塑料模具CAE技术概况及发展趋势

从技术及应用角度系统地介绍了塑料模具CAE技术的概况、内涵及发展趋势。

1．CAE技术的发展进程

计算机辅助工程(CAE)技术是一个涉及面广、集多种学科与工程技术于一体的综合型、知识密集型产品，通常认为它是包含数值计算技术、数据库、计算机图形学、工程分析与仿真等在内的一个综合性软件系统，其核心技术是工程问题的模型化和数值计算方法。

CAE技术的载体是软件产品，分为专用与通用两类：针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化的软件称之为专用CAE软件;可对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件称为通用CAE软件。CAE技术的主要价值在于:在设计阶段，通过对工程和产品进行加工及性能与安全可靠性的模拟，及早发现设计缺陷，并预测工程、产品的可用性与可靠性，为工程实施、产品创新提供技术保障。

CAE技术的发展动力是CAD/CAM技术水平和应用水平的提高，CAE技术的发展条件是计算机及图形显示设备的推出，以CAE技术的理论基础是有限元、边界元法等现代计算力学方法，CAE技术的核心内容是计算机模拟与仿真。

CAE技术始于1943年，随着有限元理论的逐步成熟及计算机硬件的迅速发展，使CAE技术经历了印年代的探索发展，70一80年代的蓬勃发展，以及90年代的成熟壮大三个阶段。

60年代，有限元理论尚处于发展阶段，CAE技术主要解决航空航天技术中的结构强度、刚度及模态实验和分析问题;同时针对当时计算机内存少、硬盘空间小、计算速度慢的特点进行计算方法的改进。在这种技术及商业需求的推动下，世界三大主要CAE公司成立，即MSC公司(开发MSC/Nastran软件)、SDRC公司(开发Supertab软件后，并入I-DEAS)、ANSYS公司（开发ANSYS软件）。在发展方向上，MSC公司和ANSYS公司比较专注于非线性分析;而SDRC公司则更偏向于线性分析。

70一80年代，CAE软件的开发重点是计算的精度、速度，以及内存的利用和软、硬件的匹配等，是CAE技术蓬勃发展的阶段。有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功，力学模型拓展到温度场、电磁场、声波等各类物理场，并考虑了材料非线性、几何非线性、接触行为引起的边界条件的非线性等，逐步实现了多物理场的藕合分析，并出现了许多著名的软件，如NASTRAN、I-DEAS、ADINA、SAP系列、DYN-3D、ABAQUS、ASKA、MARC等。使用者多数为专家，且集中在航空航天等军事领域，使用者在应用软件的同时还进行二次开发。

进人90年代，CAE技术与CAD、CAM、CAPP等技术相辅相成，共同发展，良好的接口及前后处理功能为以CAE技术的推广应用打下了坚实的基础。CAD、CAE软件开发者为避免重复劳动，提高效率，实现了CAD、CAE之间几何模型的共享，使CAE技术涉及的领域越来越宽，学科包括力学、电磁学、化学等，使用者从分析专家转向了设计工程师。随着CAE技术各功能的完善、改造和扩充，目前国际上先进的CAE软件可对工程和产品进行如下的性能分析、预测及运行行为模拟：

（1）静力和拟静力的线性与非线性分析包括对各种单一和复杂组合结构的弹性、弹塑性、塑性、蠕变、膨胀、几何大变形、大应变、疲劳、断裂、损伤，以及多体弹塑性接触在内的变形与应力应变分析。

（2）线性与非线性动力分析包括交变载荷、爆炸冲击载荷、随机地震载荷，以及各种运动载荷下的动力时程分析、振动模态分析、谐波响应分析、随机振动分析、屈曲与稳定性分析。

（3）稳态与瞬态热分析包括传导、对流和辐射状态下的热分析、相变分析，以及热/结构藕合分析。

（4）静态和交变态的电磁场和电流分析包括电磁场分析、电流分析、压电行为分析，以及电磁/结构料合分析。

（5）流体计算包括常规的管内和外场层流、湍流、热/流藕合，以及流/固藕合分析。

（6）声场与波的传播计算包括静态和动态声场及噪声计算，固体、流体和空气中波的传播分析等。

总之，现行的CAE技术已经成熟，CAE软件的可用性、可靠性和计算效率问题已基本解决。CAE是CAD技术的深化与发展，CAD、CAM等技术实现了数字化，CAE技术则是信息化的核心，是现代工程和制造业创新的关键手段，且CAE

