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注射成型CAD/CAE/CAM集成系统

中国，华中科技大学，袁中双，李德群，陈兴，叶翔高，高先科和肖景容著

本文描述的是一个CAD/CAE/CAM集成系统。

在CAD/CAE阶段，注塑件的图纸可与模具零件交互转换，同时，根据用户需求，可以进行机械检验、运行平衡分析、流动分析及冷却模拟。

在CAM阶段，能够生成线切割或铣床刀具路径的数控磁带。

实践表明：

该系统是模具设计与制造的有用工具。

注射成型是当今工业最重要的聚合物加工方法之一，在复杂零件的大批量生产中，它具有以低成本获得高精度的优点。

在相当长的一段时间里，经验、直觉与反复试验已成为模具设计、制造及成型操作的关键因素。

而这些方法已越来越低效且其成本也越来越高，尤其是当其应用于大型零件和高精度零件或新型聚合物的注射成型加工。

而现在，大部分这些问题已通过结合CAD/CAE/CAM的最新技术进展成功的解决了。

近年来越来越多注射成型中的CAD/CAE/CAM集成系统已被研发并被传递到了西方工业国家，如美国AC一Teeh公司的C一M3.1，德国IKV公司开发的模具计算机辅助设计软件，加拿大McCill大学的MCKAM和澳大利亚MoldFlow公司开发的二维流动软件。

通过使用这些软件包，注射成型零件的生产力及其数量能够提高，同时也缩短了其启动时间。

自1980以来中国的注射成型CAD/CAE/CAM技术已取得了飞速发展.我国作为这一领域的先驱，已经学习和开发注射成型CAD/CAE/CAM技术多年。

通过五年的发展和实践证明，一个注射成型CAD/CAE/CAM集成系统HSC-1.1，已被开发并且成功的被许多工厂所采用。

系统描述

HSC-1.1是建立在个人电脑如PC386和PC486上的。

其理想的内存大于等于4MB，而其外部存储容量超过100MB。

图1所示为HSC-1.1的软件要求。

该系统是在操作系统II（OS/2）或MS-DOS环境下开发和运行的。

在该系统中AutoCAD10.0只作为一个图形编辑和绘图软件。

编程采用的是标准Fortran语言和AutoLISP77。

除了几个图形驱动程序外，计算机中所有系统的软件是独立的，以确保该系统有较好的可移植性.

