注塑機模板的有限元分析及其優(yōu)化論文
摘要：作為注塑機的關(guān)鍵部件，實(shí)現模板的優(yōu)化設計，優(yōu)化應力分布意義重大。通過(guò)對注塑機的前模板、動(dòng)模板和后模板進(jìn)行有限元分析，并在此基礎上提出了相應的優(yōu)化措施，明顯提高了其經(jīng)濟效益。
關(guān)鍵詞：注塑機;有限元分析;模板;優(yōu)化
Injection molding of the Limited finite element analysis and optimization
LIAO Shun-song
(Zhuzhou Gofront Equipment Co.,Ltd.Zhuzhou,Hunan 412001,China)
Abstract:As a key component of the injection molding machine to achieve optimal design templates to optimize the stress distribution is of great significance. Through the frrst injection molding machine templates,dynamic templates and the template after the finite element analysis,and based on the proposed optimization measures,significantly increased its economic benefits.
Key wordS:injection molding machine;limited element analysis; template;optimization
模板是注塑機的關(guān)鍵部件，具有固定模具，作為運動(dòng)導向定位基準的作用，也是整機中消耗鋼材最多的部件。模板的性能很大程度上影響注塑制品的質(zhì)量�，F有注塑機模板的設計通常憑借經(jīng)驗進(jìn)行類(lèi)比設計導致現有模板過(guò)于笨重、巨大，且存在變形過(guò)大、失效甚至斷裂的問(wèn)題。實(shí)現注塑機模板的優(yōu)化設計，減小變形，優(yōu)化應力分布，并最大限度的節省材料，具有重要意義。
1 注塑機模板有限元分析
這里通過(guò)對某塑料機械有限公司30噸合模力的注塑機的模板進(jìn)行研究，來(lái)獲得注塑機模板拓撲優(yōu)化的實(shí)用性結果。在進(jìn)入ANSYS的求解器開(kāi)始分析前，可選擇ANSYS本身自帶的建模功能或者其他3D建模軟件得到注塑機模板的實(shí)體模型。
1.2前模板有限元分析
前模板的主要作用是固定模具及定位導向，板四角孔處由導向拉桿相連，背部固定模具，承受合模時(shí)模具壓力，底部固定于床身。板基本結構為長(cháng)方體，左右對稱(chēng)。為節省計算資源，按中軸線(xiàn)取一半模型，并簡(jiǎn)化一些螺孔、小凹槽及圓角后，在軟件中建立前模板的三維幾何模型，轉化成IGES格式導入ANSYS中。
通過(guò)建模、劃分網(wǎng)格、施加邊界調節和載荷后，進(jìn)入求解器求解后，再通用后處理器查看結果。在后處理器中查得單元平均應力云圖如圖1。該云圖反應了前模板應力分布比較均勻。在實(shí)際工況中，拉桿螺母對模板的的約束并非完全限制，是系統剛度與載荷之間的平衡。前模板的大部分區域應力都在70MPa以下，基本符合強度要求。模板大平面上最大應力出現在模具安裝區四角上，該處承受的主要是壓應力，同樣強度下對模板的破壞作用有限。因此，必須使模板上的應力分布趨于合理。
圖1單元平均應力云圖
1.3 動(dòng)模板有限元分析
