基于CAE 分析的热水器显示面板翘曲变形优化设计

荆彦涛 王羽 曹冠忠 王德君 于金霞

（1.青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司，山东青岛 266101；2.数字化家电国家重点实验室，山东青岛 266100）

随着现代工业的发展，塑料在生产和人们的生活中发挥着重要作用。在塑料的多种成型工艺中，注塑成型是目前应用最为广泛的一种。随着产品精度的提高，对塑料模具的要求越来越高，仅凭经验开发模具，受到成本以及开发周期的制约，已不能适应当前模具开发的需要。CAE 技术在提高生产效率、保证产品质量、降低成本方面的优势越来越明显。

注塑成型CAE 是以计算机模拟分析软件为工具，通过对注塑成型过程的仿真模拟，进而对产品、模具设计和成型工艺进行优化和改进的技术[1]。本文主要利用CAE 软件对热水器显示面板的前端设计进行了仿真模拟，预判产品的装配问题，进而有针对性的提出了优化建议，使产品满足生产要求。

1 产品特点及成型方案

1.1 产品说明

产品为热水器显示面板，如图1 所示。产品尺寸487.6 mm×70 mm×58.4 mm，产品壁厚复杂，大面为3.5 mm 和2.3 mm 两种壁厚，侧面壁厚渐变设计，最小壁厚为2.0 mm，注塑材料为透明PC。该产品与钣金外壳装配使用，装配方式为插入式，因此对产品的平整度要求较高，需要严格控制其翘曲变形。

图1 热水器显示面板三维模型

1.2 成型方案及浇口位置

成型方案设计为一模一腔，采用4 点热流道转侧浇口，浇口尺寸10 mm×1.2 mm，冷流道尺寸9 mm×7 mm。

CAE 分析使用双面网格，如图2 所示。前期分析浇口位置对产品的翘曲变形影响较小，考虑侧浇口后期修剪的便利以及残料对外观和装配的影响，决定将四个进胶点放置在产品与钣金装配侧的4 个凸包上，如图3 所示。

图2 CAE 分析网格模型

图3 进胶点位置

2 产品翘曲变形分析与优化

确定浇口方案以后，按照实际模具中动静模冷却水路的走向在仿真软件中进行建模，得到网格模型如图4 所示，再进行冷却+填充+保压+翘曲分析。

图4 包含冷却水路的网格模型

图5 为显示面板Z 方向翘曲变形的分析结果，红色区域代表上翘，蓝色区域代表下塌，产品整体变形呈现两端上翘趋势，产品Z 方向总变形量为4.83 mm +3.18 mm=8.01 mm，变形较大，不满足理论±1 mm 的装配要求。

图5 Z 向翘曲变形分析结果

初版分析结果不满足要求。按照冷却不均、收缩不均、取向效应三个方面的原因对产品的翘曲变形进行分离计算，分析结果分别如图6 中的（a）、（b）、（c）所示。

图6 翘曲变形原因分析

通过对产品Z 方向变形拆解分析可以清楚的看到，冷却不均和取向效应对产品的翘曲变形影响均较小，因收缩不均导致的翘曲变形占了整个翘曲变形的绝大部分，是产品翘曲变形的主要原因。

收缩不均的主要影响因素为产品的壁厚，壁厚的不均匀会导致体积收缩率和产品各个方向的收缩率不均匀，而这正是影响翘曲的主要因素[2]。此产品大面存在两种壁厚，分别为3.5 mm 和2.3 mm，长度方向两侧壁壁厚均低于3.0 mm。由于大面3.5 mm 区域冻结时间相对侧壁晚，其内部的高分子链段有更多的时间来进行松弛收缩，从而导致了较大的体积收缩，由此产品横截面方向产生了较大的收缩差异。这种差异会在产品内部产生内应力，从而导致了产品的翘曲变形[3]。

根据上述分析，为了减少收缩差异对产品翘曲的影响，确定了产品结构优化方案：将产品大面优化成均匀壁厚，如图7所示。

图7 结构优化方案

产品壁厚优化完成后，对优化后的产品重新进行冷却+填充+保压+翘曲分析，翘曲变形分析结果如图8 所示，可以看到产品翘曲变形明显减小，Z 方向总变形量为0.91 mm。

图8 产品优化后的翘曲分析结果

3 实际验证

按照优化后的产品方案制作模具，如图9 所示。

图9 模具3D

实际试模样件如图10 所示，产品试模后Z 方向翘曲较小，装配验证满足±1 mm 的要求。

图10 实际试模样件

4 结论

目前的CAE 软件能够模拟注射过程和产品成型的几乎所有阶段，包括从冲模到保压、冷却、收缩和翘曲的分析。在产品设计阶段，应用仿真软件进行模拟分析，根据分析结果可以有针对性地进行结构优化设计，进而节省开发时间与模具成本。