計者的正確使用。
1） 流動軟體的使用人員
流動軟體的使用者必頇熟悉注射成型工藝，具有一定的注射模設計經驗。這樣，
用戶才能針對性地利用流動軟體解決模具結構設計或工藝問題，例如，如果澆口
處剪切速率過高，是修正澆口尺寸，還是改變熔體溫度，抑或更換注射材料呢，
不具備注射成型工藝知識的人很難做出正確選擇的。流動軟體的輸出的結果涉及
到塑膠粘度，剪切速率，溫度，壓力以及它們的相互作用，即使是經驗豐富的模
具設計師也應學一點塑膠流變學的知識，總結注射流動的基本規律，這樣才能站
在理論與實踐結合的高度用好流動類比軟體。
2） 輸入資料的正確性
首先要輸入合理的注射成型工藝參數。
第二還要有正確的材料參數（如熱傳導率，比熱，密度，不流動溫度以及粘度等）。
如前所敘，塑膠材料的性能參數（流變性、壓縮性等）十分重要，不同的性能參
數將導致完全不同的模擬結果。同時，塑膠材料的性能又因品種不同、牌號不同、
生產廠家不同、甚至批次不同而差異較大。因此，獲得所用材料的準確的性能參
數是使用CAE軟體的前提條件。尤其是材料的粘性參數，對充模流動有重要影
響，又不易通過實驗直接獲得.