分析CAE在薄壁壳体件注塑模具制造中的应用

文 宏

（兰州理工大学 机电工程学院，兰州 730050）

分析CAE在薄壁壳体件注塑模具制造中的应用

文 宏

（兰州理工大学 机电工程学院，兰州 730050）

介绍了CAE技术的功能与注塑模具的设计需求的切合性，并分析了CAE技术在薄壁壳体件注塑模具设计过程的相关应用，最后对于CAE技术未来的发展做了展望。

注塑模具；CAE；设计；制造

0 前言

薄壁壳体模具要根据产品的结构、产品的类型、特点以及产品的材质进行设计，其中模具的结构包括模具的流道类型、尺寸，浇口类型、数量、尺寸、位置，以确保设计的模具结构合理，并且使模具有利于产品制作在浇注和冷却。因此模具设计对设计工程师的要求很严格，要求他们不仅要有丰富的结构设计经验，还要在材料、制作工艺等方面的知识相当熟悉，这样对一个设计师的要求就非常高。而一个工程师就算有很好的模具设计经验，但是实际设计中的产品是多种多样的，材料也不一而同，所以再有经验的设计师在设计的过程中都无法避免不出错误。有时候一个细微的变化或者特定的产品要求可能使得已有经验不可用，或者即使可用但在实际试模之前，也无法进行有效的验证。这导致了模具设计过程具有明显的设计——修正——再设计的特点。如何减少该过程中的循环次数，使初始设计应达到或者逼近合用的结果，这在实践中具有重要意义。

CAE系统的功能正好可以解决在模具设计过程中出现的这些问题，因为CAE是以数学统计学模型为基础的，可以通过统计模型分析得到近似于实际结果，这样就大大节约的模具制作的成本和制作的时间，并能够提高产品的质量，能够有效的提高企业的效益。因此研究CAE技术在薄壁壳体件注塑模具中的应用有很重要的经济价值和社会效益。

1 CAE技术的详细介绍

1.1 CAE的定义及基本结构

CAE技术是利用计算机的高速计算解决产品的复杂的力学性能分析和产品结构性能的优化分析，是利用数学模型的近似数值分析方法。CAE软件以有限分析软件为主体，分为两类，一种是以产品开发为主的专用CAE软件，一种是用于产品优化创新的通用CAE软件。CAE系统，其核心思想是结构的离散化。CAE软件主要包含以下模块：

（1）电脑建模模块—安照设计模型的有效信息和相关的有效数据建立分析处理模型，运用布尔运算将模型分析，然后将产品生产材料参数和产品的使用载荷数据输入到模型中，自动分割成几个单元，生成有限元模型信息。

（2）有限元分析模块—该模块将有限的单元库中的有关产品模型、生产材料及产品应用荷载等数据进行约束处理等运算方法计算，将这些数据带入到线性和非线性的数据模型中运算处理。

（3）修正模块—通过有限元分析之后会发现建立模型中与实际的冲突，根据分析结果对模型的各种物理特性进行调整，将冲突消减，对模型进行优化、修改。

（4）用户界面模块、数据管理系统与数据库、专家系统、知识库。

CAE软件对工程和产品的分析、模拟能力，主要决定于单元库和材料库的丰富和完善程度，单元库所包含的单元类型越多，材料库所包括的材料特性种类越全，其CAE软件对工程或产品的分析、仿真能力越强。

一个CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定于解法库。先进高效的求解算法与常规的求解算法，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异。

1.2 发展历程和现状

CAE系统早上世纪60年代就出现，并在模具设计中开始应用，经过五十多年的发展，CAE系统发展越来越完善，在模具设计方面发展也越来越全面，应用也越来越广泛。现已成为注塑模具产品结构分析中不可或缺的计算软件。

CAE软件在美国最先研究和开发的，并且该软件从研发开始就在模具设计中得到了充分的肯定，随着几十年的完善发展成熟，现在CAE系统已经在航空航天、汽车制造等大型模具生产中得到了充分的利用。并且德国、日本等机械加工强国也分别开发了自己CAE软件。

