基于OptiStruct和Moldex3D軟件的注塑模具型腔型芯強度、剛度仿真分析

羅強

摘 要：通過Hypermesh OptiStuct和Moldex3D軟件的聯(lián)合仿真分析，以某汽車儀表臺手套箱外板模具為例，建立有限元模型進行強度、剛度的分析。運用模流軟件將模腔壓力映射到有限元模型中，最大程度還原實際工況，保證了分析結(jié)果的科學性、準確性。并根據(jù)有限元分析結(jié)果判定模具的質(zhì)量，對模具材質(zhì)的選擇及尺寸起到了指導作用。

關(guān)鍵詞：汽車零件;注塑模具;仿真分析;強度;剛度

汽車注塑模具作為汽車內(nèi)外飾零部件生產(chǎn)的母體，對零件成型制造具有重要作用和深刻意義。目前在汽車行業(yè)，計算機輔助工程（CAE）技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車零部件制造及整車開發(fā)的各個環(huán)節(jié)，而汽車注塑模具設(shè)計在行業(yè)內(nèi)還是過多依賴經(jīng)驗數(shù)值，難以準確量化模具的強度、剛度等性能來根據(jù)客戶需求開展相應(yīng)的模具設(shè)計，往往存在過設(shè)計或者欠設(shè)計的情況。本工作以某汽車儀表臺手套箱外板模具作為研究對象，運用有限元軟件Hypermesh OptiStruct和模流分析軟件Moldex 3D，模擬注塑成型過程中模具型腔型芯的受力及變形情況，為注塑模具強度、剛度仿真分析提供一種科學有效的參考方法。

1概述注塑模具強度、剛度CAE分析的研究現(xiàn)狀

模具的變形和結(jié)構(gòu)剛強度問題對制件的質(zhì)量和模具壽命有很大的影響[1] 。模具型腔、型芯尺寸過小，強度、剛度不足，會導致零部件產(chǎn)品注塑出來跑飛邊、披鋒，尺寸精度降低，嚴重影響產(chǎn)品零部件交付質(zhì)量，同時模具型腔、型芯強度、剛度不足，注塑模具在大噸位注塑機臺上或未到達預(yù)期壽命前即會出現(xiàn)模具開裂導致產(chǎn)品零部件無法正常生產(chǎn)制造的情況。模具型腔、型芯尺寸過大，強度、剛度過剩，則會大大增加模具材質(zhì)成本、模具機加工成本及注射生產(chǎn)成本，不利于整車廠和零部件供應(yīng)商的成本控制，導致汽車成本偏高，在市場上無有效競爭力。

目前，國內(nèi)外許多研究人員利用CAE軟件聯(lián)合仿真，基于結(jié)構(gòu)元素法及線彈性結(jié)構(gòu)受力理論，對模具的強度、剛度進行了深入的研究。例如，吉林大學付春輝[2] 提出以Hypermesh為前處理軟件建立模具的有限元模型，用Ansys求解及后處理來確定模具的應(yīng)力、應(yīng)變及位移情況。河南工業(yè)大學涂維青[3] 利用Ansys軟件的Workbench模塊二次開發(fā)出注塑模具剛強度分析系統(tǒng)以便于分析人員能方便快捷的進行分析。翟林、韓國泰等人[4] 在有限元軟件Abaqus平臺上，利用Moldflow工藝參數(shù)為依據(jù)，驗證模具結(jié)構(gòu)的可靠性。

2基于OptiStuct和Moldex3D軟件的聯(lián)合仿真分析

2.1注塑模具有限元模型的建立

以下分析基于某汽車儀表臺手套箱外板模具，利用UG建模CAD軟件在保留原模型實際受力部件的前提下，按原尺寸大小簡化模型。將此簡化模型導入前處理軟件Hypermesh中，型腔、型芯及模架按模具鋼材質(zhì)，設(shè)定材料參數(shù)：型腔材質(zhì)為SW318H模具鋼，密度7.75*10^6g/mm3，彈性模量2.0*10^5MPa，泊松比0.3，屈服強度840MPa，抗拉強度1033Mpa;型芯材質(zhì)為P20模具鋼，密度7.75*10^6g/mm3，彈性模量2.0*10^5MPa，泊松比0.3，屈服強度1140MPa，抗拉強度1250Mpa;模架材質(zhì)為45#模具鋼，密度7.75*10^6g/mm3，彈性模量2.0*10^5MPa，泊松比0.3，屈服強度355MPa，抗拉強度650Mpa。利用前處理軟件Hypermesh對簡化模型進行劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格模型如圖1所示。

