機(jī)械設(shè)計(jì)畢業(yè)論文精密注塑機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)——模板的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　精密注塑機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)——模板的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)

2、 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</

3、b></p><p>　　模板是注塑機(jī)整機(jī)中鋼材消耗最多的部件，屬于注塑機(jī)中的關(guān)鍵部件。目前階段，注塑機(jī)模板的設(shè)計(jì)通常憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比設(shè)計(jì)，由于這種設(shè)計(jì)方法重于經(jīng)驗(yàn)，使得設(shè)計(jì)出來(lái)的模板存在變形，材料浪費(fèi)，應(yīng)力分布過(guò)于集中甚至在工作中失效等問(wèn)題。結(jié)合計(jì)算機(jī)，運(yùn)用相關(guān)軟件對(duì)注塑機(jī)模板進(jìn)行有限元分析并結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是當(dāng)今較為可靠的方法，可以較大程度解決上述問(wèn)題，對(duì)工廠實(shí)際效益具有重要意義。</p>&l

4、t;p>　　本文的研究工作是針對(duì)注塑機(jī)模板的強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行的研究。課題的實(shí)際背景是浙江金鷹塑料機(jī)械有限公司提供的GE360K-0202注塑機(jī)前模板、拉桿及注塑GE360K-0202調(diào)模板注塑機(jī)模板作為三維構(gòu)件，主要研究工作如下：</p><p>　　1，利用SolidWorks軟件建立實(shí)體模型</p><p>　　2，基于SolidWorks對(duì)模板進(jìn)行有限元分析，確定模板上的

5、應(yīng)力分布和變形情況</p><p>　　3，利用SolidWorks軟件對(duì)注塑機(jī)的模板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化</p><p>　　本文在對(duì)GE360K-0202注塑機(jī)的前模板進(jìn)行有限元分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，前模板上的最大應(yīng)力在模具安裝區(qū)四角上，在模板注塑機(jī)周期性動(dòng)作工作過(guò)程中，必須考慮模板上的應(yīng)力分布趨于合理的問(wèn)題，否則疲勞強(qiáng)度將對(duì)對(duì)機(jī)器壽命造成影響；同時(shí)對(duì)于前模板，在不犧牲其剛度的情況下，從減少模板的體

6、積，材料配置方面考慮優(yōu)化方案。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：注塑機(jī)；模板；有限元；結(jié)構(gòu)優(yōu)化</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　A template is a injection in most machine parts, steel consumption of key components. At

7、present stage, the design of injection molding machine template usually based on the experiences logic analog design, because the design method on experience, make design out template exists deformation, the material was

8、te, the stress distribution is too centralized even work in failure. Combined with the computer, using the related to injection software template finite element analysis and structural optimi</p><p>　　The re

9、search in this paper has been focused on strength analysis and optimization of the platens of injection molding machine. The practical background of the project was the front platen of model GE360K-0202F manufactured by

10、Zhejiang jinying plastic machinery Co., LTD. The research include the following aspects: </p><p>　　1，Use Solidworks software to built solid model. </p><p>　　2，Try to do FEM analysis on the plate

11、ns by using Solidworks. To determine the template of stress distribution on and deformation.</p><p>　　3，Using the template for injection Solidworks software for structure optimization</p><p>　　I

12、n this paper, the GE360K - before 0202 injection process of template finite element analysis, found that the maximum stress on the template before in the mold installation area four corners, in the template injection pro

13、cess of periodical actions work, must consider templates of stress distribution on more reasonable, or fatigue strength will affect the rightness machinery life; As for, without sacrificing the template before its stiffn

14、ess, the volume of from reducing template, materials config</p><p>　　KEYWORDS：Injection molding machine，Platen，F(xiàn)EM(Finite Element Method)，Structure optimization，Solidworks</p><p><b>　　目錄&l

