MoldFlow软件在注塑模具设计中的应用
The application of MoldFlow in Injection Mold Design
文劲松 麻向军
(华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程中心SCUT—MoldFlow高级技术应用培训中心)
一 前言
塑料产品从设计到成型生产是一个十分复杂的过程，它包括塑料制品设计、模具结构设计、模具加工制造和模塑生产等几个主要方面，它需要产品设计师、模具设计师、模具加工工艺师及熟练操作工人协同努力来完成，它是一个设计、修改、再设计的反复迭代、不断优化的过程。传统的手工设计、制造已越来越难以满足市场激烈竞争的需要。计算机技术的运用，正在各方面取代传统的手工设计方式，并取得了显著的经济效益。计算机技术在注塑模中的应用主要表现在以下几方面。
1、塑料制品及模具结构设计
商品化三维CAD造型软件如Pro/Engineer、UG、CATIA等为设计师提供了方便的设计平台，其强大的曲面造型和编辑修改功能以及逼真的显示效果使设计者可以运用自如地表现自己的设计意图，真正做到所想即所得，而且制品的质量、体积等各种物理参数一并计算保存，为后续的模具设计和分析打下良好的基础。同时，这些软件都有专门的注塑模具设计模块，提供方便的模具分型面定义工具，使得复杂的成型零件都能自动生成，而且标准模架库、典型结构及标准零件库品种齐全，调用简单，添加方便，这些功能大大缩短了模具设计时间。同时，还提供模具开合模运动仿真功能，这样就保证了模具结构设计的合理性。
2、注塑过程数值分析
运用CAE软件如MoldFlow模拟塑料熔体在模具模腔中的流动、保压、冷却过程，对制品可能发生的翘曲进行预测等，其结果对优化模具结构和注塑工艺参数有着重要的指导意义，可提高一次试模的成功率。在下面的章节中将详细讨论。
3、数控加工
利用数控编程软件可模拟刀具在三维曲面上的实时加工过程并显示有关曲面的形状数据，以保证加工过程的可靠性，同时还可自动生成数控线切割指令、曲面的三轴、五轴数控铣削刀具轨迹等。 二 MoldFlow软件的作用
MoldFlow软件是美国MOLDFLOW公司的产品，该公司自1976年发行了世界上第一套塑料注塑成型流动分析软件以来，一直主导塑料成型CAE软件市场。2000年4月，收购了另一个世界著名的塑料成型分析软件C－MOLD。
MoldFlow软件包括三部分：
MoldFlow Plastics Advisers（产品优化顾问，简称MPA）：塑料产品设计师在设计完产品后，运用MPA软件模拟分析，在很短的时间内，就可以得到优化的产品设计方案，并确认产品表面质量。
MoldFlow Plastics Insight（注塑成型模拟分析，简称MPI）：对塑料产品和模具进行深入分析的软件包，它可以在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析，包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩，以及气体辅助成型分析等，使模具设计师在设计阶段就找出未来产品可能出现的缺陷，提高一次试模的成功率。2001年年底，MOLDFLOW公司发布了集MPI2.0与C－Mold 2000.7功能于一体的MPI3.0，现已升级到3.1版本，与MPI2.0相比，MPI3.1的模型准备与分析在统一的界面下进行，大大简化了操作步骤，而且分析结果更准确。该软件包在中国大陆广泛使用，以后的讲座，均以MPI3.1为准。
MoldFlow Plastics Xpert（注塑成型过程控制专家，简称MPX）：集软硬件为一体的注塑成型品质控制专家，可以直接与注塑机控制器相连，可进行工艺优化和质量监控，自动优化注塑周期、降低废品率及监控整个生产过程。
MoldFlow软件在注塑模设计中的作用主要体现在以下几方面。 1、优化塑料制品
运用MoldFlow软件，可以得到制品的实际最小壁厚，优化制品结构，降低材料成本，缩短生产周期，保证制品能全部充满。
2、优化模具结构
运用MoldFlow软件，可以得到最佳的浇口数量与位置，合理的流道系统与冷却系统，并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸进行优化，在计算机上进行试模、修模，大大提高模具质量，减少修模次数。
3、优化注塑工艺参数
运用MoldFlow软件，可以确定最佳的注射压力、保压压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间和冷却时间，以注塑出最佳的塑料制品。 三 MPI3.1软件的主要模块
1、模型输入与修复
MPI3.1有三种分析方法：基于中心面的分析、基于表面的分析与三维分析。中心面既可运用MPI软件的造型功能完成，也可从其它CAD模型中抽取，再编辑；表面分析模型与三维分析模型直接读取其它CAD模型，如快速成型格式（STL）、IGES、STEP、Pro/E模型、UG模型等。模型输入后，软件提供了多种修复工具，以生成既能得到准确结果，又能减少分析时间的网格。
2、塑料材料与注塑机数据库
材料数据库包含了超过4000种塑料材料的详细数据，注塑机数据库包含了290种商用注塑机的运行参数，而且这两个数据库对用户是完全开放的。
3、流动分析
分析塑料在模具中的流动，并且优化模腔的布局、材料的选择、填充和保压的工艺参数。
4、冷却分析
分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管道的布局和工作条件，与流动分析相结合，可以得到完美的动态注塑过程。
5、翘曲分析
分析整个塑件的翘曲变形，包括线形、线形弯曲和非线形，同时指出产生翘曲的主要原因以及相应的改进措施。
6、纤维填充取向分析
塑件纤维取向对采用纤维化塑料的塑件性能（如拉伸强度）有重要影响。MPI软件使用一系列集成的分析工具来优化和预测整个注塑过程的纤维取向，使其分布合理，从而有效地提高该类塑件的性能。
7、优化注塑工艺参数
根据给定的模具、注塑机、塑件材料等参数以及流动分析结果自动产生控制注塑机的填充保压曲线，从而免除了在试模时对注塑机参数的反复调试。
8、结构应力分析
分析塑件在受外界载荷情况下的机械性能，在考虑注塑工艺的条件下，优化塑件的强度和刚度。 9、确定合理的塑料收缩率
MPI3.1通过流动分析结果确定合理的塑料收缩率，保证模腔的尺寸在允许的公差范围内，从而减少塑件废品率，提高产品质量。
10、气体辅助成型分析
模拟气体辅助注射成型过程，对整个成型过程进行优化。 11、特殊注塑成型过程分析
MPI3.1可以模拟共注射、反应注射、微芯片封装等特殊的注射成型过程，并对其进行优化。 四、小结
本文对MoldFlow软件在塑料注塑成型过程中的作用及其整体结构进行了简单的介绍，在以后的技术讲座中将对它的各个模块进行详细的介绍。
参 考 文 献
1、 余卫东，陈建，MoldFlow软件在注塑成型过程中的应用，《广东塑料》，No.7，2001 2、 MOLDFLOW公司网站www.moldflow.com
MoldFlow软件在纤维填充中的应用
