优质实体proe建模及CAE分析.docx

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优质实体proe建模及CAE分析

中文摘要

本实验是在学习三维建模软件和常见成型分析软件后的一个综合实践应用。

在我们平时的生活中有许多的产品，它们有的外形复杂。

在设计时，单靠手工的绘图设计不仅效率低下，而且修改麻烦。

在制造和成型过程中有许多的缺陷我们无法预测，如单考实验验证则大大增大成本和延长生产周期。

然而计算机辅助设计与数字化模拟成型技术却给我们的设计和制造带来了很大的便利，不仅效率高，而且精度也好。

本次试验是以生活中的一个小风扇为模型，通过建立其模型和对其一些零件的成型分析来熟悉和掌握PROE/5.0的一些常用CAD建模方法，以及对MOLDFLOW初步应用进行熟悉和掌握。

CAD部分主要是对小风扇的各个零件的建模以及其简单的装配，其中主要用到的建模方法有拉伸，旋转，螺旋扫描，扫描伸出项以及简单的曲面建模。

CAE部分主要对小风扇塑料制件进行浇口位置，充填，和冷却+流动+翘曲分析来预测选定件可能出现的气穴，熔接痕，翘曲变形等缺陷，并分析缺陷产生的原因，提出相应的解决方案，以实验来验证所提出解决办法的可行性，最后得出相应结论。

关键词：

小风扇PROE/5.0拉伸旋转扫描伸出项曲面造型边界混合MOLDFLOW充填分析浇口位置一模两腔

引言

CAD是计算机辅助设计的简称，是利用计算机辅助人设计的一种方法和技术。

他用计算机代替传统的图板，充分借助计算机的高速运算、大容量储存和强大的图像处理功能分担人的部分劳动，让设计者将主要精力集中于设计和创造性工作，从而大大设计率。

广义的CAD是指凡是计算机完成的产品设计过程，而现在我们一般指的CAD是指狭义的CAD，即是指描述产品形状和尺寸的几何建模及相关的技术。

在本实验CAD部分，我们将用到PROE/5.0的三维建模软件，结合课堂学习的基本建模方法，逐个构建小风扇各个零件，并按实际小风扇模型装配。

同时也包括在CAE部分分析时需要对一些零件模型进行适当的修改。

CAE是计算机辅助工程的简称，是利用计算机从事工程分析的方法和技术。

它实际上是一种计算方法，比如有限元法，在本实验CAE部分，MOLDFLOW软件用到的就是有限元法。

有限元分析的一般过程是：

1、建立几何模型2、选择单元类型3、定义材料特性4、划分网格5、检查模型6、定义边界条件7、计算求解8、结果分析。

本实验所用的分析软件就是MOLDFLOW，其建立有限元分析模型过程也是按照这一基本过程进行。

在CAE分析过程中，对塑件成型过程中可能出现的气穴，熔接痕等缺陷给出了一定的预测，并结合成型过程中的成型工艺，浇口位置等给出了缺陷出现的一些参考原因以及改善方法。

1实验目的

（1）本实验是自选一塑件，对其进行CAD三维建模，然后进行成形分析。

其中CAD主要包括实体特征的建立、曲面特征的创建、零件设计变更、零件装配的基本操作和工程图的制作；CAE部分主要包括MOLDFLOW应用初步，可对塑件进行充填、保压、冷却、分子取向、翘曲、浇口位置等分析，预测选定件可能出现的缺陷，并分析其原因，并提出解决办法，以实验来验证所提出解决办法的可行性。

2实验平台简介

（2）CAD平台：

PROE/5.0是一个CAD/CAE/CAM的集成化的应用软件，它本身包括设计分析和制造功能，三种活动可以在统一的平台下进行，它广泛应用于汽车、航天航空、电子、模具、玩具、工业设计和机械制造等行业。

其三维建模功能强大，其基于特征的建模方法对建模带来了很大的便利，同时实现尺寸驱动也使零件模型设计修改更加方便。

主要特征建模方法有拉伸、旋转、扫描、混合、扫描、钻孔、抽壳、加强筋等造型方法。

PROE/5.0全数据相关性保证了整个设计、分析和制造数据的一致性和相关性，能保证各个过程的联动。

并且PROE/5.0还能实现装配后的模型动画仿真，模拟零件工作过程。

但PROE/5.0分析能力一般，故此实验只用其三维建模功能，为CAE分析提供一个实体模型。

CAE系统基于几何模型定义分析模型（如有限元网格的自动划分），因此PROE/5.0建立的几何模型便是CAD/CAE两者之间的纽带。

本试验中为了让CAD实体几何模型导入到CAE分析软件中，在建模过程中要将实体几何模型保存副本为STL文件格式，并在PRO/E5.0建立的浇道草绘线存为IGS文件格式。