15、t;/b></p><p><b>　　第一章：概述1</b></p><p>　　1.1注塑機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用概況1</p><p>　　1.2注塑成型原理與過(guò)程1</p><p>　　1.3注塑機(jī)合模裝置概述2</p><p>　　1.3.1合模裝置簡(jiǎn)介2</p>&

16、lt;p>　　1.3.2注塑機(jī)模板斷裂原因分析3</p><p>　　1.4本課題來(lái)源背景、內(nèi)容4</p><p>　　1.4.1本課題來(lái)源背景4</p><p>　　1.4.2本課題研究工作概述4</p><p>　　第二章：結(jié)構(gòu)有限元分析方法5</p><p>　　2.1 有限元及優(yōu)化技術(shù)5<

17、;/p><p>　　2.2 有限元分析的基本思路5</p><p>　　2.3 有限元分析的基本構(gòu)架6</p><p>　　2.4 有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)6</p><p>　　2.5 有限元分析的基本步驟及表達(dá)式8</p><p>　　2.6 有限元分析過(guò)程10</p><p>　　第三章

18、：注塑機(jī)模板的實(shí)體建模及有限元分析11</p><p>　　3.1模板模型分析11</p><p>　　3.2注塑機(jī)SolidWorks軟件建模11</p><p>　　3.2.1 Solidworks 建模軟件概述11</p><p>　　3.2.2 運(yùn)用Solidworks軟件對(duì)前模板進(jìn)行實(shí)體建模12</p>&

19、lt;p>　　3.3注塑機(jī)前模板的有限元分析17</p><p>　　3.3.1 Solidworks軟件simulation功能簡(jiǎn)介17</p><p>　　3.3.2 用Solidworks對(duì)模板進(jìn)行有限元分析17</p><p>　　3.4注塑機(jī)前模板的網(wǎng)格劃分19</p><p>　　3.5求解運(yùn)算及結(jié)果分析20<

20、;/p><p>　　第四章：注塑機(jī)模板的優(yōu)化設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.1優(yōu)化設(shè)計(jì)概述23</p><p>　　4.2 ANSYS軟件與優(yōu)化技術(shù)23</p><p>　　4.3注塑機(jī)前模板優(yōu)化分析24</p><p>　　4.4注塑機(jī)前模板重新建模25</p><p>　　4.5注塑

21、機(jī)前模板有限元分析過(guò)程27</p><p>　　4.6 模板優(yōu)化前后比較30</p><p><b>　　小結(jié)31</b></p><p><b>　　致謝32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><

22、b>　　附錄34</b></p><p><b>　　第一章：概述</b></p><p>　　1.1注塑機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用概況</p><p>　　注塑成型是將受熱融化的材料由高壓射入模腔，經(jīng)冷卻固化后，得到成形品的方法。該方法適用于形狀復(fù)雜部件的批量生產(chǎn)，是重要的加工方法之一。</p><p>　　注

23、塑機(jī)是隨著塑料工業(yè)的發(fā)展而興起的。最初的注塑機(jī)是參照金屬壓鑄機(jī)的原理設(shè)計(jì)的，1872年，Hyaat兄弟推出了首臺(tái)金屬壓鑄機(jī)，主要用來(lái)加工醋酸纖維二類的塑料。直到1932這一年，德國(guó)弗蘭茲、布勞恩（Franz、Braun）廠生產(chǎn)出全自動(dòng)柱塞式臥式注射機(jī)，各國(guó)開(kāi)始推廣這種全自動(dòng)的臥式注塑機(jī)，初步具備了現(xiàn)在柱塞式注塑機(jī)的基本形式。</p><p>　　1947年，第一臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)式注塑機(jī)在意大利被制造。1956年，世界上