技术在实现创新的同时，可提高设计质量，降低研究开发成本，缩短研究开发周期。当今的CAE软件已处于商品化时代，与CAD、CAM、CAPP、PDM、ERP等软件一起，逐步形成一个包括研究、开发、营销、培训服务等在内的应用软件产业，是信息产业的一个重要组成部分，对工程和制造业的技术创新有重大影响，对国民经济的发展有积极的作用。

2．塑料模具CAE技术的发展现状

塑料成型加工是将聚合物原料通过塑机和模具转变为具有一定形状而又有使用价值的制品的过程，成型过程中树脂原料要在有限时间内完成固体输送、熔融、熔体流动、压实、固化等非等温、非平衡过程，并伴随相变发生、分子取向、纤维取向及可能的结晶等复杂的物理、化学现象。

塑料模具CAE技术主要是利用高分子材料学、流变学、传热学、计算力学和计算机图形学等基本理论，建立塑料成型过程的数学和物理模型，构造有效的数值计算方法，实现成型过程的动态仿真分析，使人们对塑料成型过程的认识从

宏观进人微观、从定性进人定量、从静态进人动态，为优化模具设计和控制制品成型过程，获得理想的最终产品，提供科学依据和设计分析手段。

塑料模具CAE技术的运用是塑料成型加工及模具设计发展过程中的一个重要里程碑。它可使设计人员避免设计中的盲目性，使工程技术人员在模具加工前完成试模工作，也可使生产操作人员预测工艺参数对制品外观和性能的影响。总之，设计、生产人员可利用塑料模具CAE技术有目的地修正设计方案和工艺条件，克服因经验少、工作疏漏而造成的不良后果，多快好省地进行新产品、新工艺的研究开发，以适应日益激烈的竞争环境。因此，近年来模具及塑料加工领域发展最快的是CAE技术，通过对成型加工过程进行数值模拟，研究加工条件的变化规律，预测制品的结构和性能，选择制品、模具设计及工艺条件间的最佳方案，使成型加工从一项实用技术变为一门应用科学。

早在20世纪50年代，美国的学者就对聚合物加工过程(尤其是塑化挤出)的数值模拟建模作了一系列工作，同期，瑞士的学者给出了有关挤出的重要模型。1959年E．C．Bernhardt在书中总结了成型建模中的许多问题；Mckelvey的书首次成功地描述了一个统一的方法，即采用质量守恒和相变换的原理描述问题；Klein和Marshall的书是第一本有关塑料成型的计算机模拟的专著，但书中的内容对于70年代来讲比较陈旧，因此该书的影响并不大;Tadrnor和Klein在书中首次给出了塑化挤出的完整模型，包括固体输送、塑化和熔体输送等。

70年代初期，有关塑化挤出模拟软件EXTRUD已商品化，该软件很大程度上是基于Tadrnor和在书中所描述的模型。70年代以来，很多大学和企业的研究者都致力于注射、挤出和其它工艺的计算模型的研究。然而，这些计算模型对加工技术产生的影响并不大。1978年C.Austin推出了第一个注塑成型充填阶段的模拟软件MOLDFLOW。80年代，随着C-MOLD软件的问世及其它一些软件广泛用于注射成型过程，模具设计才成为依赖于计算机预测的工程科学。

80年代中期以来，国内开始重视塑料模具CAE技术，经过10余年的研究和开发，现有一些大学和研究院所已推出一些实用的商品化软件，如郑州大学橡塑模具国家工程研究中心开发的Z-MOLD。

自80年代以来，北美和欧洲的许多研究小组对聚合物熔体流经管道、口模和成型设备的各个方面进行了深人的调查、研究，推出了关于聚合物流动的有限元分析软件FIDAP、POLYFLOW、NEKTON和POLYCAD等。90年代，研究重点在材料的粘弹性、复杂三维模拟，以及取向、残余应力和固化现象等。另外，计算方法在双螺杆挤出、热成型、薄膜吹塑、反应注射成型和气体辅助注射成型的工艺条件设定方面的应用也成为研究热点。