（3）CAE平台：

MOLDFLOW是一个模拟塑料成型的软件，多用于注射成型，其能准确反应塑胶制品在成型过程中的充填过程，体积收缩，熔接痕，气穴，冷却效果以及变形等情况。

其分析流程主要是导入分析的实体模型、网格划分、设置浇口位置，定义材料、定义成形工艺及参数、分析求解、后处理。

其分析类型有充填、流动、冷却、冷却+流动+翘曲、流动+翘曲、浇口位置、快速充填。

我们可以根据实际生产需要，选择合适的分析类型。

在本实验中，我们将用它对小风扇的注塑零件做充填分析，个别塑件还将做冷却+流动+翘曲分析。

通过MOLDFLOW模拟这个注塑零件的成型过程，预测成型后出现的气穴、熔接痕等缺陷。

在分析这些缺陷产生的原因后，再适当改变注塑工艺，浇口位置等，以改善气穴、熔接痕等缺陷。

在改变注塑工艺，浇口位置后再次用MOLDFLOW模拟这个注塑零件的成型过程，对比结果，观察缺陷是否改善或改善的程度。

3实物零件简介及设计要求

（1）实物（图1）是一个小风扇，它是由前外壳（图2）、后外壳（图3）、叶片（图4）、电机底座（图5）、电机（图6）、支架（图7）。

（2）设计要求：

（3）用PROE/5.0建立各个组建的模型，并建立装配关系。

（4）对于选定作为CAE分析的零件存为STL文件格式，建立的浇道草绘线则存为IGS文件格式。

4CAD组件设计

1、前外壳：

先在front面拉伸出一个环，作为前外壳的主框架，再在主框架上，用扫描伸出项做出一条支架，阵列从而完成其他的支架，然后再根据支架末端确定一个基准面，并在此基准面上拉伸出前外壳中心的圆饼，最后在指定位置倒圆角。

（完成后如图2）。

图1图2图3

图4图5图6

图7图8图9

图11

2、后外壳：

先在front面拉伸出一个环，作为后外壳的主框架，再在主框架上，用扫描伸出项做出一条支架，阵列从而完成其他的支架，然后用旋转命令旋转出后盖，并用拉伸阵列等命令做出后盖上相应的孔，最后在适当位置倒圆角（完成后如图3）。

3、叶片：

a拉伸两圆柱曲面；b建立一个基准平面DTM1并建立基准点，这些点分别大为小圆柱面上两圆柱边与FRONT面和DTM1面的交点；c分别以这些点建立两个基准平面DTM2和DTM3，并在基准平面DTM2和DTM3中面中草绘一条直线，注意这两条线的方向。

另外在草绘线时需要使用刚才建立的点作为参考，作曲线投影，将两条直线分别向对应的圆柱面投影；d点击边界混合工具，选择刚才建立的两条曲线，建立曲面并加厚处理，阵列得到四个叶片，在拉伸出扇叶中心部分，倒角扇叶及扇叶中心部分；e将a中拉伸的曲面和草绘线及投影的曲线隐藏。

