1 概述

    注射模cae技術是以計算機模擬為手段分析塑料加工過程并完成模具優化設計的塑料模具計算機輔助工程。它是進行產品設計、制造、工程分析、仿真、試驗等信息處理，并包含相應數據與數據管理系統在內的計算機輔助設計綜合系統。

    塑料注射成型是一個復雜的物理過程，非牛頓假塑性的高溫塑料熔體在壓力下通過澆注系統流向模具型腔，熔體由于模具中的冷卻系統而快速固化，同時伴隨熔體有剪切生熱、體積收縮、分子取向和結晶過程。因此全面深入理解注射成型需要高分子物理學、傳熱學、流變學以及成型工藝學等多方面的綜合知識。

    注射模CAE技術就是根據塑料加工流變學和傳熱學的基本理論，建立塑料熔體在模具型腔中的流動、傳熱的物理數學模型，利用數值計算理論構造其求解方法，利用計算機圖形學技術在計算機屏幕上形象、直觀地模擬出實際成型中熔體的動態充填、冷卻過程，定量地給出成型過程的狀態參數(如壓力、溫度、速度等)。利用注射模CAE技術可存樟具制造之前，在計算機上對模具設計方案進行分析和模擬來代替實際的試模，預測設計中潛在的缺陷，突破了傳統的在注塑機上反復試模、修模的束縛，為設計人員修改設計提供科學的依據。CAE技術的應用帶來的直接好處是省時省力，減少試模、修模次數和模具報廢率，縮短模具設計制造周期，降低成本提高產品質量。

2 流動分析及其在模具設計中的應用

    流動分析的方法主要有兩種:一種是分支流動法，它以一維流動分析為基礎，把三維塑件從幾何上分解成一系列由一維流動單元串聯組成流動路徑，在計算過程中，利用迭代計算，在滿足各流動路徑的流量之和等于總的注射量條件下，使各流動路徑壓力降相等。這種方法計算時間短，但難以分析形狀復雜的塑件。另一種是流動網絡法，它的基本思想是將整個型腔劃分為網格，并形成相應于各節點的體積單元，建立節點壓力和流入節點體積單元流量之間的關系，得到一組以各節點壓力為變量的控制方程，并且根據節點體積單元的充填狀況更新流動前沿。目前，流動分析普遍采用廣義Hel。一Shaw流動模型，利用有限元/有限差分法混合來禍合求解控制方程，它基本上沿用流動網絡法基本思想，利用控制體積法建立壓力場求解的有限元方程，并對時間和沿厚度方向差分，建立溫度場求解的能量方程，以實現注射模充填過程的動態模擬。

  2.1 流動分析在模具型腔設計中的應用

    對于形狀復雜的注射模型腔，產品形狀及其厚度的變化都會影響到它的充填模式。不同區域的充填信息以及關于缺料、熔接線、氣穴位置等信息對型腔設計至關重要。為了得到這些信息，傳統的方法都是利用實驗模具或真實模具經過一次次的“缺料”注射來得到，而利用流動分析可以在產品的概念設計階段得到型腔設計中的一些關鍵信息，如熔接線/熔合線和氣穴位置、流動平衡程度、跑道效應、熔體的滯流和加速流動，任一時刻或任一充填體積下的充填狀況等，利用這些分析結果，可判斷如何修改產品以獲得較佳的充填模式。

  2.2 流動分析在澆口設計中的應用

    澆口的類型很多，一般常見的有側澆口、點澆口、潛伏式澆口、扇形澆口、薄膜澆口等多種，根據其特性不同使用在不同場合，澆口一般都比較細小，因此流動阻力很大，細微的變化都會對塑料熔體的充填產生很大的影響。澆口設計主要包括澆口的數目、位置形狀和尺寸的設計。澆口的數目和位置主要影響充填模式，而澆口的形狀與尺寸主要影響熔體流動性質。澆口設計一方面應該保證提供一個快速、均勻、平衡、單一方向流動的充填模式，另一方面應該避免射流、滯流、凹陷等現象的發生。