如图2所示。

HSC-1.1集成了9个基于用户需求的设计功能模块。

系统中的所有模块都是由一个名为’控制面板'或'控制菜单'的主控程序监控。

用户可以通过控制面板命令显示在屏幕上的菜单来调用任何模块。

而数据以数据文件的形式自动的从一个模块交换到另一个模块中。

图3所示为HSC-1.1数据流程图。

HSC-1.1软件要求

图2HSC-1.1功能模块

HSC-1.1数据流动表

CAD功能模块

CAD模块的任务是高效的把注射成型零件的图纸转换成模具零件图纸，并为模拟和数控模块提供所需数据。

由于复杂型腔，一个曲面造型程序已包络在图形输入中了。

故平面，曲面和双三次曲面可以轻松地创建。

曲面的点坐标可由零件图尺寸和先前输入点坐标的程序来计算。

当零件图纸的表面一个又一个的创建时，零件的尺寸通过互动尺寸将转换成型腔和型芯，而型腔和型芯的数据都将被记录下来作为为模具设计和模拟用。

一种由中国人民共和国机电部发出的包含10种模具标准件套的据库已经设立了。

每一套模具类包含13系列。

因此，有31150套模具组合完全在数据库中。

一旦腔布局确定，所有的标准模具零件可以通过互动尺寸自动选择。

该系统为用户设计热流道系统，编辑型腔和型芯结构，布置顶针脚和冷却水道提供了一个功能组。

最后能够生成所有的模具零件图，包括动模装配图，定模装配图和模具总装配图。

图4所示为上海第九无线电厂生产的彩电开关插座的模具装配图。

模具总装图

CAE功能模块

CAE模块包括CAD与CAE模块间的界面，模板的机械检验，运动平衡分析，流动和冷却仿真。

在这些CAE模块的帮助下，模具结构设计得到了改善，同时我们能在模具制造前解决注射成型零件在注射过程中可能出现的缺陷，如降解、注射量不足、熔接痕位置不当。

通过CAD与CAE模块间的界面读取型腔的几何模型及在CAD前一阶段制成的可自动生成有限元网格模型的送料系统。

用户使用该界面，还可以选择聚合物，冷却液，模具材料和设置如注射温度，注射时间，冷却液温度等成型工艺条件。

该界面从数据库中读取材料的属性数据，并将网格结构、材料性能及成型工艺条件写入作为如下介绍CAE模块输入的数据文件中。

目前，该系统使用二维有限元法（FEM）来分析模板的强度及其一个典型的模具截面的刚度。

而基于三维有限元法的分析程序也正在开发中。

为了保证在一模多腔生产中获得同等质量的注射成型零件，每个型腔应在相同的压力和温度下同时填充。

这就要求浇注系统是平衡的。

在HSC-1.1中其平衡能够通过调整流道尺寸和用户初步设计阶段设计的最不可能平衡的浇口的尺寸来获得。

流体模拟程序是该系统中最基本且最有用的分析之一。

型腔流体控制方程能够通过将经典赫尔萧流扩展至非弹性流体中来获得。

非牛顿流体在非等温条件下：

其中P，T表示熔体压力和温度，

分别代表熔体的粘度和剪切速率;‘-'表示了Z的平均偏导数，p,Cp和K，分别表示熔体的密度、比热和导电率;同时b表示的是半板厚度。

因为注射成型零件的厚度尺寸通常比其模具A、B板的厚度小的多，故在解决此问题时，我们采用了一种强大的数值方案，即采用有限元与有限差分混合法。

在该方案的实施过程中，平面统筹以有限元法来描述，同时，塑件壁厚方向的变量分布和时间导数是以有限差分来表达的。

我们采用体积控制法推导出了有限元法及跟踪了熔体前端的流动。

通过使用该流动仿真，用户能够获取如压力、流速、温度分布、总压降及夹紧力等对送料系统设计和优化工艺条件很有帮助的信息；此外，用户还能够通过改变浇口的数量和位置来促进型腔的填充并获得最佳的流态。

冷却模拟包括三维稳态和瞬态冷却分析。

三维稳态冷却分析采用的是边界元法（BEM）。

型腔表面建模，冷却线和外部表面公式已经建立并证明是可靠和有效的。

基于稳态冷却仿真，三维瞬态冷却仿真已经研制成功。

一种新的边界元法已通过此模块，以消除数值机构一体化。

有了这个组件，用户可以计算腔与道之间的换热，减少了冷却时间并降低了模具与注塑成型零件表面的预热温度。

CAE模块的所有执行结果可以以等高线图，阴影彩色图像和各种曲线图动态显示，以帮助用户提高他们的设计效率。

CAM功能模块

刀具路径的创建基于前述CAD阶段绘制的型腔和型芯的几何模型。

对于数控线切割机床和数控铣床，其刀具路径的数控磁盘是通过使用后置处理来生成的。

目前，仅有数控线切割的功能在实践中有采用。

而我国工厂通过使用HSC-1.1系统已设计和制造了许多注射模具。

结论

HSC-1.1是一个集成CAD/CAE/CAM的注射成型系统。

除少数图形驱动器程序外，计算机系统的其他所有程序是独立的。

这就确保了系统良好的可移植性。

同时，系统模块化结构，也保证了系统中每一个模块具有良好的延展性及维修性。

实践表明：

HSC-1.1是一个强大的模具设计和制造工具，它可以帮助工程师以较低的模具成本获得较好的模具质量。

因此，HSC-1.1在模具行业中的运用已越来越广泛了。

References

1WANG,K.K.:

PolymerPlasticsTechnologyEngineering,1980,1,p.75

2MENGES,G.:

PlasticsEngineering,1983,8,p.37

3KAMAL,M.R.etal.:

Applicationofcomputeraidedengineeringininjectionmoulding'（HanserPublisher,1987,p.247）

4AUSTIN,C:

'Applicationofcomputeraidedengineeringininjectionmoulding（HanserPublisher,1987,p.137）