（a、b、c、d、e过程如图11）

4、电机底座：

旋转即可得到（完成后如图5）。

5、电机：

用拉伸命令做出一个圆柱作为电机线圈部分，在拉伸做出动力输出轴（完成后如图6）。

6、支架：

此零件为对称结构，利用扫描即可完成一边，然后再镜像就可以完成，再在支架装配的地方打一个销孔。

（完成后如图7）。

7、建立简单装配关系，每个零件分别用基准轴、基准面通过配对或对齐的方式按实物图装配。

装配好的模型如图8、9爆炸图为图10。

5成型过程CAE分析及讨论

5.1建立有限元分析模型

1.所选分析零件为电机底座，并在PROE/5.0中打开其PRT文件后将其保存为STL文件格式。

2.打开MOLDFLOW软件，新建工程命名为“电机底座”，导入从PROE/5.0中已建好的实体模型STL文件，选择fusion网格类型，文件单位指定为毫米。

3.对零件进行网格划分，全局网格长选择默认的，立即划分网格。

4.网格划分好后进行网格统计（注意在fusion中，必须要自由边为0，最大纵横比小于6，若要进行翘曲分析，则匹配率也应达到90%以上）。

统计结果为自由边为0，最大纵横比为41.91，匹配百分比84.5%，由于匹配百分比84.5%不符合要求，本实验中不能进行冷却+流动+翘曲分析。

对网格进行修改，用插入节点和合并节点等方法将最大纵横比修改到6以下。

5.检查模型

5.2最佳浇口位置分析

1.复制5.1中建立的有限元分析模型。

2.将分析类型改为浇口位置。

3.立即分析。

4.分析结果（如图12）

图12

5.3根据最佳浇口位置进行充填初步分析

1．根据5.2中分析的最佳浇口位置，在PROE/5.0中找到相应位置，并以草绘方式建立浇道的草绘线，保存为IGS文件格式。

2．在MOLDFLOW中添加上一步建好的浇道草绘线的IGS文件，并更改流道草绘线的属性类型为冷流道，再更改其属性为椎体。

3．对浇道草绘线划分网格，浇道草绘线变为椎体柱。

4．分析类型选择充填。

5．设置分析时的注塑材料为PP-7533，种类为POLYPROPYLENES（PP）。

图13

6．将浇道末端设置为浇口位置，工艺控制选择默认。

7．连通性检查。

8．立即分析。

9．分析完成，查看分析结果。

（此处主要查看气穴和熔接痕分析结果分别见图13、图14）

图14

5.3充填初步分析结果讨论。

从分析结果可以看出塑件在充填过程中出现一些气穴和熔接痕，现给出其产生可能的原因和相应的改善方法。

5.3.1气穴产生可能的原因及改善方法

在塑料溶料填充型腔时，多股融料前沿包裹形成的空腔或者融料填充末端由于气体无法排除导致填充不完全时会产生气穴。

另外在空气无法从排气孔或镶埋件的缝隙逃逸时，一般出现在最后填充的区域，假如这些区域的排气孔太小或者没有排气孔，就会造成气穴。

具体表现在：

1．流道和浇口浇口位置应设置在塑件的厚壁处；直接浇口产生真空现象比较突出，应尽量避免选用；如果浇口形式无法改变。

可通过延长保压时间，加大供料量，减小浇口锥度等方法进行调节；缩短和加宽细长狭窄的流道，消除流道中的贮气死角，排除模具排气不良的故障。

2．合理设置排气孔排气孔通常设在最后充填的区域，例如熔体与熔体的交接处、分模面、镶埋件与模壁之间、顶针及模具滑块的位置。

重新设计浇口和塑料传送系统可以改变充填模式，使最后填充区域落在适当的空气逃逸；但是也要小心排气孔不能太大而造成毛边。

3．合理控制成型条件适当降低注射速度，让空气有充足的时间逃逸；采用调节注射和保压时间，改善冷却条件，控制加料量等方法。

5.3.2熔接痕产生可能的原因及改善方法

在注塑过程中，由于熔体前沿的温度不一样，由若干股熔体在型腔中汇合在一起时，在其交汇处未完全熔合在一起，彼此不能熔合为一体而形成熔合印痕。

具体表现在：

4．若注射压力过低，使得注射速度过慢，熔体在型腔中温度有差异，这种熔体在分流汇合时易产生熔接痕，对此，应适当提高注射压力。

5．塑件壁厚相差过大，熔体在充模范时多在薄壁出汇合，此处易产生熔接痕，对此，要使塑件壁厚相差不致过大，且应当平稳过渡。

6．浇口数量太多，或浇口截面积过小，使得熔体在进入型腔后分成多股，且流速又不相同，很易产生熔接痕，对此，应尽量减少浇口数，并增大浇口截面积。

5.4确定改善方案

综合以上气穴和熔接痕产生的原因及给出的解决办法给出改善办法为：

1．适当增大注射压力，由默认的120MP增加到150MP。