同理，得到動(dòng)模板單元平均等效應力分布云圖2.從應力云圖中可以清晰得到其應力分布。大多數單元應力都在70MPa以下，在部分應力集中區應力可達200 MPa以上，最大應力出現在鉸孔安裝平面，在QT500-7的許用強度之內。應力的分布不盡合理尤其是在安裝模具的中心區域邊緣過(guò)大。將動(dòng)模板作為受彎構件，該處所在的截面為危險截面，模擬結果也符合這點(diǎn)。
圖2動(dòng)模板單元平均等效應力分布云圖
1.4后模板有限元分析
后模板結構分析前必須對模型作如下假設簡(jiǎn)化處理，去除后模板上各種對最終應力分布改變不大的細微結構移除合模周期過(guò)程中的溫度場(chǎng)變化：后模板同樣取二分之一進(jìn)行研究。同上處理過(guò)程，得到后模板單元平均等效應力分布云圖3。該云圖顯示后模板大部分區域承受應力均30MPa在以下，應力最大的區域在拉桿孔附近固定螺母的約束平面，極值達168MPa。從后處理器中查看變形云圖可得后模板最大變形并不在于中心區域，而是在安裝鉸孔處背面。后模板的力學(xué)模型剛度較大，在底層和邊緣的材料應力均很小，顯然滿(mǎn)足強度要求，可大幅縮減。在對后模板進(jìn)行拓撲優(yōu)化分析時(shí)，這些區域是優(yōu)化的重點(diǎn)。
2 結構拓撲優(yōu)化與模板改進(jìn)設計
拓撲優(yōu)化是在原結構基礎上進(jìn)行，在拓撲優(yōu)化前，必須要考慮到模板在注塑機中的臨界安裝尺寸。
2.1 拓撲優(yōu)化的建模技術(shù)
注塑機模板屬于厚板連續體結構，基于有限元分析獲得的拓撲優(yōu)化結果，結構邊界呈現不規則性，若要提取對優(yōu)化方案有參考價(jià)值的信息，其優(yōu)化結果需要進(jìn)行適當的后處理：①提取結構，將以密度分布介于表示連續體的拓撲優(yōu)化結果，轉化為易于理解的表達方式。②鋸齒形狀的優(yōu)化結果的光順，將帶有有限元網(wǎng)格幾何特征的鋸齒形狀的折線(xiàn)光順為直線(xiàn)邊緣。③簡(jiǎn)化冗余網(wǎng)格信息。
2.2模板拓撲優(yōu)化
為方便單元的映射網(wǎng)格劃分，省略所有孔洞;厚度應大于原模板，以便于得到更大的優(yōu)化空間，同時(shí)各處的厚度均勻。模板底部要來(lái)自機架的約束，所以簡(jiǎn)化成矩形體獲得X向的約束。①對前模板結果進(jìn)行分析可知：非優(yōu)化區域的選擇是正確的，在云圖中體現這些區域內的材料承受大應力，且隨體積約束的變化，原模型上部分材料的在結構布局中的也逐步被邊緣化。②動(dòng)模板的拓撲密度結果云圖中可知動(dòng)模板密度材料分布形成雙拱橋結構，即肘桿施壓區和背面承力區形成的拱橋結構，拉桿孔和肘桿施壓區形成的拱橋結構。肘桿施壓區和背面承力區在不同平面上，這種結構就極力適用于動(dòng)模板的受力情況。在拱橋的中間，仍體現出表面材料的重要性大于中間的傾向。另一拱橋結構由于拉桿孔貫穿模板Z向，拱形并不明顯，而拉桿孔周?chē)牧系拿芏确植既泽w現出表面重中間輕的彎曲梁原則。③后模板在拓撲優(yōu)化之后的筋板形式比其他兩塊模板凌亂。這與后模板優(yōu)化前的模型結構有關(guān)系，為保證肘桿機構正常完成順序動(dòng)作，優(yōu)化前模型保留了相當大的深度，使得拓撲優(yōu)化時(shí)的余地變小。
3結語(yǔ)
利用CAE技術(shù)進(jìn)行注塑機模板的優(yōu)化設計既有學(xué)術(shù)意義，又具有較強的工程實(shí)用價(jià)值。采用有限元及拓撲優(yōu)化方法對模板進(jìn)行分析設計，可以在不提高結構岡度，優(yōu)化應力分布前提下大幅節省模板的材料，實(shí)現模板輕量化的目標。同時(shí)，與傳統的經(jīng)驗式的結構設計相比，它大大縮短了設計周期及降低成本，明顯提高了經(jīng)濟效益。
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