24、第一臺(tái)往復(fù)螺桿式注射成型機(jī)的正式誕生,這是注射成型工藝技術(shù)方面的重大突破，逐漸成為注射聚合物制品的首選工藝[1]。從此，注塑機(jī)的注射成型運(yùn)用到各種塑料制品上，生產(chǎn)效率和制品的質(zhì)量也大程度上提高，</p><p>　　從1956年誕生至今的幾十年的時(shí)間里，往復(fù)螺桿式注射成型機(jī)一直是比較理想的加工設(shè)備。近年來(lái)，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了注塑機(jī)的發(fā)展，如為提高注塑機(jī)動(dòng)作的準(zhǔn)確性將計(jì)算機(jī)控制引入到注塑機(jī)的控制系統(tǒng)中；再比

25、如先進(jìn)的有限元及優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件避免了經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)的不足，提高了整機(jī)優(yōu)化能力。</p><p>　　現(xiàn)代注塑機(jī)的發(fā)展，從基本結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行大的改造的可能性很小，主要將朝著高速、高校、高精度、高質(zhì)量、低噪音、自動(dòng)化、節(jié)能，以及降低生產(chǎn)成本的方向發(fā)展。</p><p>　　隨著生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和研究工作的發(fā)展，我國(guó)部分注射成型機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)已接近和達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[2]。但在特大型、各種特殊、專用、精

26、密注塑機(jī)的多數(shù)品種方面，差距還很大，有的產(chǎn)品尚屬空白。</p><p>　　注塑成型是塑料制品加工最重要的工藝過(guò)程之一。它可以一次成型出外形復(fù)雜、尺寸精確或帶有嵌件的塑料制品，隨著塑料制品的發(fā)展普及，注塑機(jī)生產(chǎn)被廣泛用于國(guó)防、汽車、航空、儀表、電信、家電、醫(yī)療、建筑及日用品等各個(gè)行業(yè)。迄今，全世界注塑機(jī)的年產(chǎn)量為塑料加工機(jī)械總產(chǎn)量的50%以上，在我國(guó)，注塑機(jī)的年產(chǎn)量約占整個(gè)塑料機(jī)械的40%[3]。</p&g

27、t;<p>　　1.2注塑成型原理與過(guò)程</p><p>　　注射成型是指將粒狀或粉狀塑料從注塑機(jī)的料斗送入高溫的料筒內(nèi)加熱熔融塑化，使其成為粘流念，然后在注射螺桿的高壓推動(dòng)下，以很大的流速通過(guò)噴嘴，注入模具型腔，經(jīng)一定時(shí)間的保壓冷卻定型后，開(kāi)啟模具便可從模腔中脫出具有一定形狀和尺寸的塑料制件[4]。</p><p>　　注射成型是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，每一周期主要包括：加料、加熱

28、塑化、閉模、加壓注射、保壓、冷卻定型、啟模、頂出制件等工序。注射成型過(guò)程如圖1.1所示。</p><p>　　圖 1.1 注塑過(guò)程</p><p>　　1.3注塑機(jī)合模裝置概述</p><p>　　一臺(tái)通用型注塑機(jī)主要包括注射裝置、合模裝置、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖1.2 通用型注塑機(jī)</p><

29、;p>　　如圖1.2所示，注射裝置是注塑機(jī)最主要的組成部分之一，一般有柱塞式、螺桿式、螺桿預(yù)塑柱塞注射式3種主要形式。目前應(yīng)用最廣泛的是螺桿式。其作用是：在注塑料機(jī)的一個(gè)循環(huán)中，能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將一定數(shù)量的塑料加熱塑化后，在一定的壓力和速度下，通過(guò)螺桿將熔融塑料注入模具型腔中。注射結(jié)束后，對(duì)注射到模腔中的熔料保持定型。合模裝置的作用：是保證模具閉合、開(kāi)啟及頂出制品。同時(shí)，在模具閉合后，供給予模具足夠的鎖模力，以抵抗熔融塑料進(jìn)入模腔