2．将浇道该文非椎体，并减小其长度增大其截面积。

3．从结构上将其两处倒角去掉。

5.6改善后充填分析

1．在PROE/5.0中按图12中的最佳浇口位置建立浇道草绘线，并保存副本为IGS文件格式。

2．复制5.1中建立的有限元分析模型，添加上步所保存好的浇道草绘线IGS文件。

3．更改浇道草绘线的属性类型为冷流道，更改属性为非椎体，并更改其截面尺寸使其比充填初步分析稍大些。

4．对浇道草绘线划分网格，浇道草绘线变为柱体。

5．更改分析类型为充填。

6．设置分析时的注塑材料为PP-7533，种类为POLYPROPYLENES（PP）。

图15

7．将浇道末端设置为浇口位置，工艺控制将注射压力改为150MP。

8．连通性检查。

9．立即分析。

10．分析完成，查看分析结果，此处为与充填初步分析对比，故也主要查看缺陷气穴和熔接痕分析结果（分别见图15、图16）。

图16

5.7充填分析改善前后分析结果对比

观察改善前后由前后气穴分析结果图可知，气穴缺陷改进后比改进前没有明显变化，依然有较多的存在。

观察改善前后由前后熔接痕结果图可知，熔接痕改进后比改进前也没有明显变化反而有增加的趋势。

故5.4中确定的改善方案基本无效，还需进一步改进注塑方案。

5.8分析5.6中方案失败原因及提出进一步的改进方案

由该软件分析出的最佳浇口位置不一定是最准确的最佳浇口位置，故可根据相关经验，将浇口位置进行一定的调整。

上一方案中去掉倒角，本身就是一种错误，液体塑料流过转角处时应该是有倒角更好，故恢复其倒角。

同时为提高注塑生产效率，可将注塑方式改为一模两腔，其他条件与5.6中的方案一样。

重复5.6中的步骤，有所不同的是更改浇口口位置。

现将一模两腔的过程简述如下：

1.复制5.1中所建立的有限元分析模型。

2.在菜单栏建模下拉菜单中选择移动/复制，将模型沿x方向移动20，再用镜像使模型沿YZ面镜像复制，得到两个关于YZ面对称的模型。

3.在菜单栏建模下拉菜单中选择流道系统导向，主流道的位置选择浇口中心，分型面选择浇口平面，按提示设定流道的参数完成即可得到一模两腔的模型。

分析完成后，查看分析结果，此处为与5.6改进方案分析结果进行分析对比，故也主要查看缺陷气穴和熔接痕分析结果（分别见图17、图18）。

由图可知，此次改进后，气穴和熔接痕都明显减少，尽管仍有一些缺陷，但都较小，对零件影响较小，可以忽略，故说此改进方案有效，可采用。

图17图18

6总结

通过此次的材料成型数字化综合应用实践，对生活中一些常见的产品的三维建模和用计算机数字模拟技术对产品进行成型分析有了一个整体把握。

在整个过程中，对平时课堂所学的CAD/CAE分析软件进行了一次回忆和复习。

此次CAD/CAE综合实践最大的感受就是在画零件图时，都要有整体尺寸考虑，不然会对装配带来很大的麻烦。

而且在建立零件模型时还要想到这个特征形状对零件本身成型时有什么影响。

CAD部分主要是对PROE/5.0应用。

由于选择的零件有曲面部分，所以还在此过程中了解了一些基本的曲面建模方法，如实体建模中可以旋转、拉伸出曲面模型，再加厚变成实体；也可以用混合扫描、可变剖面扫描扫出曲面；还可以在曲面造型环境中直接通过点线面建立曲面模型，也可以在已建好的曲面里添加内部曲线以改变曲面的形状，再加厚或实体化。

本实验中扇叶的建模就是用直线在圆柱面上的投影出的曲线，再用这些曲线通过边界混合建立曲面。

但这些都是皮毛而已，要学好曲面建模还要进一步努力。

另外在CAD部分装配部分，以前只是了解一些，没有实际的应用，由于不熟悉，花了大量时间，但经过这一练习，掌握了部分装配技巧。

CAE部分通过对MOLDFLOW的应用，更加深刻的理解了有限元分析模型的建立一般过程。

通过上网和查阅相关书籍，对实际生产中的塑件一些常见缺陷产生原因和解决办法有了一定的了解。

另外，要掌握好CAE分析软件，不光要熟练CAE分析软件的操作，而且还要专业知识好。

此次实践应用由于非模具专业，专业知识储备不够，所以对分析的合理性及结果的合理性都不不够理想，总体CAE部分比较粗糙，专业指导性差。

【参考文献】

《CAD/CAE/CAM方法与技术》-------编著杜平安范树迁葛森刘建涛清华大学出版社

《Pro/ENGINEERWildfire5.0中文版曲面造型设计案例实战》-------槐创锋,许玢等编著北京:

机械工业出版社