Application of Fiber Oriention Flow Analysis with MoldFlow Software
麻向军 文劲松
（华南理工大学聚合物新型成型技术国家工程中心 华南理工大学—美国MoldFlow高级应用技术中心）
前言
短纤维增强树脂基复合材料由于具有高的强度、弹性模量、刚度以及抗蠕变性能好等优点，近年来得到了广泛的应用。由于这类制件一般较薄，同时由于短纤维的加入，使得其成型过程比常规的流动过程复杂得多。短纤维的三维趋向及其在成型过程中的变化进一步增加了其复杂性。此外，材料性质、纤维的形状系数和体积分数、成型条件特别是填充速度，都将影响纤维趋向。MPI/Fiber通过对短纤维增强树脂基复合材料的填充和保压过程进行模拟计算，能够可靠地预测纤维趋向程度，从而为预测制件的力学性能及随后的翘曲及应力分布提供可靠的依据。
一、MPI/Fiber简介
纤维增强复合材料制件的许多性能与纤维趋向有关。MPI/Fiber实际上是在常规流动分析即MPI/Flow的基础上，进一步预测制件中的纤维趋向。
由于工业中常用的复合材料所含填充材料的体积分数在10~50%之间，因此，在分析时必须同时考虑熔体动力学、熔体对纤维的作用和纤维间的相互作用对纤维趋向的影响。在MPI/Fiber中，熔体动力学利用常规的流动分析即MPI/Flow进行计算，熔体对纤维的作用采用Jeffery模型进行计算，纤维间的相互作用采用Tucker-Folger模型进行计算。在计算过程中，将纤维趋向与流动分析完全耦合，从而确保了纤维趋向计算的可靠性。
目前，MPI的填充材料数据库包含了大部分常用的填充材料如玻璃纤维、碳纤维、石棉纤维、硼纤维、钢纤维、合成材料纤维等，可用于绝大多数复合材料制件的分析。
纤维趋向是决定制件力学性能的主要因素，MPI/Fiber在纤维趋向预测的基础上可以进一步预测制件的力学性能。MPI/Fiber提供了五种力学性能模型供用户选择，包括Tandon- Weng模型、Halpin-Tsai模型、Krenchel模型、Cox模型、Ogorkiewicz-Weidmann-Counto模型。
此外，MPI/Fiber还提供了三种热膨胀系数计算模型供用户选择，包括Schepery模型、 Chamberlain模型和 Rosen- Hasin模型。
由于制件的力学性能和物理性能与基体和纤维的性能有关，因此，在进行分析之前，除了要定义MPI/Flow分析所需的基本数据外，还需要定义材料的力学和物理性能，包括基体和纤维的弹性模量、剪切模量、泊松比、热膨胀系数及纤维的长度、形状系数、重量或体积分数。
目前，MPI/Fiber可以对制件的中性面模型和Fusion模型进行分析。
二、MPI/Fiber的作用
MPI/Fiber通过对纤维增强树脂基复合材料填充和保压过程的分析，不仅为用户提供常规流动分析的结果如填充时间、压力、温度、熔接痕、气穴等，还可以提供与纤维增强有关的模拟结果，帮助用户进行工艺优化。本文主要介绍与纤维增强有关的模拟结果。
(1) 纤维平均趋向 纤维趋向是决定制件力学性能的主要因素，但是，影响纤维趋向的因素较多。MPI/Fiber可以预测纤维在整个成型过程中纤维的运动及纤维在制件厚度方向的平均趋向。通过优化填充形式和纤维趋向以减小收缩变形和制件的翘曲，并尽可能使纤维沿制件受力方向排列以提高制件的强度。
(2) 纤维趋向张量 注射成型结束时制件厚度方向不同位置的张量分布，是计算制件在成型过程中热-机械性能和制件残余压力的重要依据。
(3) 制件的力学性能 注射成型结束时制件厚度方向不同位置的力学性能如弹性模量、剪切模量、泊松比。由于考虑了制件的实际成型条件对力学性能的影响，大大提高了制件翘曲分析及应力分析的精度。
(4) 制件的热膨胀系数 注射成型结束时制件厚度方向不同位置的纵向（流动方向）和横向（垂直于流动方向）的热膨胀系数。
三、MPI/Cool应用实例
3.1 建模
在Pro/ENGINEER中建立制件实体模型，通过STL文件格式读入MPI并提取中性面模型，浇注系统在MPI中创建。制件模型和浇注系统如图1所示。
图1 制件中性面模型和浇注系统
3.2 工艺条件
制件材料选用Honeywell Plastics Capron 8233G HS，玻璃纤维的重量比为33%。工艺参数为：熔体温度280C，型腔温度80C，注射时间为0.75 Sec，保压时间为10s，保压压力为注射压力的80%，冷却时间为20s。
3.3 模拟结果
按照上述工艺条件，对制件的填充和保压过程进行了分析，得到的与纤维增强有关的部分模拟结果如图2所示。
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(a) 制件纤维平均趋向
(b) 制件纤维趋向张量在厚度方向的变化
(c) 制件弹性模量分布云图
(d) 制件热膨胀系数等值线图 图2 纤维填充模拟得到的结果
四、结束语
MPI/Fiber通过对短纤维增强树脂基复合材料填充和保压过程的模拟，帮助工艺人员全面了解成型条件对制件质量及纤维趋向的影响，并为随后进行的翘曲分析和应力分析提供了可靠的依据。这对于提高纤维增强复合材料制件的质量具有重要的指导意义。
参考文献
1． 陈宝祥，张风翻：先进树脂基结构复合材料的发展，材料工程，5-7，No.6，1996 2． 马宏林：航空航天用树脂基复合材料，宇航材料工艺，12-15，No.2，1996 3． 余卫东，陈建：注塑成型CAE技术，计算机辅助设计与制造，60-62，No.3，2002 4． MOLDFLOW公司网站www.moldflow.com
MoldFlow软件在特殊注塑成型中的应用
Application of Special Injection with MoldFlow Software
文劲松 麻向军
（华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程中心SCUT—MoldFlow高级技术应用培训中心）
一 前言
MPI3.1除了能对传统的注塑成型进行模拟分析外，还能对一些特殊的注塑成型过程进行模拟分析，如共注塑成型（Co-injection Molding）、压注成型（Injection-Compression Molding）、反应注塑成型（Reaction Injection Molding）、微芯片封装（Microchip Encapsulation）、气体辅助注塑成型（Gas-Assisted Injection Molding），其中，气体辅助注塑成型将有专门的文章进行介绍，下面讨论其它的注塑成型模拟分析。
二 共注塑成型模拟分析
共注塑成型是指用两个或两个以上注塑单元的注塑成型机，将不同的品种或不同色泽的塑料，同时或先后注入模具内的成型方法，可生产多种色彩或多种塑料的复合制品。MPI/Co-Injection可以模拟先后注射成型过程。 一般用于共注塑的注塑机有两个料筒和一个公用的喷嘴。制品表面的塑料首先注射，由于喷泉效应，塑料熔体喷射到模腔壁，模壁的温度远低于熔体的凝固温度，熔体迅速凝固，形成绝缘层，新的熔体沿着模壁流动，直到覆盖整个模腔表面。随后注射制品内部的塑料，最后再次注射表面塑料。在共注塑过程中，有两个很难控制的工艺参数：
