Moldflow分析在汽车零部件设计制造中的应用

【摘 要】本文通过运用模流分析软件Moldflow来对汽车上的各种塑料零部件在设计、生产过程中的流动性进行分析，讲述软件的各种功能以及分析过程中出现的问题和可能采取的解决措施，节省了时间和成本，说明Moldflow软件对于指导汽车零部件设计和生产过程的巨大作用。

【关键词】 Moldflow；流动平衡；塑料件；流动分析

引言

随着汽车工业的发展，汽车用塑料件应用广泛，比如仪表板、门板、保险杠等大中型件，所使用的塑料模具大而且复杂，这就对模具的要求日渐提高，而传统的模具设计方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求。CAE技术现在已成为塑料产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有效的辅助工具，在提高生产率、保证产品质量，降低成本等方面都具有无可比拟的优越性。

1 Moldflow软件功能介绍

1.1 采用CAE技术比传统试模工艺的优势

CAE技术是在模具加工之前，通过对整个注塑成形过程进行模拟分析来规避风险。Moldflow软件能够准确预测出熔体的填充、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布，收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改塑料制品及其模具的设计。

传统的注塑模具设计主要依靠设计人员的直觉和经验，模具设计加工完后往往需要经过反复地调试与修正才能正式投人生产，发现问题后，不仅要重新调整工艺参数，甚至要修改塑料制品和模具。Moldflow软件提供了从塑料制品设计到生产的完整解决方案，在模具加工之前，模拟塑料熔体在型腔中的整个成形过程，帮助研判潜在的缺陷，提高一次试模的成功率，从而降低生产成本、缩短生产周期，减少甚至避免模具返修报废。

1.2 使用Moldflow软件的步骤

使用Moldflow软件可以使用设计好的数据模型，支持IGES、STEP、Stereo Lithography（STL）等3D文件格式的导入。本文使用的Moldflow软件是Autodesk Moldflow Insight（Moldflow 高级成型分析专家，AMI） 2010，功能模块包括Fill（填充分析）、Fill+Pack（填充+保压分析）、Fill+Pack+Warp（填充+保压分析）、Cool（冷却）、Cool+Fill+Pack+Warp（冷却+填充+保压分析）、Gate Location（浇口选择）等。

设计者可以根据实际情况选择要使用的模块，可以进行注浇口分析、流动分析、冷却分析、翘曲分析、结构应力分析、注塑机参数优化、气体辅助注塑、塑件纤维取向分析等，具体分析的步骤如下。

2 建立数据模型

我公司设计数模大多使用CATIA V5 软件，具有很好的参数化设计功能，可以精确的设计数据和进行模拟装配，并带有重要的主拔模线、侧滑块方向和分模线等设计信息。

Moldflow通过图形接口直接读入CAD模型，一般要转成stp、igs、model等文件格式。为了手工绘制注浇口、冷却水管的方便性，在导入前一般把模型放到主拔模方向垂直于XY平面的位置。

3 前处理模型的网格化处理

MoldFlow软件在导入数据时可以选择Midplane（中性面）或Fusion（空心面）

的分析模型。Midplane（中性面）是软件经过处理，提取出实体数模近似的中间面，给定一个厚度，可以直接在这个中间面上进行网格化，使用Midplane可以通过减少网格的方法减少计算量，节省时间，缺点是近似的网格化带来比较大的误差。一般使用在汽车保险杠等厚度均匀的零件上。而Fusion（空心面）是从实体外表面提取的封闭的内外表面，可以看出Fusion比Midplane大概要多出一倍数量的网格，因此计算量大，但模拟效果要比Midplane更接近实际效果，一般用在厚度不均的零件上。

提取出Midplane（中性面）或Fusion（空心面）之后，对模型进行网格化，MoldFlow软件的网格是三角形网格，如图1所示：

图1 MoldFlow 软件的三角形网格

MoldFlow有自己的网格化工具，要求网格化匹配率要达到90%以上，对于流动分析、浇口分析等网格匹配率要求较低，但也不能小于85%。对于Aspect Ratio（三角形的长径比率）要小于6，否则不合格，需要通过MoldFlow自带的网格修改工具修改。但是，对于很大的模型，网格通常有几十万甚至几百万个，特别是遇到零件模型形状不规则或薄壁类型，MoldFlow自带的网格工具就不适用了。可以使用专业的网格化前处理软件HyperMesh或Ansa等，消除重叠、漏洞等缺陷，按照MoldFlow的要求生成规则的三角形网格，再导入到MoldFlow中，一般都会很好的达到系统分析的要求。