30、產(chǎn)生的模腔壓力，防止模具開(kāi)縫，造成制品的不良現(xiàn)狀。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)則是為了保證注射成型機(jī)按工藝過(guò)程預(yù)定的要求和動(dòng)作程序，準(zhǔn)確無(wú)誤地進(jìn)行工作而設(shè)置的動(dòng)力和控制系統(tǒng)[5]。</p><p>　　1.3.1合模裝置簡(jiǎn)介</p><p>　　合模裝置是一種鎖模裝置，作為成型制品的工作部件。其作用保證成型模具可靠地閉合和實(shí)現(xiàn)模具啟閉動(dòng)作。主要由模板、拉桿、合模機(jī)構(gòu)、制品頂出裝置和安全門(mén)等組

31、成。</p><p>　　前模板、動(dòng)模板、后(調(diào))模板三者以拉桿相連，模板是做固定模具和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向的定位基準(zhǔn)之用，模具固定在動(dòng)模板與前模板上。定模板固定于床身，動(dòng)模板則通過(guò)肘桿及油缸在床身導(dǎo)軌上來(lái)回運(yùn)動(dòng)，如圖1.3合模裝置示意圖所示[6]。</p><p>　　圖1.3 合模裝置示意圖</p><p>　　1-油缸 2-調(diào)模板 3-動(dòng)模板 4-拉桿 5-制品 6-前模

32、板 7-固定螺蓋</p><p>　　1.3.2注塑機(jī)模板斷裂原因分析</p><p>　　在注塑機(jī)合模裝置中，由于合模力的作用，在合模過(guò)程中承擔(dān)著大載荷、大彎矩，存在著失效斷裂的問(wèn)題，所以模板和拉桿斷裂是最常見(jiàn)的現(xiàn)象[7]。模板、拉桿一旦斷裂，注塑機(jī)就會(huì)停工待修，同時(shí)模板的成本是注塑機(jī)成本的重要組成部分，現(xiàn)主要來(lái)分析注塑機(jī)各模板斷裂的原因。</p><p><

33、;b>　　模板受力分析</b></p><p>　　先說(shuō)明：一、前模板底部通過(guò)螺釘固定在機(jī)架導(dǎo)軌末端，簡(jiǎn)化為固定支座結(jié)構(gòu)，能夠約束結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)；二、注塑機(jī)處于高壓鎖模狀態(tài)時(shí)，力的傳遞方向使前模板固定于拉桿螺母，簡(jiǎn)化成鉸支座結(jié)構(gòu)。</p><p>　　所以，前模板是固定不動(dòng)的，主要受到模具合緊后傳遞和來(lái)自拉桿頂端的螺母兩個(gè)力。我們可以觀察到期受力情況好像用手帕包東西一樣

34、，如圖1-4所示。 </p><p>　　應(yīng)力：模板中心孔以外的方形區(qū)域安置模具，模具合緊后將最大負(fù)載傳遞于此，產(chǎn)生壓應(yīng)力。與應(yīng)力平衡的力：拉桿頂端的螺母負(fù)載。</p><p>　　所以：中間挖空如果太大或者在軸對(duì)稱線附近存在鑄造缺陷或有螺釘孔、銷孔等，就有發(fā)生斷裂的危險(xiǎn)。</p><p>　　圖 1.4 前模板受力分析圖</p><p>　

35、　注塑機(jī)的模板屬于中厚板，而厚板的彎曲問(wèn)題一直是力學(xué)的一大難題。中厚板的解是復(fù)雜的，實(shí)際應(yīng)用起來(lái)很困難。中厚板的解析僅僅具有理論價(jià)值，并不能直接應(yīng)用在工程設(shè)計(jì)上。</p><p>　　1.4本課題來(lái)源背景、內(nèi)容 </p><p>　　1.4.1本課題來(lái)源背景</p><p>　　本課題的實(shí)際背景是浙江舟山金鷹塑料機(jī)械有限公司提供的GE360K-0202F注塑機(jī)前模板