1）两种塑料的最优混合比例。理论上，制品内部塑料最大可占到制品体积的百分之六十七，但实际上很难到达，尤其是复杂制品，工程上内部塑料可达到制品体积的百分之三十。
2）两种塑料注射转换的时间控制点。
由于模具设计不合理或者两种塑料比例不合适，有可能使内部塑料露出表面，尤其是最后填充的地方。
MPI/Co-Injection根据两种注射塑料的特性，预测它们在模腔中的分布，并给出两种塑料的最佳混合比例以及注射时间控制点，分析结果包括：
1） 两种塑料在填充过程中，模腔中任一点在任一时间的体积百分比。
2） 两种塑料在模腔中的分布情况。
3） 内部塑料在成型过程中厚度的变化情况。
4） 两种塑料在填充过程中，模腔中任一点在任一时间的质量变化情况。
5） 根据所选择的分析流程不同，分析结果还包括流动分析结果、冷却分析结果、翘曲分析结
果以及应力分析结果等。
三 压注成型模拟分析
压注成型简单地说就是首先把塑料注射到比制品尺寸大的模腔，然后通过压缩使成型件达到制品的尺寸要求。采用这种成型方法生产的制品尺寸稳定，残余应力小，锁模力小，特别适合于高精度、低残余应力的制品，如光学零件。在压注成型过程中，注射（包括填充和保压）与压缩既可同时进行，也可是先注射后压缩。
MPI/Injection Compression模块可以在以下方面帮助用户：
1） 最小的压缩力； 2） 最小的注射压力；
3） 使制品的收缩、变形、残余应力最小。 分析结果包括： 1） 压缩力；
2） 压板位移：压板位移为成型结束时压板位置与注射开始时压板位置之差，它应与设定的压
板位移值相等（最大不超过设定值），制品最终尺寸等于制品设计尺寸与设定的压板位移值
之和减去压板位移，如果成型件尺寸达不到制品尺寸的要求，可采用以下措施：减小设定的压板位移量；减少压板等待的时间；加大压板移动速度；增加压缩力；增加注射时间等。 3） 压板移动速度：在压缩过程中，压缩力在没有达到预设的压力之前，压板在每个压力增加段的移动速度一样，压力达到预设的压力值，压力不变，但移动速度可能不恒定。 4） 模腔体积：包括浇道的体积，随着压缩开始，模腔体积不断减小。
5） 根据所选择的分析流程不同，分析结果还包括流动分析结果、冷却分析结果、翘曲分析结
果以及应力分析结果等。
四 反应注塑成型模拟分析
反应注塑成型是将两种具有高化学活性的低相对分子质量液体原料，在高压下经撞击混合，然后注入密闭的模具内，完成聚合、交联、固化等化学反应并形成制品，具有物料混合效率高，节能，产品性能好，成本低等优点，用于热固性塑料注塑成型。
反应注塑成型由于要产生化学反应，因而模具设计以及注塑工艺变得很复杂。如填充速度过慢会导致短射，填充过快又可能导致缩孔，模腔温度不当或者制品壁厚不当可能导致成型性变差或制品烧焦。
MPI/Reactive Molding模块可提供以下帮助：
1） 模拟流动过程，优化制品设计与浇口位置； 2） 确定正确的注塑压力与锁模力；
3） 填充过程中，模腔任一点在任一时间的注射压力； 4） 填充过程中，模腔任一点温度随时间变化情况； 5） 判断是否短射；
6） 预测融合纹与缩孔；
7） 提供超过50种可反应注塑成型的材料。
五 微芯片封装模拟分析
微芯片封装采用活性树脂，除了起保护作用外，还能提高散热性和导电性。MPI/Microchip Encapsulation模块主要模拟封装过程，提供最佳的工艺，如模具温度、填充时间、螺杆速度曲线、固化时间等，以及封装形式设计、导脚与导线布置。该工艺在大陆还极少使用，本文不作详细介绍，有兴趣的读者可阅读软件的在线帮助。
六 分析前的准备
与流动、冷却、翘曲分析一样，以上分析要作以下准备工作：
1） 模型准备。除了微芯片封装可采用中心面或表面模型外，其它的分析只能采用中心面模型； 2） 网格质量与流动等分析相同； 3） 设定分析流程； 4） 选择材料； 5） 设置浇口；
6） 设置工艺参数。
七 分析实例
图1是共注塑成型例子，图2是压注成型例子，图3是反应注塑成型例子，图4是微芯片封装例子。
图1 共注塑成型分析 图2 压注成型分析
图3 反应注塑成型分析 图4 微芯片封装分析
八 结束语
本文简单介绍了MPI3.1在共注塑成型、压注成型、反应注塑成型和微芯片封装中的应用。MPI3.1是一个功能非常强大的软件包，包括了几乎所有的注塑成型方法，本次讲座只是起了一个抛砖引玉的作用，要熟练掌握，还需要实际的操作，尤其是结合实际的产品分析。
参 考 文 献
3、 MPI3.1培训资料
4、 MOLDFLOW公司网站www.moldflow.com
5、 李德群：塑料成型工艺及模具设计，机械工业出版社，1994 6、 黄锐：塑料成型工艺学，中国轻工业出版社，1997
MoldFlow软件在气体辅助成型中的应用
Application of MoldFlow Software in Gas-Assisted Injection Mold Process
麻向军 文劲松
（华南理工大学聚合物新型成型技术国家工程中心 华南理工大学—美国MoldFlow高级应用技术中心）
前言
气体辅助成型技术作为新的注射成型工艺，是自往复式螺杆注射技术问世以来，注射成型工业最重要的发展之一，被业界誉为塑料注射工艺的第二次革命。与传统的注射成型相比，气体辅助注射成型技术有许多优点，如提高产品强度、刚度、精度，可消除缩痕从而提高制品表面质量，简化浇注系统
和模具设计，减小产品成型应力和翘曲，节省塑料材料，解决大尺寸和壁厚差别较大产品的变形问题，降低注射压力和成型压力等。但是，影响气体辅助注射成型工艺的因素多，如注射温度、注射时间、熔体预注射量、充气工艺与位置、材料种类等。MPI/Gas通过对气辅成型过程进行模拟计算，帮助工艺人
员确定合理的工艺条件，大大降低了产品的试模次数。
一、MPI/Gas简介
与普通注射成型相比，气体辅助注射成型的工艺难度大，要求严格。由于气体的注入，使得塑料熔体在模腔中的成型行为发生显著变化，气体注入对塑料熔体的填充形式、模具冷却、制品的收缩和翘曲及最终的使用性能产生很大影响。 MPI/Gas能够充分考虑注入气体对制品的填充、保压、冷却、翘曲、应力的影响。
气体辅助注射成型技术中，选择合适的气体注入位置、延迟时间及压力是保证制品质量的关键因素。MPI/Gas能够对制品和浇注系统中设置单个或多个气体注入位置的情况进行分析，当通过多个位置注入气体时，可以设定相同或不同的延迟时间。对于气体注入的控制方法，MPI/Gas提供了压力控制和体积控制两种方法供用户选择。 MPI/Gas通过对气辅成型过程进行模拟计算，能够确定合适的注射量以避免吹穿，同时，确定避免短射、熔体前沿粘滞所需气体压力。考虑气体注入前的延迟时间以便使薄壁凝固，确定合适的气道尺寸，以优化填充工艺和气体注入工艺，并确定最佳的气道布局及控制气室长度。可以确定气体注入不良时的气室长度或其他与气体注入有关的质量问题。在此基础上，进一步确定气体穿透后制品最终的壁厚及制品最终的重量。 目前，气辅成型采用中性面模型进行分析，气辅成型的分析方法与普通注射成型的分析方法基本相同，本文不再赘述。与普通注射成型分析不同的是，在进行分析前，需要设定气体注入位置、延迟时间和气体压力。此外，由于制品的最终形状与气体注入工艺条件有关，这将必然影响制品的冷却、翘曲及制品的使用性能，因此，在进行冷却、翘曲、应力等分析前，首先要进行填充和保压分析。