4 选择分析模式

选择功能模块，举例来说，选择Fill（填充分析）模块，这就需要确定浇口位

置，更详细的则要做出主流道和浇口。如果选择Gate Location（浇口选择）分析，就不用先确定浇口位置，此模块会帮你找到软件认为最佳的浇口位置，此位置是符合平衡流动理论的。如果选择的模块包括Cool（冷却），则要在分析前布置好冷却水道、胶管、进/出水口。

5 输入工艺条件和选择材料

需要选择输入最大注射压力，气体注射压力，模温，熔体温度，延迟时间，

气道的等效直径，冷却时间等。可以根据实际工艺条件来输入，也可以先选定默认值的输入，分析后根据结果来确定是否通过改变工艺条件如压力变化，改变模温等来得到更好的注塑效果。

MoldFlow有一个庞大的材料库，有世界各大塑料材料供应商提供的各种牌号材料包括PP、ABS、PA等的材料特性数值和特性曲线。

6 分析计算

分析过程根据模型大小和网格数量多少所用的时间不同，可以利用MoldFlow

的任务管理器来观看和分析，耗费时间长的分析可以放在工作时间之后进行，这样再开始工作时可以直接看分析结果。结果可以播放动画以供研究者观察注塑过程，也可以做成文字和图片动画的报告。针对分析结果的缺陷，如注塑流动不均匀、局部温差大、困气、熔接痕、翘曲变形等，可以通过改变工艺参数、注塑压力、浇口、流道尺寸等措施来避免，修改后再分析，直到得到较满意的结果。

下面是对一个小型塑料零件的浇口、流动分析的结果图片：

图2 最佳浇口分析

图3 流动时间分析

图4 气穴缺陷分析

图5 熔接痕缺陷分析

7 使用MoldFlow软件分析实例

图6所示零件为我公司的一款A+级轿车上的B下柱装饰板，材质为聚丙烯（PP），厚度2.5mm，表面皮纹处理，由于是外露件，对外观及形状有较严格的要求。此产品属于中型塑料件，模具实现需要好的流动性，同时压力和锁模力尽量小，保证产品表面不出现明显的缩痕、气泡、熔接痕、变形等缺陷。

图6 B下柱装饰板

图7所示为设计初期选取的浇口位置，将浇口放在B下柱装饰板的下边缘，模具设计为一模两腔，两板模，由热流道转向冷流道进胶。从流动情况来看，还是能够达到流动平衡，但由于浇口位于单边，造成材料流动距离较长，在远端容易产生气泡，注射压力和锁模力较大，体积收缩不均匀，Y方向和Z方向的翘曲变形较大。因此，需要重新选取浇口位置。

图7 初次模具设计的浇口及分析注射压力的结果

经过两次尝试，最终将模具的浇口位置定于图8所示的中间位置，这样材料流动距离大大减小，流动平衡性更好。

图8 最终模具设计的浇口和流动平衡

经分析如图9所示，采用最终方案后零件的远端区域气泡明显减少；最大注射压力由原来的109Mpa减少为现在的66Mpa，最大锁模力由原来的2008ton减小为现在的1375ton，分别减小了39.4%和31.5%，大大降低了成本；只在浇口附近体积收缩较大，但此处不外露；Y方向和Z方向的翘曲变形无改善，只能通过后期试模的调整来减少变形。

图9 注塑压力 和 体积收缩变形情况

由此可见，在模具加工前应用CAE模拟分析，可以预测浇口位置对塑料制品成型性的影响，从而可以避免完全依靠增加局部壁厚或增大注塑压力的传统方式来提高塑料制品成型性，提高了工作效率，降低了成本。

参考文献：

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[2]单岩，王蓓，王刚.Mlodflow模具分析技术基础[M].北京：清华大学出版社，2009.

[3]刘斌，覃孟然.基于HyperMesh的Moldflow中性面网格实现技术[J].塑料科技，2007（09）.