5WANG,V.W.,Ph.D.thesis,CornellUniversity,1985

现在设计优化方法基础

如今，综合运用机械设计方法、有限元分析方法和计算机辅助设计技术进行产品设计过程产生了深远的影响。

这种综合运用的手段将工程师身上的设计重担交由计算机完成，因而降低了产品的设计成本。

此外，正确运用优化设计中严谨的数学推理也可以提高产品的设计的可靠性。

优化方法决定了产品设计过程中的精度问题，包括CAD软件建模的准确度，有限元分析中网格划分的正确度以及分析处理器的计算精度等，这种方法能够在考虑机械，热等许多实际情况的影响下，对CAD系统构建的零部件、装配体的结构进行优化。

现代优化设计技术能够对CAD软件构建的零件结构进行优化。

从优化设计理论的角度上说，CAD格式的文件和FEA格式的文件之间不需要任何的格式转换，就可以实现数据的无缝交换。

这时这两个文件之间存在关联性，对CAD文件所做的任何修改在相应的FEA文件中都能反映出来。

例如，在使用有限元分析软件ALGOR对某零部件或装配体计算时，根本不需要建立其有限元模型就可以进行优化设计。

用户只要挑选出零部件或装配体CAD模型中需要优化的几何尺寸，确定相应的设计准则（如最大应力、最高温度和最大频率），然后运行相应的分析计算过程，该软件通过计算、比较，就可以完成CAD模型的结构优化，并且整个过程通常不需要使用者参与。

需要注意的是，CAD与FEA格式文件之间的关联性使得FEA模型更新了，但约束和施加的载荷保持不变，因此需要对更新过后的有限元模型进行计算，对整个过程不断重复迭代，直到最终的计算结果满足设计要求为止。

图7.1所示的是零部件形状优化流程图。

引言

零部件结构的优化过程往往需要近视迭代计算，在整个计算过程中，零部件的几何外形不断变化，优化。

在每一步迭代计算中要进行一定的分析，以便得到与工程实际较为相符的设计结果。

优化设计一般需要很多部这样的迭代计算，每一步计算都较为费时。

所以，在进行机械结构优化设计过程中使用优化设计软件的主要目的是自动运行上述的迭代计算，减少工程师的工作负担。

咋看上去，优化设计技术是一种能够替代工程师进

行工程设计的工具，但事实上不是这样，因为任何优化设计软件都不能确定应该优化什么对象，哪些是设计变量，需要改变哪些量或参数，所以，优化设计软件只是工程师进行设计的一种工具，其用途由其优化计算的能力来决定。

优化设计软件常常要进行零部件几何外形的优化计算，一般具有较强的数值计算能

图7.1零部件形状优化设计过程示意

力。

庆幸的是，大多数零部件结构优化设计的问题都可以看成是数学中的极值问题。

求极值的有效方法很多，但方法太多也不好，因为对于一个待定的问题，其最佳的解法只有一种。

利用优化设计软件可以很好地解决这个问题，因为优化设计软件不仅可以帮助工程师选择解决问题的方法，而且还能够帮助工程师找到最佳解决方法。

本文重点阐述机械零部件或装配体结构的优化设计。

我们经常需要优化零部件或装配体在实际工作过程中承受的最大应力，所涉及的设计变量一般是零部件或装配体的几何尺寸，比如一个指定零件的厚度。

我们一般先用CAD软件构建零部件或装配体的几何外形，如果设计结构正确，那么工程师会选择相应的有限元分析软件，对上述结构的机械性能进行数值模拟；然后根据计算结果，比如最大应力的分布状况，来判断设计是否有效。

在设计过程中，工程师可能需要改变CAD或FEA模型的一些参数或特征属性，如零部件或装配体的几何尺寸、材料参数以及约束和加载状况。

CAD和FEA软件之间的关联性使得工程师只需要修改其中任何一个模型即可，例如，在CAD软件中改变了某个零件的厚度或增加了一个孔，它的有限元模型会也自动做相应修改。

