注塑模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

　　一、發(fā)展概況和應(yīng)用背景

　　塑料工業(yè)近20年來(lái)發(fā)展十分迅速，早在7年前塑料的年產(chǎn)量按體積計(jì)算已經(jīng)超過(guò)鋼鐵和有色金屬年產(chǎn)量的總和，塑料制品在汽車、機(jī)電、儀表、航天航空等國(guó)家支柱產(chǎn)業(yè)及與人民日常生活相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。塑料制品成形的方法雖然很多，但最主要的方法是注塑成形，世界塑料成形模具產(chǎn)量中約半數(shù)以上是注塑模具。

　　隨著塑料制品復(fù)雜程度和精度要求的提高以及生產(chǎn)周期的縮短，主要依靠經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)方法已不能適應(yīng)市場(chǎng)的要求，在大型復(fù)雜和小型精密注射模具方面我國(guó)還需要從國(guó)外進(jìn)口模具。

　　二、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)用功能

　　1．用三維實(shí)體模型取代中心層模型

　　傳統(tǒng)的注塑成形仿真軟件基于制品的中心層模型。用戶首先要將薄壁塑料制品抽象成近似的平面和曲面，這些面被稱為中心層。在這些中心層上生成二維平面三角網(wǎng)格，利用這些二維平面三角網(wǎng)格進(jìn)行有限元計(jì)算，并將最終的分析結(jié)果在中面上顯示。而注塑產(chǎn)品模型多采用三維實(shí)體模型，由于兩者模型的不一致，二次建模不可避免。但由于注塑產(chǎn)品的形狀復(fù)雜多樣、千變?nèi)f化，從三維實(shí)體中抽象出中心層面是一件十分困難的工作，提取過(guò)程非常繁瑣費(fèi)時(shí)，因此設(shè)計(jì)人員對(duì)仿真軟件有畏難情緒，這已成為注塑成形仿真軟件推廣應(yīng)用的瓶頸。

　　HSCAE 3D主要是接受三維實(shí)體/表面模型的STL文件格式。現(xiàn)在主流的CAD/CAM系統(tǒng)，如UG、Pro/ENGINEER、CATIA和SolidWorks等，均可輸出質(zhì)量較高的STL格式文件。這就是說(shuō)，用戶可借助任何商品化的CAD/CAE系統(tǒng)生成所需制品的三維幾何模型的STL格式文件，HSCAE 3D可以自動(dòng)將該STL文件轉(zhuǎn)化為有限元網(wǎng)格模型，通過(guò)表面配對(duì)和引入新的邊界條件保證對(duì)應(yīng)表面的協(xié)調(diào)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基于三維實(shí)體模型的分析，并顯示三維分析結(jié)果，免去了中心層模擬技術(shù)中先抽象出中心層，再生成網(wǎng)格這一復(fù)雜步驟，突破了仿真系統(tǒng)推廣應(yīng)用的瓶頸，大大減輕了用戶建模的負(fù)擔(dān)，降低了對(duì)用戶的技術(shù)要求，對(duì)用戶的培訓(xùn)時(shí)間也由過(guò)去的數(shù)周縮短為幾小時(shí)。圖1為基于中心層模型和基于三維實(shí)體/表面模型流動(dòng)分析模擬情況對(duì)比圖。

　　2．有限元、有限差分、控制體積方法的綜合運(yùn)用

　　注塑制品都是薄壁制品，制品厚度方向的尺寸遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺寸，溫度等物理量在厚度方向的變化又非常大，若采用單純的有限元或有限差分方法勢(shì)必造成分析時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法滿足模具設(shè)計(jì)與制造的實(shí)際需要。我們?cè)诹鲃?dòng)平面采用有限元法，厚度方向采用有限差分法，分別建立與流動(dòng)平面和厚度方向尺寸相適應(yīng)的網(wǎng)格并進(jìn)行耦合求解，在保證計(jì)算精度的前提下使得計(jì)算速度滿足工程的需要，并采用控制體積法解決了成形中的移動(dòng)邊界問(wèn)題。對(duì)于內(nèi)外對(duì)應(yīng)表面存在差異的制品，可劃分為兩部分體積，并各自形成控制方程，通過(guò)在交接處進(jìn)行插值對(duì)比保證這兩部分的協(xié)調(diào)。