二、MPI/Gas的作用
MPI/Gas除了提供普通注射成型分析所得到的分析结果（在本讲座其他文章中已有
专门论述）外，还为用户提供以下一些气体辅助注射成型所特有的结果。
(1) 气体的体积分数：在填充和保压过程中气体在模腔中的体积分数随时间的变化关系。
(2) 气体穿透时间 注入气体到达制品各部位的时间，是优化气体注入工艺的主要依据。
(3) 制品中塑料层的厚度 制品厚度方向上塑料占整个厚度的比例随时间的变化关系。由于采用了中性面模型，软件还提供了制品的中性面两侧塑料层的厚度随时间的变化关系。这些结果为确定制品的质量（如是否存在手指效应、是否存在吹穿等）以及制度合理的注射工艺（如注射位置、熔体预注射量等）和气体注入工艺（如延迟时间、气体压力、注入位置等）提供依据。
三、MPI/Gas应用实例
图1为一制品的填充和保压分析得到的填充时间、气体穿透时间、制品中塑料层厚度比例的分布云图及气体体积分数随时间变化的关系。
(a) 填充时间
(b) 气体穿透时间
(c) 塑料层厚度比例
(d) 气体体积分数随时间变化 图1 流动分析得到的部分结果
四、结束语
MPI/Gas通过对气体辅助注射成型工艺的分析，帮助工艺人员制度合理的注射工艺和气体注入工艺，以及制品最终的质量。这对于优化工艺，降低制品成本，提高制品质量，具有重要的指导意义。
参考文献
5． 赵素合主编：聚合物加工工程，中国轻
工出版社，2001 6． MoldFlow公司网站，www.moldflow.com 7． MPI3.1培训资料
MoldFlow软件优化注塑工艺参数应用
Application of Process Optimization analysis with MoldFlow Software
文劲松 麻向军
（华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程中心SCUT—MoldFlow高级技术应用培训中心）
一 前言
注塑工艺参数的正确制定是为了保证塑料熔体良好塑化，并顺利地充模、冷却与定型，以便生产出质量合乎要求的制品。在注塑工艺中最重要的工艺参数是温度（料温、喷嘴温度、模具温度）、压力（塑化压力、注射压力、模腔压力）和相对应的各个作用时间（注射时间、保压时间、冷却时间）等。这些参数相互影响，而且不同的材料其最佳的注塑工艺参数范围不同，因而在生产中，需要多次试模，才能得到合乎要求的制品，这极大的影响了生产效率，MPI3.1通过一系列的方法来优化工艺参数，减少试模次数，提高生产效率。
二 模塑窗口（Molding Window）的确定
在进行流动分析之前，可通过Molding Window分析得到最好的注塑成型初始工艺参数。这些工艺参数包括注射时间、模具温度和熔体温度等。
在进行Molding Window分析之前，必须准备网格模型、选择材料、设定浇口，同时还可以指定工艺参数的范围。分析结果包括可用工艺参数的范围、工艺参数的改变对制品质量的影响等。
一制品如图1所示，部分分析结果见图2－4。
图1 制品图 图2 工艺参数范围
图3 不同工艺参数对制品质量的影图
响 4
不同工艺参数对制品质量的影响
从图2可知，在一定的注射时间下，模具温度在10－40度，熔体温度在200－240度的范围内改变，对制品质量的影响很小。MPI Molding Window分析结果Zone MW用绿色、黄色和红色表示工艺参数对制品质量的影响，绿色的范围越大表示工艺参数的可调范围越广，本例的分析结果全部为绿色（因印刷原因，可能看不清），图3、4的分析结果也证明了这一点，注射时间和模具温度不变，改变熔体温度对制品质量的影响很小。
在屏幕输出文件的结尾，给出了推荐的工艺参数，如图5所示。
图5 推荐的工艺参数
应该注意的是，Molding Window分析只是提供一个快速、初步的结果，为随后的分析作准备，它的分析结果不能作为实际的工艺参数。
三 MPI/Optim模块
注射机的注射速度主要影响熔体在模腔内的流动行为。通常随着注射速度的增大，熔体流速增加，剪切作用加强，粘度降低，熔体温度因剪切发热而升高，所以有利于充模，并且制品各部分的熔合纹强度也得以增加。但是，由于注射速度增大，可能使熔体从层流状态变为湍流，严重时会引起熔体在模内喷射而造成模内空气无法排出，这部分空气在高压下被压缩迅速升温，会引起制品局部烧焦或分解。所以，现在的注射机基本都实现了多级注射，即在一个注射过程中，当注射机螺杆推动熔体注入模具时可以根据不同的需要实现在不同位置上有不同注射速度和不同的注射压力等工艺参数的控制。在以往的生产中，这需要通过多次试模来确定，而MPI/Optim模块可以根据给定的注射机参数来优化注射速度曲线。
优化分析有两种：OPTIM（Fill）和OPTIM（Flow），区别在于Fill没有考虑保压过程。分析的结果主要有两个。
流动前沿面积随时间变化曲线：流动前沿的面积越大，注射速度也应越大，反之亦然。
熔体随时间固化曲线：通过这个结果可以初步确定冷却时间。
它还有一些分析结果，如螺杆位置随时间变化曲线、螺杆速率随螺杆位置变化曲线、螺杆速率随时间变化曲线等，可以用来确定合适的注射压力。
对于图1的制品，选用100吨的注射机，初始工艺参数采用图5推荐的数据，部分分析结果如图6－9。
图6 注射过程中螺杆位置 图7 熔体随时间固化曲线
图8 流动前沿面积
曲线 图9 推荐的注射曲线
四 Design-of-Experiments分析
Design-of-Experiments是基于实验的设计，它采用类似于正交实验的方法判断模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间等对制品质量的影响哪个占主要地位。
对于图1的制品，初始工艺参数采用图5推荐的数据，部分分析结果如图10、11。
图10 注射时间对质量的影响 图11 注射时间对凹痕深度的影响
四 结束语
本文介绍了MPI软件在优化注塑工艺参数中的应用，在使用过程中，用户应根据实际情况合理运用，尤其是分析参数的设定，直接影响到分析时间的长短。由于篇幅的原因，本文没有详细介绍，读者可仔细阅读软件的在线帮助。
参 考 文 献
7、 MPI3.1培训资料
8、 MOLDFLOW公司网站www.moldflow.com
9、 李德群：塑料成型工艺及模具设计，机械工业出版社，1994
MoldFlow软件冷却分析及应用
Analysis and Application of Cool with MoldFlow Software
麻向军 文劲松
（华南理工大学聚合物新型成型技术国家工程中心 华南理工大学—美国MoldFlow高级应用技术中心）
前言
在注塑成型中，模具的温度直接影响到制品的质量和生产效率。通过温度调节，保持适当的模具温度，可减小制品的变形、增强制品力学性能、改善制品的表观质量、提高制品尺寸精度。同时，缩短占整个注射循环周期约80%的冷却时间是提高生产效率的关键。因此，设计合理的冷却系统，对模具温度进行有效调节是十分必要的。冷却系统的设计在20世纪60年代就已引起了人们的重视，并进行了大量研究，得到了一些简化公式或经验公式，但由于实际制品的形状往往十分复杂，因此，这些公式的应用范围存在着很大的局限性。MPI/Cool通过分析模具冷却系统对模具和制品温度场的影响，优化冷却系统的布局，以达到使塑件快速、均衡冷却的目的，从而缩短注塑成型的冷却时间，提高生产效率，减少废品，增加经济效益。
