基于Moldflow的进气岐管硅胶模真空注型分析
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http://www.paper.edu.cn 基于Moldflow的进气岐管硅胶模真空注型分析 欧智华1,陈光辉2 (天津大学材料学院,天津大学天津内燃机研究所,天津 300072)
摘要:应用Moldflow软件对硅胶模真空注型过程进行了流动填充分析和翘曲变形分析,拓展了MPI的应用范围。通过应用Hypermesh和其它相关软件,对前期导入的数据格式进行有效处理,获得了满足Moldflow分析要求的高质量网格。通过汽车发动机进气岐管的实例,验证了此方法的可行性。 关键词:Moldflow; Hypermesh; 真空注型; 网格划分 中图分类号:TG76 文献标识码:A
快速成型技术(Rapid prototyping, RP)是20世纪90年代兴起的一项先进的制造技术,已被广泛应用于制造业的新产品、新工艺的研究开发过程。快速制模(Rapid Tooling, RT)技术以双组分室温固化(room temperature vulcanized, RTV)合成材料为制模材料,快速制备高精度树脂模具(soft mould),结合真空注型工艺可以进行塑料类产品样机样件制作和小批量生产。而以RP技术应用为基础,采用RTV硅胶模技术和真空注型技术,可以实现一条新产品开发的快速制造路线[1]。
应用硅胶模快速制模技术和真空注型工艺,设备投入少,工艺简单快捷,特别适用于产品开发试制,已逐步成为塑料类产品快速试制的主流技术措施。在真空注型工艺过程中,对高精度、复杂件的填充注型主要依靠既往经验和试模调整,一定程度上影响了注型质量和生产效率。将CAE分析引入到快速制模/真空注型工艺中,将
更有效地规划制模工艺,缩短研发时间,提高产品质量。 Moldflow软件作为模流分析领域的主流软
件,已经广泛应用于塑料件设计、产品结构设计和模具设计等领域。但Moldflow在真空注型的CAE分析领域应用较少,本文将Moldflow引入
到真空注型的CAE分析中,并且通过分析来优化硅胶模快速制模和真空注型工艺参数。 此外,对于MPI模流分析来说,网格的质量往往直接影响到分析结果的准确性和可靠性,本文利用MPI配套软件(如Moldflow的配套软件CAD Doctor Expert,Magic RP软件中的STL Expert等)和Hypermesh内置Moldflow专用接口提出了多种有效地前期处理网格的方法,提高
了网格质量,并且显著减少了前期处理网格时间。 1. 产品CAE分析流程 1.1. 真空注型工艺路线 在硅胶模快速制模流程中(如图 1所示),在完成CAD数据的模型之后,数据的修改(见流程框图中的阴影部分),主要依靠的是既往经验的积累。
概念/原型设计
构建三维CAD模型模型尺寸修正
快速硅胶模制作真空注型样件
数据返回修改
OK
OK
Else
ElseElse
结束OK
快速原型制造
图 1 RTV硅胶模流程 1.2. 引入CAE分析后工艺流程 将Moldflow模流分析软件引入到硅胶模快速制模工艺流程中,可以利用CAE的分析结果对浇口位置、分型结构、成型条件等方面进行指导,从而减少对制模经验的依赖度,可以更方便的优化模具结构,提高硅胶模制作成功率。该工艺路线如图 2所示。
1 概念/原型设计构建三维CAD模型CAE分析OK模型尺寸修正
快速原型制造快速硅胶模制作
数据返回修改
OK
ElseElse真空注型样件OKElse
结束OK
Else
图 2 加入CAE后的工艺流程 2. Moldflow真空注型分析
应用Moldflow软件进行模流分析,分为中面
流(Mid-plane)、表面流(Fusion)和实体流(Solid)三种网格分析模式,而且在MPI中所有分析模式下的网格均采用三角形网格,并且每一种方法对网格质量的要求和产品结构的要求都各不相同。 由于当前的实体建模CAD软件很多,造成了软件之间的数据接口比较混乱,目前比较通用的数据格式为IGS格式,但是该格式容易造成模型特征的丢失。随着计算机硬件技术的发展,尽管计算机的运算速度逐渐增快,但进行MPI分析的大部分时间却花费在数据的前期处理中。CAE分析工程师为了获得理想的网格质量,需要对数据进行长时间的修改,并且由于模型越来越复杂,导致有时尽管经过长时间修改,网格的匹配率仍旧不能满足Moldflow分析的要求,使得分析结果十分不准确。 通过试验,进行了多种数据格式的转换,归纳总结了Mid-plane, Fusion和Solid三种不同分析模式的网格处理流程,该流程如图 3所示。
PRO/E,UG等数据格式
Mid-Plane分析Fusion分析3D分析
Moldflow/MPI
Hypermesh*.IGS,*.STP等
几何清理抽取中性面网格划分
几何清理
实体网格划分
*.UDM(3D)
CAD DoctorMagic STL
*.IGS,*.STP等*.STL格式
网格划分划分网格简单分层划分网格
*.UDM(Mid-Pla
ne)
网格划分*.UDM
(Fusion)
*.STL格式等MPI可使用数据格式
图 3 Moldflow数据处理与分析流程 3. 进气岐管分析实例 如图 4所示,为汽车发动机塑料进气岐管零件图,该零件整体尺寸为600mm×525mm×492mm,该组件由3个部件组成,其中上片体是
形成进气通道的主要部件,且结构刚度较低,对
真空注型过程要求高,所以主要针对上片体部件进行分析。该零件分支部分零件厚度较均匀,但是,在出水口有较大的尺寸变化,最厚部位为14mm,不适采用Mid-plane网格进行分析,同时,
由于Fusion划分的网格匹配率不高,长宽比也不理想,故采用3D分析。
http://www.paper.edu.cn 2 (1)组件图 (2)零件图 图 4 进气岐管CAD模型
1.1. 数据的前处理 首先将由Pro/Engineer建好的模型,以STP的格式导出,然后使用Hypermesh内置Moldflow宏菜单(Molding)将该格式导入,用Hypermesh对导入数据进行清理(如去小圆角边、去重叠边等)后,利用Tetramesh菜单对导入的实体划分实体网格,取单元大小为5mm (element size=5.0),划分完毕后以Moldflow可识别的格式(*.udm)导出,图 5为导出该格式时的对话框。
图 5 输出Moldflow模型对话框
将导出的*.udm文件直接导入至Moldflow中,在设定其他工艺参数后,可以发现整个模型颜色呈现灰色,无法进行分析。故对Moldflow进行3D分析,需要对Hypermesh输出的UDM网格进行重新划分,此划分不改变在Hypermesh中划分的网格大小,只是对3D网格进行优化处理。设定厚度方向上的最小单元数(Minimum number of elements through the thickness)为6,然
后重新划分网格,优化结束后可以获得符合Moldflow分析要求的3D实体网格。此过程比由
高质量的Fusion网格划分所得3D网格质量好,而且划分速度快。Moldflow优化后数据与直接由Hypermesh导入数据的对比如表 1所示。
表 1 Moldflow优化前后网格质量对比 Hypermesh 导入数据 Moldflow 优化后数据 NodesNumber 20337 85261
Tetras Number 60004 471138 Volume(%)100 100
Aspect ratio
Max 1331.1 67.7
Average 2.31 10.03 Min 1.05 1.05
3D网格划分完成后的有限元模型如图 6所示
图 6 进气岐管有限元模型 1.2. 工艺参数的设定 a) 材料 分析采用的材料为AXSON公司的PX220,材料的主要性能参数如表 2,表 3所示
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