36、、拉桿及注塑機(jī)調(diào)模板和注塑機(jī)模板作為三維構(gòu)件，其受力和結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工程上采用的近似計(jì)算誤差很大，導(dǎo)致模板在使用過(guò)程中出現(xiàn)了不同程度的裂紋。針對(duì)這一情況，可利用有限元分析法對(duì)注塑機(jī)一系列模板進(jìn)行分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。</p><p>　　1.4.2本課題研究工作概述</p><p>　　利用Solidworks對(duì)注塑機(jī)模板模型進(jìn)行分析處理以得到所需的各類數(shù)據(jù)分布情況，及直觀的應(yīng)力和變形的分布云圖，

37、在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。然后模型重建，以重建后的模型為基礎(chǔ)，根據(jù)研究結(jié)論最終對(duì)原模板設(shè)計(jì)提出切實(shí)可行的整體優(yōu)化方案。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在剛度和強(qiáng)度上將有很大提高，從而解決了如上所述的工程實(shí)際問(wèn)題。</p><p>　　本課題研究工作如下：</p><p>　　選定浙江金鷹塑料有限公司GE360K-0202F為研究目標(biāo)機(jī)型</p><p>　　學(xué)習(xí)注塑機(jī)相關(guān)知識(shí)，

38、尤其是搞懂合模裝置的工作原理，運(yùn)動(dòng)情況，力學(xué)原理</p><p>　　利用Solidworks軟件對(duì)目標(biāo)機(jī)型前模板進(jìn)行實(shí)體建模</p><p>　　利用Solidworks軟件中Simulation功能進(jìn)行前模板的有限元分析</p><p>　　根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化</p><p>　　第二章：結(jié)構(gòu)有限元分析方法</p>

39、<p>　　有限元分析的思想實(shí)質(zhì)是把具有無(wú)限多個(gè)自由度的彈性連續(xù)體，理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，從而使待解問(wèn)題簡(jiǎn)化為適合于數(shù)值計(jì)算的結(jié)構(gòu)型問(wèn)題。 </p><p>　　2.1 有限元及優(yōu)化技術(shù)</p><p>　　用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解的新型方法被成為有限元法（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）。將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互

40、連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的)近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。由于實(shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替，大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，所以這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解。而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。</p><p>　　有限元廣泛地應(yīng)用在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，解決了很多傳統(tǒng)復(fù)雜而無(wú)法分析的問(wèn)題，提高了設(shè)計(jì)精度，為研究

41、機(jī)構(gòu)和企業(yè)帶來(lái)了巨大的效益。</p><p>　　電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了有限元發(fā)展的同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)已逐步形成為一門(mén)新興的獨(dú)立的工程學(xué)科，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用的廣泛，已經(jīng)開(kāi)始引入工程設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更合理、性能更好、質(zhì)量更高、成本更低，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，使得設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。優(yōu)化軟件問(wèn)世之后綜合處理并最大限度地滿足從不同角度提出的技術(shù)問(wèn)題。</p>

42、<p>　　但相對(duì)于有限元單元法，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展比較緩慢。究其原因，其應(yīng)用廣度和實(shí)際成效遠(yuǎn)落后于優(yōu)化理論的進(jìn)展，客觀上理論與方法還不夠成熟，與傳統(tǒng)的工作習(xí)慣不一致，致使較難為廣大工程設(shè)計(jì)人員所接受。此外，優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)表的文章和出版的書(shū)籍，大多以面向研究工作者為主，兼顧實(shí)際工程要求的較少。 </p><p>　　2.2 有限元分析的基本思路</p><p>　　有限元的概念