　　3．?dāng)?shù)值計(jì)算與人工智能技術(shù)的結(jié)合

　　優(yōu)選注塑成形工藝參數(shù)一直是廣大模具設(shè)計(jì)人員關(guān)注的問(wèn)題，傳統(tǒng)的CAE軟件雖然可以在計(jì)算機(jī)上仿真出指定工藝條件下的注塑成形情況，但無(wú)法自動(dòng)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。CAE軟件使用人員必須設(shè)置不同的工藝條件進(jìn)行多次CAE分析，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)在各方案之間進(jìn)行比較，才能得出較滿意的工藝方案。同時(shí)，在對(duì)零件進(jìn)行CAE分析后，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生有關(guān)該方案的大量信息(制品、工藝條件、分析結(jié)果等)，其中分析結(jié)果往往以各種數(shù)據(jù)場(chǎng)的形式出現(xiàn)，要求用戶必須具備分析和理解CAE分析結(jié)果的能力，所以傳統(tǒng)的CAE軟件是一種被動(dòng)式的計(jì)算工具，無(wú)法提供給用戶直觀、有效的工程化結(jié)論，對(duì)軟件使用者的要求過(guò)高，影響了CAE系統(tǒng)在更大范圍內(nèi)的應(yīng)用和普及。針對(duì)以上不足，HSCAE 3D軟件在原有CAE系統(tǒng)準(zhǔn)確的計(jì)算功能基礎(chǔ)上，把知識(shí)工程技術(shù)引入系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，利用人工智能所具有的思維和推理能力，代替用戶完成大量信息的分析和處理工作，直接提供具有指導(dǎo)意義的工藝結(jié)論和建議，有效解決了CAE系統(tǒng)的復(fù)雜性與用戶使用要求的簡(jiǎn)單性之間的矛盾，縮短了CAE系統(tǒng)與用戶之間的距離，將仿真軟件由傳統(tǒng)的“被動(dòng)式”計(jì)算工具提升為“主動(dòng)式”優(yōu)化系統(tǒng)。HSCAE 3D系統(tǒng)主要將人工智能技術(shù)應(yīng)用于初始工藝方案設(shè)計(jì)、CAE分析結(jié)果的解釋和評(píng)價(jià)、分析方案的改進(jìn)與優(yōu)化3個(gè)方面。

　　三、在基于知識(shí)的仿真系統(tǒng)中主要采用的優(yōu)化方法：

　　(1) 基于實(shí)例推理的優(yōu)化。主要應(yīng)用于具有離散取值空間的成形工藝初始設(shè)計(jì)。制品形狀和澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用編碼方式，而尺寸信息采用特征參數(shù)描述。在對(duì)以往成功工藝設(shè)計(jì)的收集和抽象的基礎(chǔ)上，建立以框架形式描述的實(shí)例庫(kù)索引和檢索機(jī)制。

　　(2) 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。對(duì)工藝設(shè)計(jì)中如注射時(shí)間、注射溫度這樣具有連續(xù)取值空間的參數(shù)，采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來(lái)優(yōu)化。利用優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)并在一定的優(yōu)化策略下，得到優(yōu)化系統(tǒng)確認(rèn)的最優(yōu)參數(shù)。

　　(3) 基于規(guī)則推理的優(yōu)化。主要用于對(duì)分析結(jié)果的解釋和評(píng)價(jià)。本系統(tǒng)所建立的專家系統(tǒng)規(guī)則庫(kù)是以注塑模領(lǐng)域的專家知識(shí)為基礎(chǔ)的，涵蓋了有關(guān)短射、流動(dòng)平衡、熔體降解、溫差控制、保壓時(shí)間、許可剪切應(yīng)力、剪切速率、鎖模力等方面的知識(shí)，在對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和提煉的基礎(chǔ)上，驅(qū)動(dòng)專家系統(tǒng)進(jìn)行推理，對(duì)成形方案進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并給出具體的優(yōu)化改進(jìn)建議。

　　4．制品與流道系統(tǒng)的三維流動(dòng)保壓集成分析

　　流道系統(tǒng)一般采用圓柱體單元，而制品采用的是三角形單元，HSCAE 3D系統(tǒng)采用半解析法解決混合單元的集成求解問(wèn)題，這樣，HSCAE 3D系統(tǒng)不僅能分析一模一腔大型復(fù)雜的制品，