    滯流或滯流斑是由于聚合物熔體的停滯所引起的表面缺陷，當產品中有厚薄差異較大的區域時，塑料熔體會朝著較厚易填充的方向流動，較薄處的塑料熔體將會發生停滯不動的現象，必須等較厚區域全部充滿后，塑料熔體才會回過頭來充填較薄處。如果塑料熔體停滯時間過長，將會在停滯點冷卻凝固進而造成短射或流動剪切應力急劇上升，而當凝固的熔體被推向制品表面時，將會在表面上形成滯流斑。利用流動分析可以發現滯流現象所在位置，通過修改澆口位置來改善這一現象。

  2.3 流動分析在流道設計中的應用

    流道主要用來將塑料熔體輸送到各澆口，常用的流道形狀有圓形、梯形、U型等。可以根據不同的場合及加工方便性而定。若以相同的截面面積來比較其流阻，則以圓形截面為最佳選擇，但因需雙面加工，加工難度及成本較大，一般用截面的水力學直徑來比較其流阻大小，流道的截面尺寸和長度將影響其流阻的大小。如果流阻太大，會使注射壓力大部分浪費在流道內，而降低型腔內壓力降所占的比例；但如果減小流道阻力而任意增大流道尺寸，則會延長冷卻時間，增加材料消耗。利用流動分析可以了解流道內的壓力降與流量變化，如果不合適，修改后再重新分析，即可找到適當的流道尺寸。

    流道的布置一般可以分為兩類，一類是自然平衡流道布置，在這種布置中，流道的特征相同，熔體的流動是平衡的，每個型腔可以在相同的壓力、溫度條件下同時充滿。另一類是非自然平衡流道布置。對于自然平衡流道布置，可以利用流動分析，按照流道設計原則通過改變各流道段的長度和截面尺寸，調整流道系統內的壓力損失，使得充模壓力最優。對于非自然平衡流道布置，利用流動平衡分析，調整主流道和各分支流道的長度和截面尺寸，使各型腔基本上同時充模以達到人工平衡布置。

3 冷卻分析與冷卻系統設計

    對熱塑性塑料的注射成型，模具冷卻時間占整個成型周期的2/3。冷卻過程中熔融塑料發生固化，固化過程中放出的熱量通過模具由冷卻介質帶走。該過程中模具型腔溫度的高低及均勻性直接影響到塑件生產效率和質量。注射模的溫度狀態受多種因素的影響，但其控制和調節主要靠冷卻系統來完成。冷卻系統的設計參數包括:冷卻管道的尺寸、連接關系及位置等幾何參數和冷卻介質的流量、進口溫度等物理參數。一個高效、均衡的冷卻系統可以縮短冷卻時間，提高成型效率，并減少或避免塑件的殘余應力，保證塑件的尺寸粘度和穩定性，提高塑件質量。在給定冷卻系統設計參數后，注射模冷卻分析軟件即可預測出冷卻介質的流動狀態，模壁的溫度分布及冷卻時間等，為設計人員評話設計方案，優化冷卻系統設計提供了先進實用的工具。

4 結束語

    盡管CAE技術的出現使注射模設計從傳統的經驗和技藝走上科學化的道路，在一定程度上改變了注射模傳統的生產方式，但需要指出的是，目前CAE技術并不能代替人的創造性工作，只能作為一種輔助工具幫助人去判斷設計方案是否合理，還難以提供一個明確的改進方向和尺度，仍需通過反復交互(分析一修改一再分析)，才能將設計人員的正確經驗體現到模具設計中去，而設計方案的確定在很大程度上仍需依靠設計人員的經驗和水平。

    同時cae技術分析是用高技術來改造傳統制造業，尤其是對于幾乎是單件生產的模具制造業，更是極為重要和關鍵的。它以數學模型為依據，在工程分析中的各個環節直接使用數字進行信息傳遞。但由于各個軟件平臺開發的背景不同，使迄今為止的許多優秀cae軟件都有其特定的應用對象和范圍，充分利用各軟件之長，實現有機結合和系統集成，這將成為一種趨勢。