一、MPI/Cool简介
影响注塑模冷却的因素很多，如制品的形状，冷却介质的种类、温度、流速，冷却管道的几何参数及空间布置，模具材料，熔体温度，工件要求的顶出温度和模具温度、制品和模具间的热循环交互作用等。这些参数之间互相联系、互相影响，唯有这些参数的合理组合才能获得理想的效果。但靠传统的经验和简化公式是很难确定的，只有通过CAE分析才能得到理想的结果。
MPI/Cool采用边界元法（Boundary Element Method）对模具的温度场进行三维模拟，对于制品在其厚度方向上采用解析解来计算温度分布，并通过制品的热流量将二者完全耦合进行迭代求解。同时将模具的温度场与冷却管道中冷却介质的能量方程联立起来求解，因此可以可靠地计算制品/模具及模具/冷却介质间的界面温度。在计算过程中，考虑了型芯和型腔在制品厚度方向的不对称性对制品温度分布的影响。
MPI/Cool能够模拟冷却管道（包括隔板管、喷流管、连接软管）、镶块、多种模具材料、冷流道和热流道、分型面及模具边界对模具和制品温度的影响，从而为优化冷却系统提高可靠的依据。
MPI/Cool不仅能对中性面模型和Fusion模型进行冷却分析，而且能够对3D模型进行冷却分析。
此外，MPI/Cool和MPI/Flow相结合，可以得到十分完美的动态的注塑过程分析。
二、MPI/Cool的作用
MPI/Cool通过对模具、制品、冷却系统的传热分析，为用户提供了丰富的模拟结果。
(1) 冷却时间 为保证制品在脱模时要有足够的强度，以防止脱模后发生变形，要确定合适的冷却时间。MPI/Cool能够计算制品完全固化或用户设定的固化百分比所需要的冷却时间。
(2) 型腔表面的温度分布 型腔表面温度对制品质量具有重要影响。MPI/Cool能够模拟注射周期的型腔表面温度分布，帮助工艺人员确定模具温度的均匀程度及是否达到材料所要求的模具温度。对于中性面模型，MPI/Cool还可以计算制品两个侧面的温度差别。
(3) 制品厚度方向的温度分布 制品在顶出时刻的温度是确定冷却时间是否合理的重要因素，如果温度过高，则需加强冷却或适当延长冷却时间，而温度过低，说明冷却时间太长。MPI/Cool能够预测制品在顶出时刻沿厚度方向不同位置的温度分布，最高温度在厚度方向的位置，沿厚度方向的平均温度以及某一单元温度沿厚度方向的变化。
(4) 制品的固化时间 依据模具表面的温度预测制品完全固化所需要的时间。 (5) 冷却介质的温度分布及冷却管道表面的温度分布 冷却介质的温度变化、冷却管道表面与冷却介质间的温度差是决定冷却是否有效的重要依据。
(6) 冷却管道中的压力降低、流动速度及其雷诺数 雷诺数决定了流动状态，应保证冷却介质处于紊流状态。
(7) 镶块的温度分布、镶块/模具界面的温度差分布 镶块/模具间的温度差别反映了热量通过界面的阻力大小。
(8) 分型面和模具外表面的温度分布。
三、MPI/Cool应用实例
3.1 建模
制品在三维CAD软件如Pro/E、UG中建模，通过STL文件格式读入MPI，冷却系统和浇注系统在MPI中创建。制品模型、冷却系统和浇注系统如图1所示。
图1 模型、冷却系统和浇注系统
3.2 工艺条件
制品材料选用Montell Australia VMA617，其工艺参数为：熔体温度225C，型腔温度40C。冷却管道的直径为10mm，冷却介质为水，温度为25C，入口雷诺数为10000。整个注塑成型周期为20s，其中注射、保压及冷却时间为15s，用于顶出的时间为5s。
3.3 模拟结果
按照上述工艺条件，对制品的冷却过程进行了模拟分析，得到的部分模拟结果如图2所示。
o
o
o
(a) 型腔表面的温度分布
(b) 制品沿厚度方向的温度变化
(c) 制品完全固化所需时间
(d) 冷却介质的温度变化 图2 冷却过程模拟得到的结果
四、结束语
MPI/Cool通过对冷却过程的模拟，帮助模具设计人员和工艺人员全面了解模具冷却系统的冷却效率及其合理性。这对于优化出合理的冷却系统，提高制品的生产效率和质量，具有重要的指导意义。
参考文献
8． 李德群：塑料成型工艺及模具设计，机械工业出版社，1994
9． 余卫东，陈建：注塑成型CAE技术，计算机辅助设计与制造，60-62，No.3，2002 10．
1995
胡俊翘，李德群，卢义强：注塑模三维瞬态温度场建模及仿真，中国塑料，52-59，No.3，
MoldFlow软件流动分析及应用
Analysis and Application of Flow with MoldFlow Software
麻向军 文劲松
华南理工大学聚合物新型成型技术国家工程中心 华南理工大学—美国MoldFlow高级应用技术中心
一、引言
对于任何注塑成型来说，最重要的是控制塑料在模具中的流动方式。制品的许多缺陷，如气穴、熔接痕、短射乃至制品的变形、冷却时间等，都与树脂在模具中的流动方式有关。MPI/Flow通过对熔体在模具中的流动行为进行模拟，可以预测和显示熔体流动前沿的推进方式、填充过程中的压力和温度变化、气穴和熔接痕的位置等，帮助工艺人员在试模前对可能出现的缺陷进行预测，找出缺陷产生的原因并加以改进，提高一次试模的成功率。
二、MPI/Flow的作用
MPI/Flow能够对注塑成型从制品设计、模具设计到成型工艺提供全面和并行的解决方案。
1、 制品设计
制品设计者能用MPI/Flow解决以下问题。
(1) 制品能否充满。这一古老的问题一直为许多设计人员所关注，特别是对于大型制品。 (2) 制品最小壁厚。在满足制品使用性能和工艺性能的前提下，减小制品壁厚能够大大降低制件的循环时间，从而提高生产效率，降低制件成本。
(3) 制品工艺性能。在产品设计阶段具有充分的选择浇口位置的余地，确保制品的审美特性。 2、 模具设计
MPI/Flow能在以下方面辅助模具设计人员，以得到良好的模具设计。
(1) 确保良好的填充形式。
(2) 最佳的浇口位置与数量、类型以及正确地确定阀浇口的开启与闭合时间，有效地发挥阀浇口的作用。特别是对于有纤维增强的树脂的填充过程，通过分析纤维在流动过程中的取向来判断其对制品强度的影响，并据此判断浇口位置设置的正确与否。
(3) 流道系统的优化设计。通过流动分析，帮助模具设计人员设计出压力平衡、温度平衡或者压力、温度均平衡的流道系统，并最大程度地减少流道部分的体积。同时，对流道内熔体的剪切速率和摩擦热进行评估，避免材料的降解和型腔内过高的熔体温度。
3、 成型工艺
注塑成型者可利用MPI/Flow在以下方面得到帮助。
(1) 通过对熔体温度、模具温度、注射时间等主要注塑加工参数对制品工艺性能提出一个目标趋势，从而帮助注塑成型者确定各个加工参数的正确值并确定其可变化范围，得到更加稳定的成型工艺条件。
(2) 会同模具设计人员，结合使用最经济的加工设备，确定最佳的模具方案。
(3) 对于制品在预定的标称厚度的条件下，可以对两种以上的树脂材料的成型性能进行比较，会同制品设计人员选择成本、质量、可加工性较好的设计方案。
