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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，實現(xiàn)模板的優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化應(yīng)力分布意義重大。通過對注塑機的前模板、動模板和后模板進行有限元分析，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)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，作為運動導(dǎo)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(xiàn)有注塑機模板的設(shè)計通常憑借經(jīng)驗進行類比設(shè)計導(dǎo)致現(xiàn)有模板過于笨重、巨大，且存在變形過大、失效甚至斷裂的問題。實現(xiàn)注塑機模板的優(yōu)化設(shè)計，減小變形，優(yōu)化應(yīng)力分布，并最大限度的節(jié)省材料，具有重要意義。
1 注塑機模板有限元分析
這里通過對某塑料機械有限公司30噸合模力的注塑機的模板進行研究，來獲得注塑機模板拓撲優(yōu)化的實用性結(jié)果。在進入ANSYS的求解器開始分析前，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(dǎo)向，板四角孔處由導(dǎo)向拉桿相連，背部固定模具，承受合模時模具壓力，底部固定于床身。板基本結(jié)構(gòu)為長方體，左右對稱。為節(jié)省計算資源，按中軸線取一半模型，并簡化一些螺孔、小凹槽及圓角后，在軟件中建立前模板的三維幾何模型，轉(zhuǎn)化成IGES格式導(dǎo)入ANSYS中。
通過建模、劃分網(wǎng)格、施加邊界調(diào)節(jié)和載荷后，進入求解器求解后，再通用后處理器查看結(jié)果。在后處理器中查得單元平均應(yīng)力云圖如圖1。該云圖反應(yīng)了前模板應(yīng)力分布比較均勻。在實際工況中，拉桿螺母對模板的的約束并非完全限制，是系統(tǒng)剛度與載荷之間的平衡。前模板的大部分區(qū)域應(yīng)力都在70MPa以下，基本符合強度要求。模板大平面上最大應(yīng)力出現(xiàn)在模具安裝區(qū)四角上，該處承受的主要是壓應(yīng)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(yīng)力分布趨于合理。
圖1單元平均應(yīng)力云圖
1.3 動模板有限元分析
同理，得到動模板單元平均等效應(yīng)力分布云圖2.從應(yīng)力云圖中可以清晰得到其應(yīng)力分布。大多數(shù)單元應(yīng)力都在70MPa以下，在部分應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力可達200 MPa以上，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鉸孔安裝平面，在QT500-7的許用強度之內(nèi)。應(yīng)力的分布不盡合理尤其是在安裝模具的中心區(qū)域邊緣過大。將動模板作為受彎構(gòu)件，該處所在的截面為危險截面，模擬結(jié)果也符合這點。
圖2動模板單元平均等效應(yīng)力分布云圖
1.4后模板有限元分析
后模板結(jié)構(gòu)分析前必須對模型作如下假設(shè)簡化處理，去除后模板上各種對最終應(yīng)力分布改變不大的細微結(jié)構(gòu)移除合模周期過程中的溫度場變化：后模板同樣取二分之一進行研究。同上處理過程，得到后模板單元平均等效應(yīng)力分布云圖3。該云圖顯示后模板大部分區(qū)域承受應(yīng)力均30MPa在以下，應(yīng)力最大的區(qū)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(qū)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(yīng)力均很小，顯然滿足強度要求，可大幅縮減。在對后模板進行拓撲優(yōu)化分析時，這些區(qū)域是優(yōu)化的重點。
2 結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化與模板改進設(shè)計
拓撲優(yōu)化是在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行，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(xù)體結(jié)構(gòu)，基于有限元分析獲得的拓撲優(yōu)化結(jié)果，結(jié)構(gòu)邊界呈現(xiàn)不規(guī)則性，若要提取對優(yōu)化方案有參考價值的信息，其優(yōu)化結(jié)果需要進行適當(dāng)?shù)暮筇幚恚孩偬崛〗Y(jié)構(gòu)，將以密度分布介于表示連續(xù)體的拓撲優(yōu)化結(jié)果，轉(zhuǎn)化為易于理解的表達方式。②鋸齒形狀的優(yōu)化結(jié)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光順為直線邊緣。③簡化冗余網(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(yīng)大于原模板，以便于得到更大的優(yōu)化空間，同時各處的厚度均勻。模板底部要來自機架的約束，所以簡化成矩形體獲得X向的約束。①對前模板結(jié)果進行分析可知：非優(yōu)化區(qū)域的選擇是正確的，在云圖中體現(xiàn)這些區(qū)域內(nèi)的材料承受大應(yīng)力，且隨體積約束的變化，原模型上部分材料的在結(jié)構(gòu)布局中的也逐步被邊緣化。②動模板的拓撲密度結(jié)果云圖中可知動模板密度材料分布形成雙拱橋結(jié)構(gòu)，即肘桿施壓區(qū)和背面承力區(qū)形成的拱橋結(jié)構(gòu)，拉桿孔和肘桿施壓區(qū)形成的拱橋結(jié)構(gòu)。肘桿施壓區(qū)和背面承力區(qū)在不同平面上，這種結(jié)構(gòu)就極力適用于動模板的受力情況。在拱橋的中間，仍體現(xiàn)出表面材料的重要性大于中間的傾向。另一拱橋結(jié)構(gòu)由于拉桿孔貫穿模板Z向，拱形并不明顯，而拉桿孔周圍材料的密度分布仍體現(xiàn)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(jié)構(gòu)有關(guān)系，為保證肘桿機構(gòu)正常完成順序動作，優(yōu)化前模型保留了相當(dāng)大的深度，使得拓撲優(yōu)化時的余地變小。
3結(jié)語
利用CAE技術(shù)進行注塑機模板的優(yōu)化設(shè)計既有學(xué)術(shù)意義，又具有較強的工程實用價值。采用有限元及拓撲優(yōu)化方法對模板進行分析設(shè)計，可以在不提高結(jié)構(gòu)岡度，優(yōu)化應(yīng)力分布前提下大幅節(jié)省模板的材料，實現(xiàn)模板輕量化的目標。同時，與傳統(tǒng)的經(jīng)驗式的結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，它大大縮短了設(shè)計周期及降低成本，明顯提高了經(jīng)濟效益。
參考文獻
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