我国CAE系统的应用是比较早的，只是在早期只是通过购买的方式引进了其他国家的CAE系统。现在我国也在逐渐开发自己的CAE系统，并且有的系统已经比较完善，如郑州大学的Z-Mold软件、杭州自动化技术研究院的MFEP4.0等。但是这些软件的开发没有广泛的与机械制造企业对接，主要是现在国内的企业很少愿意使用CAE系统。主要是现在企业没有认识到CAE系统应用的价值，和CAE系统能给企业带来的经济效益。

2 CAE在薄壁壳体件注塑模具制造中各模块的主要功能

在文章的前面已经对CAE在注塑模具设计中的作用做了简要的叙述，下面将会对CAE系统在薄壁壳体件注塑模具制造中的主要功能做详细的介绍。

薄壁壳体件注塑件在制作中有较大难度，由于薄壁带来注塑难度，由于薄壁会带来充型难，出模难，易变形，精度难以保证等难题的存在，若单纯的靠设计工程师凭经验设计，很难得到理想的产品。而CAE系统的优势和性能在薄壁壳体件注塑模具制造中得到了充分的展现。

2.1 薄壁壳体件注塑模具设计过程的预处理

CAE系统对于薄壁壳体件注塑模具设计的预处理是指注塑模具形状在电脑三维塑性，在CAE系统中建立模具的几何图形，然后用CAE系统对图形进行有限元网格划分，将加工材料的材质参数输入到CAE系统中，为注塑模型过程的计算机模拟建立数据基础。当模具图形有限元网格划分完毕后，对图形进行有限元计算，得出注塑模具时浇口的位置。然后对浇筑的流道、浇筑时模具的温度、溶料的温度进行设定，最后设置注塑工程中的各个工艺参数，为后面的模拟注塑工程做准备。

2.2 薄壁壳体件注塑模具制作的过程模拟

注塑过程的模拟根据时间先后分为：材料熔体的流动模拟、浇筑模拟、冷却过程模拟。因为在模具制造过程中材料熔体的形态、温度、状态不不断变化的，这样就很难有效的把握，所以在模拟过程中要经过一系列的能量守恒、过程假设、因素影响的计算，为了让整个模拟过程更加接近于实际情况。而整个过程的模拟都是在以前建立的模型和数据库中抽调的，操作非常方便，可行性也很高。

2.3 薄壁壳体件注塑模具制造模拟结果的分析

CAE系统在完成对整个薄壁壳体件注塑模具制造过程的模拟之后，会得出一系列的数据，反应建立的模型的可行性。这个时候就需要工程师对这些数据进行分析，找出模型中的不足之处，然后对相应的参数进行修改。

2.4 CAE系统在薄壁壳体件注塑模具制造中的工艺流程

薄壁壳体件注塑模具制造中的工艺流程如图1所示。

3 CAE系统在薄壁壳体件注塑模具制造中应用展望

现在CAE系统无论在理论还是技术应用等各方面已经取得了很大的发展，在模具制造方面也已经得到了很大范围内的应用，为模具制造业带来了很大的发展，取得了巨大的成功，为企业带来了巨大的效益，为设计工程的设计工作带来了很大便利。但是随着科技的发展CAE系统在未来有更广阔的发展，在薄壁壳体件注塑模具制造中起的作用也会越来越大。CAE系统在未来的发展方向应该会有以下几个方面：

（1）CAE与CAD技术的结合。CAD对于三维图形的设计已经应用越来越广泛，而CAD技术发展也越来越成熟，随着它的发展会对图形的设计越来越便捷，CAE系统有其结合会节省很多建立图形的时间和工作。

（2）CAE技术与3D打印技术的结合。现在3D打印技术已经逐步在模具制造中崭露头角，因其便利性广受各制造企业的好评，只是现在技术还有待进一步发展成熟。如果CAE系统与3D打印技术相结合那么在模具制造中会大大提高工作效率。

[1]任玉珠.基于CAE技术的注塑模具高效率设计方法[J].制造自动化，2011（03）.

[2]罗超等.CAE技术在模具制造中的应用[J].煤矿机械，2011（05）.

[3]申长雨，常静波等.注射模冷却过程CAE技术[J].模具工业，2001（04）.

[4]钱欣，金杨福.塑料制品缺陷与CAE分析[M].北京工业出版社，2010.