在填充过程分析的基础上，进一步进行保压分析，可以得到熔体在保压过程中压缩产生的密度变化，并优化出合适的保压工艺参数。
三、流动分析的一般步骤
采用MPI/Flow可使注塑成型从制品设计、模具设计到注塑工艺的确定完全在并行工程的环境下进行，不仅克服了传统的串行设计存在的产品开发周期长的缺点，而且提高了开模的成功率，优化了注塑成型的工艺条件，降低了产品的开发和制造成本。典型的流动分析过程如图1所示。 四、MPI/Flow应用实例
制件为一汽车零件，材料为Bayer USA Lustran LGA-SF，一模两腔。 1．建模
在Pro/ENGINEER中建模，通过STL文件格式读入MPI。制件模型及浇注系统如图2所示。考虑到对称性，只取其1/2进行填充和保压过程的模拟。
输入CAD 模型 网格划分 选择材料
图2 模型及其浇注系统
2．工艺条件
根据所选材料Lustran LGA-SF的工艺要求，工艺参数为：熔体温度260oC，型腔温度60oC，注射时间为1.25s。
3．模拟结果 (1) 填充过程
填充过程的模拟可得到填充时间、填充压力、熔体前沿的温度、熔体温度在制件厚度方向的分布、熔体的流动速度、分子趋向、剪切速率及剪切应力、气穴及熔接痕位置等，并直观地显示在计算机屏幕上，从而帮助工艺人员找到产生缺陷的原因。图3是填充过程模拟得到的部分结果。
图1 典型的流动分析步骤
(a) 填充过程中的压力分布
(b) 填充过程中熔体前沿温度分布
(c) 填充过程中熔体温度分布
(d) 制件表面的分子趋向
图3 填充过程模拟得到的结果
(2) 保压过程
在填充过程模拟的基础上，进一步进行保压过程的模拟，可以得到所需的保压时间，并通过优化得到合理的保压压力。图4是采用二级保压压力（70Mpa 3.5s，50 Mpa 3.5s）得到的制件中体积收缩率和缩凹的分布情况。
(a) 保压结束后制件中的体积收缩率
(b) 保压结束后制件表面的缩凹
图4 保压结束后制件的收缩结果
五、结束语
MPI/Flow通过对填充和保压过程的模拟，帮助工艺人员从本质上了解缺陷产生的原因，找出消
除缺陷的对策。在注塑行业的推广使用，将会大大缩短新产品的开发周期和费用，为生产企业带来显著的经济效益。
参考文献 11． 12．
许鹤峰，陈言秋：注塑模具设计要点与图例，化学工业出版社，1999
余卫东，陈建：注塑成型CAE技术，计算机辅助设计与制造，60-62，No.3，2002
MoldFlow软件翘曲分析及应用
Analysis and Application of Warpage with MoldFlow Software
文劲松 麻向军
（华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程中心SCUT—MoldFlow高级技术应用培训中心）
一 翘曲产生的原因
1 翘曲分类
Moldflow MPI/WARP模块把翘曲分为两种形式，见图1。
1）稳定翘曲（图1a）：翘曲变形与收缩应变成正比。
2）非稳定翘曲（图1b）：翘曲变形是由于制品弯
曲而产生的。在这种情况下，收缩应变表现为平面应 (a) 稳定翘曲 (b) 非稳定翘曲 变，由于平面应变过大导致制品失稳而弯曲。一般， 图1 翘曲分类 这种翘曲变形很大。
2 翘曲产生的原因
注塑过程中，翘曲是由于制品收缩率不均匀而产生的。收缩率不均匀表现在以下几方面： 1）制品不同部位的收缩率不一样；
2）沿制品厚度方向收缩率不同；
3）与分子取向平行和垂直方向的收缩率不同。 MPI/WARP把翘曲产生的原因归结为以下三点： 1） 冷却不均匀； 2） 收缩不均匀；
3） 分子取向不一致。
因此，MPI/WARP模块的主要目的是确定制品翘曲变形的结果是否满足设计要求，如果不能满足设计要求，给出产生翘曲的主要原因。
二 翘曲分析步骤
1 分析流程的确定
进行翘曲分析之前，冷却、流动分析必须已经完成。在选择分析流程时（菜单命令Analysis下的Set Analysis Sequence命令）,有两种分析流程Cool - Flow - Warp (简称CFW)和Flow - Cool - Flow - Warp (简称FCFW)。CFW在进行冷却分析时假设熔体的前沿温度不变，而FCFW在进行流动分析时假设模壁温度不变。对于翘曲分析，假设熔体的前沿温度不变计算的结果更精确，所以，最好选择Cool - Flow – Warp分析流程。
2 FUSION模型分析步骤
对于FUSION网格模型，MPI/WARP还不能进行弯曲分析，所以分析非常简单，选择Cool - Flow - Warp分析流程后，在设置工艺参数（菜单命令Analysis下的Process Settings命令）的第三步，选取Isolate cause of warpage选项，该选项的作用是判断产生翘曲变形的主要原因。如
果网格数量大于50000个，选取Use iterative solver选项，可显著减少计算时间。
有一FUSION模型如图2所示，采用三条冷却水道。设计要求是：与地面接触的边变形小于1.0
mm，如果达不到这个要求，这条边的中点必须与地面接触；手柄与底板的平行度小于1.5 mm。 图2 FUSION模型
分析结果如图3所示。
图
3
FUSION模型分析结果 从分析结果可看出，该制品的变形不能达到设计要求，尤其是手柄部分。而产生翘曲变形的主要原因是冷却不均
匀，因为冷却不均匀产生的翘曲变形达到了5.3mm，所以，对于这个制品，为减少翘曲变形，首先应考虑优化冷却水道的布置。
3 MIDPLANE模型分析步骤
对于Midplane网格模型，在工艺参数设置第三步，有四种翘曲分析模型可供选择，首先选择Automatic判断制品是否弯曲，如果制品没有弯曲，则选择Small Deflection；如果制品产生弯曲，则选择Bucking。下面以图4的模型来说明，采用热流道，两条冷却水道，设计要求托盘底部四个角必须在同一平面，且底部向上翘曲小于1.5 mm。
图4 MIDPLANE模型
分析步骤如下：
1） 选择分析流程Cool - Flow - Warp；
2） 设置工艺参数，在第三步，选择Warpage analysis type为Automatic；
3） 在屏幕输出文件靠近结尾处，查找图5所示的参数λ（Eigenvalue lambda）。
图5 参数λ输出形式 如果λ没有输出，则制品没有产生弯曲；如果屏幕文件输出了λ值，则以λ大于0的值为判断标准，λ<1，则产生弯曲，否则没有产生弯曲，此例，λ2＝0.86,小于1，所以制品产生弯曲。分析结果如图6所示，不能满足设计要求。
4）如果产生弯曲，则用Bucking模型再次进行翘曲分析。确保Isolate cause
of warpage选项被选中。在屏幕输出文件
靠近结尾处，查找图7结果。 图6 Automatic分析结果
图7 Bucking分析屏幕输出结果
这个结果说明产生翘曲的三种原因哪个起主要作用，以第三项Sensitivity值为判断标准，值最大的为主要原因。此例，Differential Orientation的Sensitivity值最大，说明制品翘曲变形主要是由于分子取向不均匀引起的。