为了对各种成型加工过程进行更精确的模拟，目前各国学者都在研究新模型、新算法及新的成型模拟系统，并将模拟软件与制品设计、模具设计及制造紧密结合，开发一体化的集成技术，与CAD、CAM、CAPP、PDM、ERP技术软件的渗透、协调能力加强，使计算机模拟技术呈现智能化、集成化的趋势。可以预见，塑料模具CAE技术将被广泛采用，成为解决塑料成型加工和模具设计中各类问题的标准工具和手段。

3．塑料模具CAE技术的理论方法及应用

由于塑料的种类和成型方法很多，塑料模具CAE技术的应用侧重面有所不同。下面就常用的注射成型、气体辅助注射成型、反应注射成型、挤出成型、吹塑成型和热成型等成型方法说明现有塑料模具CAE技术的理论方法及其对实际工程的指导意义。

3.1注射成型

注射成型是热塑性塑料成型的一种主要成型方法。注射模CAE技术按成型工艺过程的特点，分为流动、保压、冷却、残余应力及翘曲分析等软件模块。流动模拟采用非牛顿流体非等温下广义的Hele-Shaw模型描述注射充填过程；用有限元/有限差分算法祸合求解动量守恒方程和能量守恒方程以获得压力场、温度场、速度场；用控制体积法跟踪熔体的流动前沿;用人工智能技术自动识别熔接线和气穴的位置。通过流动模拟可获得型腔内的温度、压力、速度及锁模力等信息，帮助工程技术人员合理地设计浇注系统，优选注射工艺参数，发现可能出现的成型缺陷并提出相应的对策。

保压过程始于充填阶段之后，通过压力的保持将额外的熔体压人模具内以弥补由于冷却而引起的收缩。保压分析主要研究熔体的尸VT行为，考察由密度差异引起的熔体内部运动。保压分析主要用于预测熔体在型腔补料与压实过程的压力场、温度分布，计算体积收缩率和壁剪切应力及密度变化的节点标量图，判断存在的间题，以便改进结构和工艺参数。对于保压阶段的冷却及其伴随的结晶、取向等对收缩和翘曲的影响，目前尚无精确的数学物理模型描述，通过实验获取相关的材料参数有一定难度，一段时间内仍是具有挑战性的研究课题。

冷却模拟主要是利用热力学原理和有限元/有限差分、边界元等数值方法对注塑模的冷却系统进行分析，计算冷却管道的热效率，优化冷却管道的布置及结构尺寸，缩短循环时间，避免过热点，减少塑料件的残余应力和变形。

残余应力与翘曲变形分析，可应用力学的基本原理及有限元/有限差分等数值算法，预测塑料件的成型尺寸，考察注塑机、材料、模具结构及工艺参数对制品尺寸精度的影响。结构分析可用来预测制品的使用性能，如强度、光学性能等。

3.2气体辅助注射成型

气体辅助注射成型是在传统的注射成型基础上发展起来的一种创新的注射成型工艺，其特点在于:在充填阶段，当型腔充填至70%一95%时向型腔内注入高压气体，并使气体进人型腔;进人保压阶段，继续注人高压气体以弥补因熔体

冷却而引起的收缩。

由于气体、熔体两种性质完全不同物质的动力学的相互作用，使得成型过程的模拟非常复杂，控制方程仍采用非牛顿流体非等温下广义的Hele-Shaw流动，但在气熔界面处作了假设，认为气体、熔体两相介质不混合。这样，流场的求解变为对熔体流动方程的求解，仅在气熔界面上加上气体压力的边界条件。一般采用粒子跟踪法或控制体积法确定气熔界面。

利用气体辅助注射成型过程的CAE技术，可帮助设计、工程技术人员解决下列问题:①发现气穴、气体冲透等潜在的质量问题；②确定熔体的最优体积，注入气体的最佳切人时间等工艺参数；③获得多型腔系统在整个加工过程中的物料及气体的分布；④优化气道、浇注系统的尺寸、布置方案。

3.3反应注射成型

反应注射成型主要是利用热固性塑料和纤维毡片来生产复合制件。树脂在压力作用下流过纤维毡片，然后固化成纤维增强复合制件。利用CAE技术可对型腔充填及树脂固化等进行分析。