2.2有限元模型邊界條件處理

2.2.1 模流分析及模腔壓力提取

熔膠通過進膠口進入模腔內(nèi)，熔膠作用在前后模腔壁上的壓力隨時間、距離及溫度的變化而變化。注塑成型過程中，根據(jù)力的相互作用，為保證制件的成型質(zhì)量，熔膠作用在模腔壁上的壓力即脹模力最大時，此時的模具鎖模力也最大。通過模流CAE分析，可從鎖模力隨時間（t）變化的曲線可知，t為3.07s時，鎖模力達到峰值343.61T，此時的模腔壓力在[14.783MPa，24.418MPa]的區(qū)間內(nèi)不均等分布，如圖2所示。從模流軟件FEA接口處將鎖模力最大時的模腔壓力場導出，以便后續(xù)將壓力場映射到模具模腔上下表面施加脹模力載荷。

2.2.2 定義有限元模型邊界約束及接觸

在有限元軟件中進行分析時，需將模型最大程度按實際工況進行還原。根據(jù)模具在注塑機上的固定方式，對模型型腔側(cè)的底板施加固定約束，限制其六個方向的自由度。對模型型芯側(cè)的底板保留出模運動方向的自由度，約束其他方向的自由度，同時模具型腔型芯及模架其他部件采用螺栓連接的位置均需定義螺栓連接約束，如圖3所示。為了模擬實際力的傳導，模型中所有實際受力接觸面，封膠面、承壓塊面、支撐柱接觸面均按靜摩擦系數(shù)0.15、動摩擦系數(shù)0.1定義為摩擦接觸。

2.2.3 模型載荷施加

為最大程度還原模具實際脹模力，將前面從模流軟件中提取出來的壓力場映射到模腔的上下表面，施加脹模力載荷，并依據(jù)所選機臺（此處選擇480T的注塑機臺）在模型型芯側(cè)底板底面施加最大鎖模力載荷4.8*10^3KN，如圖4所示。

2.3結(jié)果求解及分析

由Hypermesh OptiStruct軟件模擬分析的結(jié)果可看出，型腔型芯的最大應(yīng)力出現(xiàn)在封膠面周圍，型腔最大應(yīng)力約為373.5MPa，小于型腔材質(zhì)SW318H的許用應(yīng)力[δ]=420MPa;型芯最大應(yīng)力約為258.6MPa，小于型芯材質(zhì)P20的許用應(yīng)力[δ]=570MPa，滿足模具強度要求，且型芯強度有較多富余。型腔分型封膠面最大形變量為0.042mm，最小形變量為0.017mm;型芯分型封膠面最大形變量為0.041mm，最小形變量為0.016mm，相對位移形變量均在0.025mm以內(nèi)，小于PP料的溢料值0.03mm，滿足模具剛度要求，保證了制件的尺寸精度及注塑成型過程不產(chǎn)生溢料飛邊。

3總結(jié)

通過以上研究，基于OptiStuct和Moldex3D軟件的聯(lián)合仿真分析，在注塑模具強度、剛度校核上，能夠較為科學、全面的反映出注塑模具在注塑成型過程中的受力和變形情況[5]，對模具材質(zhì)的選擇及模具形狀、尺寸的改進提供了科學可靠的理論依據(jù)[6]，同時也可以避免后續(xù)模具的過多修模、減少經(jīng)濟損失。

參考文獻：

[1]. 耿鐵， 涂維青，閆麗群，呂俊智.基于有限元分析軟件的注塑模具剛度和強度分析[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2013，25（4）：44-45.

[2].付春輝.車身模具強度剛度及疲勞性的有限元分析[D].吉林大學，2007.

[3].涂維青.基于ANSYS Workbench的注塑模具剛度強度分析系統(tǒng)開發(fā)[D].河南工業(yè)大學，2013.

[4].翟林，韓國泰，胡海朝，張建新.基于Moldflow與Abaqus的注射成型及模具結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真分析[J].中國塑料，2018，32（02）：128-133.

[5]. 耿鐵， 涂維青，閆麗群，呂俊智.基于有限元分析軟件的注塑模具剛度和強度分析[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2013，25（4）：44-45.

[6].趙海霞，扈艷萍，鞠云鵬.手機外殼注塑模具剛強度分析[D].青島科技大學，2015.