大多数情况下，工程师采用线性静力学的方法来分析应力状况，这种方法的优点在于能用较少的耗时，较多的有限元分析单元得到需要的有限元分析结果。

但该方法也存在缺点，例如，在估算处于运动状态的零部件或装配体的载荷大小或方向时，往往需要较丰富的专业知识（这种方法无法满足要求）。

基础知识和理论

本部分着重讨论优化设计的一些数学理论方法，首先介绍利用有限元方法进行优化设计的过程，该过程一般有3个步骤：

（1）在CAD软件中构造出某一零部件或装配体的几何模型；

（2）建立相应的有限元分析模型；

（3）对有限元分析的计算结果进行分析和判断。

现在只讨论线性静力学有限元分析方法，需要计算的是零部件/装配体在外载荷作用下的应变和应力分布状况。

一般人工优化设计过程都要涉及上述3个步骤，也需要根据计算结果来判断设计的合理性；如果设计结果不合理，就要对步骤

（1）和

（2）做修改，也可能

（1）、

（2）都要改。

可以清楚的看出，有限元分析的结果就是优化的结果，由于每个输入到CAD或FEA模型中的参数或特征属性都可以看成是设计变量。

优化设计算法对许多有限元分析都要指导作用，它的每一种算法对不同的设计变量会产生不同的数据组，所以，CAD软件和FEA软件之间必须具有关联性，才能将人工设计方法转化为优化设计算法。

可以通过例子来说明上述问题，例如，在刚开始对某一零部件或装配体进行有限元分析时，工程师一般要对其有限元分析模型上的某一平面施加约束。

假定这个平面就是零部件或装配体CAD模型上的平面。

现在需要优化这个平面的结构，由于CAD软件和FEA软件之间的关联性，其FEA模型上的平面会随着CAD模型的变化而变化，这样，上述约束就会施加在改变了的平面模型上。

为了实现CAD模型与FEA模型之间的自动数据交换，CAD软件和FEA软件之间必须具备这种关联性。

下面要讨论的问题是使用什么样的数学方法来解决这些问题。

大多数优化设计都要涉及以下3个基本问题：

（1）目标函数的最小值（或最大值）：

例如，在设计汽车的仪表板时，往往需要它在某一指定区域上受到应力最小。

（2）影响目标函数值的设定变量组：

例如，在汽车仪表板设计中用来确定仪表板几何外形和材料的变量。

（3）约束条件：

这些约束条件使得优化设计中的变量只能在某一范围内取值。

例如，在设计汽车的仪表板时，常常需要限制它的质量。

实际上，建立一个无约束的优化问题也是非常可能的。

也许有人会认为几乎所有的问题都应具有一定的约束条件。

例如，汽车仪表板的厚度不能为负值，不过实际上无须对一些设计变量施加约束条件，常常也可以获得与基本常识相符的结果，如上述的仪表板厚度为正值的问题即是如此。

优化设计的优点和缺点

目前许多应用软件都以解除或减少人的重复工作为目的。

基于计算机的优化设计技术属于一种最新的应用设计技术，其目的计算增加计算机的计算量，减少人的工作时间。

实际上在进行优化设计计算时，使用计算机需要的计算甚至比人工设计方法还要少，这是因为优化设计技术采用了严谨的数学计算方法，所以它的设计效率要比人工设计方法高。

当然基于计算机的优化设计技术取代不了人的思维，因为人的思想有时可以大大缩短设计过程。

基于计算机的优化设计方法与人工设计方法相比，其明显的优点是，如果优化设计软件使用正确，它能够考虑到所有的设计方案，也就是说，会考虑到各种可行的设计参数，因此利用优化设计软件进行计算的结果应该是最精确的。

模具设计与制造

目前CAD和CAM技术已经广泛地应用早模具的设计和制造中。

例如，首先利用CAD软件在计算机上构建出模具的模型，然后采用三维动画的方法从各个角度察看模具的结构，最后将模具的各种参数（压力、温度、冲力等）导入到数字模型中进行模拟试验与分析。

另外，CAM能够控制模具的制造质量。

采用上述计算机技术对模具进行设计和制造有很多优点：

如较短的设计时间（该时间可随着计算机的运行速度而变化）、较低的制造成本和较高的制造效率等。

这种新的设计、制造方法可以进行小批量的模具生产，可以在最后时刻对某个特定的模具零件进行修改。

此外，这些新的工艺过程还可以用来制造复杂的模具零件。