对于反应注射成型中树脂流过纤维毡片的复杂机理，可通过Darcy定律来进行理论性的描述。对于薄壁型腔，由于横向流动对于平面内体积流动的影响可以忽略不计，从而得到Darcy定律的二维形式，将树脂流过纤维毡片模拟成疏松介质中流体的流动。用控制体积有限元计算型腔内的压力分布，通过纤维分量的能量方程得到纤维温度的影响。后充填阶段的交联反应使树脂固化，在不考虑树脂流动的情况下，可用化学反应的不稳定传送模拟树脂的固化。

3.4挤出成型过程的数值模拟

挤出机中的数值模拟，可以优化螺杆设计，检测挤出机的相关性能，如螺杆转速、料筒温度分布、材料性能等。聚合物在单螺杆挤出机中一般经历固体输送、熔融、熔体输送三个阶段。其中，固体输送可用Tadmor固体输送理论或修正的Darnell和Mol模型来模拟。熔融区的分析中包含相态变化，在假定挤出过程稳定、固相物料均匀连续的基础上，建立了挤出机中固体熔融过程的理论模型。熔体输送理论开始是以两块无限的平行板之间的等温牛顿流体为对象，后又扩展到非牛顿流体。双螺杆挤出塑化过程通常可简化为三维稳态流动，但复杂的流道几何形状、螺杆布置、操作条件使得对双螺杆挤出过程的数值分析仍然面临许多挑战性的问题。

挤出模头中的流动模拟，可以帮助优化流道截面几何设计和实现流动平衡，找出挤出机的操作点。对于平缝模，常用的数值方法是利用建立在物理准则的控制体积法(代替有限差分法或有限元法)求解控制方程，决定体积流率与压力的关系。对于异型材模头设计面临的主要问题是如何将由挤出机提供的熔体过渡到需要的异型材端面形状，同时还要保证无降解条件下的流动平衡，即各个出口断面的流速均匀且相等。目前有多种数值算法，虽能解决一定的工程问题，但仍需进一步完善。

挤出胀大数值模拟可以预测制品最终的截面形状，反算口模的形状。聚合物挤出中出模膨胀数值分析的难度在于聚合物熔体的非线性即粘弹性和出模流动的自由表面问题。到目前为止，自由表面流动的数值计算间题已基本上得到解决，但描述聚合物熔体的粘弹本构关系并没有得到很好的解决。

3.5吹塑和热成型过程的数值模拟

吹塑成型随着多层共挤出工艺技术的提高，以及适合于挤出吹塑、注射吹塑和拉伸吹塑等高性能新材料的不断涌现，得到进一步的发展。吹塑制品的壁厚分布和膨胀后型坯的拉伸比是判定吹塑制品质量的主要因素，它涉及到挤出模头间隙、模具型腔和可移动的嵌件设计等。热成型主要包括真空成型、压力成型、模塞辅助成型等。所有这些成型技术都需要采用压力(或真空)迫使重新加热的热塑性片材膨胀而附着在模具表面，从而达到加工的目的。

利用数值方法通过对热成型和吹塑过程的模拟，可以发现材料随着时间的演化过程，以及可能存在的潜在问题，得到成型制品的厚度分布预测，并且可以利用预测结果优化成型工艺参数，通过增加制品厚度均匀性提高制品质量，在满足设计功能要求的前提下，使制品轻量化，并确定通气孔和真空阀的最优位置。除此之外，还可得到以下的信息：①由于重力作用引起的挤出型坯下垂；②成型过程对工艺参数和材料性质的灵敏度；③冷却过程的温度分布等。

3.6其它成型过程的数值模拟

压延是一种制造大体积和高质量产品的特殊的生产过程，主要用于生产PVC膜和片材。对压延过程进行数值分析最早是采用一维分析并运用了润滑近似理论(LAT)，随后分别开展了二维模拟、粘弹性模拟，以及共挤出模拟。

流延模广泛应用于薄膜生产，根据不同的材料和成型工艺条件可以得到不同宽度和厚度截面的薄膜产品，设计工程师的目的是希望在最大宽度下获取厚度均匀的薄膜。流延过程的数值分析能准确地描述拉伸现象，何时预测沿薄膜的厚度变化和形状变化。纤维纺丝过程由于形状变化、成型过程的热行为和粘弹行为等为数值分析带来了很大的困难。数值模拟可预测在给定喷丝头几何条件下的纤维形状，或者通过修改喷丝头几何形状以获得所需的轴对称或三维形状的纤维，同时还可以模拟熔体在模头内，以及拔出时的流动行为，提供整个成型过程的流动轨迹、温度、速度，以及张力等。