5）如果没有产生弯曲变形，则以Small Deflection模型再次进行翘曲分析，确保Isolate cause of warpage选项被选中。分析结果判断同FUSION网格模型。
从上面的分析可看出，如果对塑料制品的翘曲变形非常严格，进行翘曲分析时，最好采用MIDPLANE网格模型，分析结果更精确。
三 翘曲变形的改善
根据翘曲分析的结果，应采取相应的措施减小翘曲变形以达到制品的设计要求。
1分子取向不均匀
1）确定合理的注塑工艺参数：在允许的范围内，适当提高注塑温度和注射速度。对图4 的制品，注射时间减小0.2秒，注塑温度提高10度，分析结果如图8所示，翘曲变形由原来的10mm减少到4.3mm，效果非常明显。
2）适当减小或增大制品局部地方的
壁厚，特别是设置浇口的地方。
3）改变浇口位置及形状，如多浇口进料，把中心浇口改为侧浇口，采用扇 图8 优化注塑参数的翘曲变形 形浇口等。
2 收缩不均匀
1） 优化保压参数，把单一压力保压改为分段保压效果明显。
2）尽量使制品壁厚均匀，这与前面改善分子取向不均匀的措施矛盾，所以需要具体情况具体分析。
3 冷却不均匀
1） 合理设计冷却水道，对于复杂的型芯、型腔最好采取特殊的冷却方式，如采用镶块。 2） 确保冷却液在冷却道中保持紊流状态，进出口冷却液的温差小于3度。
总之，为减小翘曲变形而采取的措施应保证不会产生其它缺陷，如熔接痕等。在以上方法都不能使翘曲变形保持在设计允许范围以内时，可考虑修改制品结构，如在大的平板部分添加加强筋，或者选择新的材料。
四 结束语
本文介绍了MPI/WARP模块的使用步骤和改善制品翘曲变形的措施，在开模前进行翘曲分析，可保证生产出合格的塑料制品。
参 考 文 献
10、 11、
MPI3.1培训资料
MOLDFLOW公司网站www.moldflow.com
MoldFlow软件应力分析及应用
Analysis and Application of Stress with MoldFlow Software
麻向军 文劲松
（华南理工大学聚合物新型成型技术国家工程中心 华南理工大学—美国MoldFlow高级应用技术中心）
前言
随着塑料工业的迅速发展，塑料制品越来越多地取代金属件而用于结构件，在航空、航
天、电子、机械、船舶和汽车等部门得到了广泛应用。因此，必须全面了解制品在外加载荷和约束作用下的使用性能。MPI/Stress通过对
制品应力和变形的分析，帮助设计人员和工艺人员了解制品与应力相关的性能如强度、刚度、预期寿命等。由于MPI/Stress集成于MPI中，所以特别适合于注塑件的应力应变分析。
一、MPI/Stress简介
目前，许多分析软件可以分析制品在载荷和约束作用下的应力变形。MPI/Stress同样能够完成这些分析，即对制品进行小变形分析、大变形分析、屈曲分析、模态分析和蠕变分析。由于MPI/Stress可以方便地与MPI/Cool、MPI/Flow、MPI/Fiber、MPI/Warp等模块集成，因此，能够考虑制品在成型过程中所形成的残余应力和残余应变，对于纤维增强复合材料制品，直接采用MPI/Fiber分析得到的力学性能数据，从而使其分析结果更为可靠。
小变形分析（Small Deflection Analysis） 小变形分析即线性分析，主要用于制品的概念设计阶段。通过分析制品在载荷和约束作用下的应力分布及变形程度，确定制品的使用性能，即制品能否满足强度和刚度的要求。在此基础上，可以对制品的壁厚、加强筋的尺寸和材料的选择给出基本的评估。
大变形分析（Large Deflection Analysis） 大变形分析即非线性分析，用于评估制品在大载荷作用下的性能。众所周知，非线性分析不仅计算量大，而且求解过程容易发散。MPI/Stress提供了载荷控制和位移控制两种方法供用户选择。在求解策略上，软件不仅提供了人工确定增量步长和选择求解器的方法，而且提供了自动确定增量步长和选择求解器的方法，这一方法能够根据非线性问题求解过程不同阶段的收敛情况，自动选择增量步长和可靠的求解器，避免了非线性问题求解固有的难于收敛的困难，同时使求解效率大大提高。
屈曲分析（Buckling Analysis）
屈曲分析能够分析引起制品屈曲的临界载荷及预测最后发生屈曲时的形状。MPI/Stress提供了两种分析屈曲的方法，一种是线性屈曲分析（Linear or Classical Buckling Analysis）, 主要用于分析不考虑制品残余应力的情况；另一种是线性化屈曲分析（Linearized Buckling Analysis）, 主要用于考虑制品残余应力的情
况。制品在载荷作用下是否会发生屈曲，对制品的大变形分析有重要影响。因此，在进行大变形分析前，首先要进行屈曲分析，如果存在屈曲，则必须考虑屈曲对变形的影响。同时，屈曲分析结果可用于非线性分析。
模态分析（Modal Frequency Analysis） 模态分析用于确定制品发生振动的固有频率及该频率下的模态形状，从而帮助设计人员通过增加制品刚度来减小制品的振动。
蠕变分析（Creep Analysis）
蠕变分析用于分析制品在应力或应变保持不变的情况下，由于材料的黏（弹、塑）性，变形或应变随时间的进展而继续增长的情况，这对于长期工作在大载荷作用下的制品是非常重要的。蠕变分析也属于非线性分析，但比大变形分析更为复杂，MPI/Stress提供了多种高效稳定的算法。
MPI/Stress采用中型面模型进行制品的应力应变分析，提供了方便的施加载荷和约束的操作界面，并且能够考虑材料力学性能的各向异性。
二、MPI/Stress的作用
MPI/Stress通过对制品应力应变的分析，为用户提供丰富的分析结果。
(1) 小变形分析 制品总的变形及其在三个坐标方向变形分量的分布云图，第一主应力、第二主应力、最大切应力及Mises-Hencky应力的分布云图。
(2) 大变形分析 制品总的变形及其在三个坐标方向变形分量的分布云图及这些变形随载荷变化的关系，第一主应力、第二主应力、最大切应力及Mises-Hencky应力的分布云图及其随载荷变化的关系。
(3) 屈曲分析 制品发生屈曲的临界载荷及其模态。
(4) 模态分析 制品发生振动的固有频率及制品在相应频率下总的变形及其在三个坐标方向变形分量的分布云图。
(5) 蠕变分析 制品总的变形及其在三个坐标方向变形分量随时间变化的分布云图，第一主应力、第二主应力、最大切应力及Mises- Hencky应力随时间变化的分布云图。
三、MPI/Cool应用实例
以一个矩形盒为例，说明MPI/Stress的部分分析结果。制品材料为BASF ES 8082，尺寸为120mmX80mmX15mm，顶面中心高为20mm，厚度为1.2mm。放置于一平板上，并在顶面中心施加60N的压力。考虑到对称性，取其1/4进行分析。
3.1 大变形分析
图1为大变形分析得到的制品总变形分布云图、Mises-Hencky应力分布云图及最大切应力随载荷变化的关系。
(a) 制品总变形
(b) 制品的Mises-Hencky应力
(c) 制品最大切应力随载荷的变化
图1 大变形分析得到的部分结果
3.2 屈曲分析
由屈曲分析可知，制品发生屈曲时的最小特征值λ为3.04，如图2(a)所示，说明在当前载荷下制品不会发生屈曲。在特征值λ为4.23时，制品的模态如图2(b)所示。