其它成型方法，如吹塑膜、徐渡等成型过程数值模拟也已开展了大量的工作，对聚合物加工过程的分析和成型设备的设计都产生了相当大的影响。

4．塑料模具CAE技术的发展趋势

随着科学技术的迅速发展，互连网技术的普及和全球信息化，塑料模具CAE技术的功能进一步扩充，性能也进一步提高，呈现出如下的发展趋势。

（1）数学模型、数值算法逐步完善，理论向纵深方向发展

塑料模具CAE技术的实用性取决于数学模型的准确及数值算法的精确。随着相关领域的技术进步，数学模型对成型过程的描述更准确、真实。如聚合物在三维复杂区域中的流动、传热过程的数值分析，以及入口收敛效应使模头内三维流动和出模胀大，使所用的本构关系更加复杂，考虑了粘弹性及非等温性，数值算法也由二维、二维半走向真三维，计算结果更为精确。

聚合物成型是属于多相态介质、多物理场藕合的情况，属于强非线性;而且从材料的组成与构造特征看，存在着从微观、细观到宏观的多尺寸现象，由于不同的尺寸服从于不同的物理、力学模型，宏观的物理力学模型逐步细分不能得到微观、细观模型，而微观、细观模型的无限迭加同样无法得到宏观模型，存在多尺度模型的藕合问题。而该问题的研究尚处于基础研究阶段，也是塑料模具CAE技术的研究热点、难点。由于其强烈的工程背景，一旦基础研究有任何突破，多会被迅速纳人塑料模具CAE技术，以支持产品设计、模具设计、成型工艺的创新。因此，多相态、多介质、多物理场、多尺度耦合分析是发展趋势之一。

（2）人工智能、知识工程的运用，使用户界面更加友好

由于计算机技术及多媒体技术的发展，用户界面具有更强的直观、直感和直觉性，用户能以较少的工程知识背景，利用“向导”或语音等信息提示，实现简单的“傻瓜”操作。计算机图形处理能力的大幅度提高，以及三维图形算法、图形运算和参数化建模方法的发展，CA五软件的前后处理技术将会有新的发展。如复杂三维实体建模及相应的自适应网格划分、分析结果的实时显示、成型过程的动态仿真等。塑料模具CAE技术涉及大量的设计方案、标准构件、行业性的标准、规范，以及大量的专业知识，利用模糊算法、人工智能及知识工程可自动选择合理的方案，判断计算结果的合理性，减少用户对计算程序的干涉。

（3）优化理论及算法，使CAE技术“主动”地优化设计

现有的CAE技术是建立在科学计算的基础上的，但仅仅是校验设计方案的合理性，“优化”仅是反复的校验、试凑，最终的设计方案仍需设计者的经验和技巧，通过对多个方案的反复计算、比较、分析和判断来确定，使设计和分析过程仍带有盲目性和随机性。

利用现有的模拟结果，借助于优化理论构造有效的反问题算法，给出明确的改进方向和尺度，对优化模具设计参数和成型工艺参数十分重要。这样，可从根本上解决依赖经验和技巧的方法和手段。

（4）CAE技术的集成化与网络化发展

随着互联网技术的普及，宽带通讯技术的突破，以及通讯、广播和计算机三网融合步伐的加快，计算机及网络正从社会的各个方面改变着人类的学习、生活。

现代设计理论的应用，如并行工程等，用户将需要无缝连接的集成化的软件，具有专业特色的CAD/CAE/ CAM/CAPP/PDM/ERP产品将应运而生，逐步完成模具及成型加工全过程的模拟及控制，形成“过程工程与技术”的关键技术。

该计算基于网络环境，实时设计与制造系统的全过程结合，建立整个制造过程的研究、开发、规划、设计、实施与控制、管理的新体系。

为适应电子商务的发展要求，塑料模具CAE技术，将立足于全社会的公开网络环境，实现异地的“协同设计”及“虚拟制造”，建立专业化的虚拟网络服务环境，并开发相关产品，实施网上经销、培训与服务。