(a) 制品发生屈曲的特征值
(a) 制品发生屈曲时的模态 图2 屈曲分析得到的部分结果
3.3 模态分析
由模态分析可知，制品发生振动时的固有频率为429.5Hz和891.3Hz，如图3(a)所示。在频率为429.5Hz时，制品的模态如图3(b)所示。
(a) 制品的固有频率
(b) 制品在频率429.5Hz时的模态 图3 模态分析得到的部分结果
四、结束语
MPI/Stress通过对制品在载荷和约束作用下应力应变的分析，帮助设计人员和工艺人员全面了解制品的使用性能。这对于优化制品结构，提高制品质量，降低制品成本，具有重要的指导意义。
参考文献 13． 李德群：塑料成型工艺及模具设计，机械工业出版社，1994 14． 范钦珊：工程力学教程，高等教育出版社，1998 15． MoldFlow
公
司
网
站
，
www.moldflow.com 16． MPI3.1培训资料
MoldFlow软件优化模具型腔尺寸
Application of Mold Dimension Optimization with MoldFlow Software
文劲松 麻向军
（华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程中心SCUT—MoldFlow高级技术应用培训中心）
一 前言
塑料制品从模具中取出发生尺寸收缩的特性称为塑料的收缩性。因为塑料制品的收缩不仅与塑料本身的热胀冷缩性质有关，而且还与模具结构及成型工艺条件等因素有关，所以将塑料制品的收缩统称为成型收缩。
塑料的成型收缩大小可用塑料制品的实际收缩率S实表征，即
S实?a?bb?100％ （1）
式中，a为成型温度时的制品尺寸，b为常温时的制品尺寸。
由于成型温度时的制品尺寸无法测量，因此采用常温时的型腔尺寸取代，故有
S计?c?bb?100％ （2）
式中，c为常温时的型腔尺寸，S计为塑料制品的计算收缩率。当S计已知时，可用S计来计算型腔的尺寸，即
c?b(1?S计） （3）
从式3可知，模具型腔尺寸与塑料的收缩率有直接关系。但是，在实际成型时不仅不同品种的塑料其收缩率不同，而且不同批次的同一品种塑料或者同一制品的不同部位的收缩率也经常不同，收缩率的变化受塑料品种、制品特征、成型条件以及模具结构、特别是浇口尺寸和位置诸多因素的影响，因此制品的实际收缩率与设计模具所选用的计算收缩率之间便存在着误差。在实际的生产中，收缩率的选取原则如下：
1）对于收缩率范围较小的塑料品种，可按收缩率的范围取中间值，此值称为平均收缩率。
2）对于收缩率范围较大的塑料品种，应根据制品的形状，特别是根据制品的壁厚来确定收缩率，对于壁厚者取上限（大值），对于壁薄者取下限（小值）。
3）收缩率的选择还要考虑到修模的余地，如凹模要选小值，型芯选大值。 凹模和型芯的尺寸计算方法有基于塑料平均收缩率法和基于公差带法。可参考相关的书籍文献。
从上面的分析可以看到，塑料收缩率的选择是很重要的，它直接影响到制品的质量以及生产效率。MPI/Shrink模块提供了很好的帮助。
二 MPI/Shrink的功能
MPI/Shrink在充分考虑塑料性能、制品尺寸以及成型工艺参数的情况下，能够给出合适的成型收缩率，它的功能包括：
1、 计算合理的收缩率；
2、 图示给定的收缩率对制品是否合适；
3、 如果用户对某个尺寸规定了公差范围，MPI/Shrink能够计算给定的收缩率是否满足
公差的要求。
三 MPI/Shrink分析流程
MPI/Shrink能对中型面网格和表面网格进行分析。其网格质量与MPI/Flow、MPI/Cool等的要求相同。
进行MPI/Shrink分析时，需要选择已进行了收缩实验的材料。选择的方法如下：
1、 打开材料选择对话框；
2、 在对话框中点击Search按钮，点击Add按钮；
3、 在出现的选择框中，选中Residual strain shrinkage data : Parallel standard devlation选项； 4、 确定收缩率的范围；
5、 在搜索到的材料中，选择需要的材料。
如果需要对某个尺寸定义公差大小，其命令为Analysis菜单下的Set Critical Dimensions。首先选择代表尺寸的两个节点，然后定义上下偏差即可。
MPI/Shrink提供了两种分析流程，Flow＋Shrink和Cool＋Flow＋Shrink，用户可根据自己的实际情况进行选择。
其它的分析准备工作与在前几篇文章中介绍的分析相同。
四 MPI/Shrink分析结果
MPI/Shrink的分析结果包括屏幕输出结果和图形表示的结果两种方式。 屏幕输出结果包括Recommended Shrinkage Allowance Report和Component shrinkages report。如果定义了尺寸公差，还有Dimension Summary Report和Full Dimension Summary Report。
Recommended Shrinkage Allowance Report（推荐的收缩率）：假设塑料的收缩各向同性的情况下，给出最合适的收缩率。
Component shrinkages report（坐标轴方向收缩率）：坐标轴X、Y、Z方向最合适的收缩率。
Dimension Summary Report（尺寸简单报告）：包括定义尺寸的大小、公差范围、模腔需要的尺寸、公差等，如果模腔计算的公差为0或小于0，表示采用推荐的收缩率不能满足定义尺寸的要求，并给出\警告。
Full Dimension Summary Report（完整的尺寸报告）：如果有定义的尺寸不能达到要求，可通过这个结果来找到是哪个方向（X、Y、Z）不能满足。
shrinkage check plot：图示应用屏幕结果推荐的收缩率是否合适。绿色表示合适，红色表示不合适，黄色表示如果采用推荐的收缩率需要认真对待。
predicted error表示不考虑工艺参数应用平均收缩率得到的误差。total error考虑了工艺条件，包括predicted error。
四 应用实例
有一制品如图1所示。材料为PC。定义的尺寸如图中I、II，大小分别为190.5mm，公差为0.5mm和－0.5mm以及76.2mm，公差0.3mm和0。采用Flow＋Shrink分析流程。
图1 制品图
分析结果如图2－6。
图2 推荐的收缩率为0.66％
图3 X、Y、Z方向推荐的收缩率
图4 定义尺寸的简单报告
图5 定义尺寸的详细报告
图6 shrinkage check plot结果
从分析结果可知，虽然图4显示II的尺寸公差满足要求，但图5的结果显示，该尺寸的Y方向不能满足要求，而该尺寸在零件的坐标系中正是Y方向，所以应用推荐的收缩率不
能满足公差要求，与图6的结果相符合。图6中，II尺寸全部为红色（由于印刷的原因，可能看不清楚）。
四 结束语
本文介绍了MPI/Shrink模块在优化模腔尺寸中的应用，使用MPI/Shrink进行模具设计，可保证得到合格的产品，缩短试模时间。
参 考 文 献
12、 13、 14、
MPI3.1培训资料
MOLDFLOW公司网站www.moldflow.com
李德群：塑料成型工艺及模具设计，机械工业出版社，1994