43、：先把一個(gè)原來(lái)是連續(xù)的物體剖分成有限個(gè)單元，且它們相互連接在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上（連續(xù)體離散化），承受等效的節(jié)點(diǎn)載荷，并根據(jù)平衡條件來(lái)進(jìn)行分析，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件把這些單元重新組合起來(lái)，成為一個(gè)組合體，再綜合求解。由于單元的個(gè)數(shù)有限，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也有限，所以這種方法稱為有限元法。</p><p>　　具體做法如下：一、將物體假想地分割(離散化)成眾多小單元，單元聯(lián)接節(jié)點(diǎn)。對(duì)于每個(gè)單元，用節(jié)點(diǎn)未知量通過(guò)插值函數(shù)近似地表征單

44、元內(nèi)部的各種物理量，并使它們?cè)趩卧獌?nèi)部以積分的形式滿足問(wèn)題的控制方程，從而將每個(gè)單元對(duì)整體的影響，轉(zhuǎn)到各自單元的節(jié)點(diǎn)上；二、將這些單元總裝成一個(gè)滿足求解域的邊界條件和連續(xù)條件的整體；三、建立節(jié)點(diǎn)未知量的聯(lián)立方程，并得出解；四、用插值函數(shù)和有關(guān)公式，求得物體內(nèi)部各點(diǎn)所要求的各種物理量[8]。</p><p>　　2.3 有限元分析的基本構(gòu)架</p><p>　　有限元由以下三點(diǎn)基本構(gòu)成：一、

45、節(jié)點(diǎn)(Node)：就是考慮工程系統(tǒng)中的一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，構(gòu)成有限元系統(tǒng)的基本對(duì)象。具有其物理意義的自由度，該自由度為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力后，系統(tǒng)的反應(yīng)。二、元素 (Element):元素是節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)相連而成，元素的組合由各節(jié)點(diǎn)相互連不同特性的工程系統(tǒng)，可選用不同種類的元素。三、自由度 (DegreeofFreedom):是指上面提到的節(jié)點(diǎn)具有某種程度的自由度，以表示工程系統(tǒng)受到外力后的反應(yīng)結(jié)果。</p><p>　

46、　2.4 有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)</p><p>　　受外部作用的任意變形體，在其微小體元dxdydZ(圖3.l)中，基于位移、應(yīng)變、應(yīng)力這三大變量，可以建立三大類方程[9]。</p><p>　　受力狀況的描述:平衡方程</p><p>　　變形程度的描述:幾何方程</p><p>　　材料的描述:物理方程(應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系或本構(gòu)方程)</

47、p><p>　　本文分析的對(duì)象為受外部作用力的空間三維板狀結(jié)構(gòu)，其有限元分析應(yīng)采用空間問(wèn)題的基本力學(xué)方程[10]。</p><p>　　圖 2.1 3D問(wèn)題中的應(yīng)力分量</p><p>　?。?）基本力學(xué)變量：</p><p>　　位移在 坐標(biāo)方向的分量</p><p>　　正應(yīng)力在 坐標(biāo)方向的分量</p>

48、<p>　　剪應(yīng)力在 坐標(biāo)方向的分量</p><p>　　正應(yīng)變?cè)?坐標(biāo)方向的分量</p><p>　　剪應(yīng)變 在坐標(biāo)x、y、z方向的分量 </p><p><b>　　（2）平衡方程</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>&

49、lt;b>　?。?）幾何方程</b></p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　?。?）材料的物理方程(應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系或本構(gòu)方程)</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p><b>　　或?qū)懗闪硪环N形式</b><

50、;/p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　式中為材料的彈性模量(楊氏模量)，為泊松比，G為材料剪切模量。</p><p><b>　?。?）邊界條件</b></p><p>　　位移邊界條件： 在上

51、 （2-5）</p><p>　　力邊界條件： 在上 （2-6）</p><p>　?。?）力學(xué)參量的分量形式與指標(biāo)形式的對(duì)應(yīng)關(guān)系</p><p>　　三大力學(xué)變量關(guān)系之位移： （2-7）</p><p>　　三大力學(xué)變量關(guān)系之應(yīng)力

52、： （2-8） </p><p>　　三大力學(xué)變量關(guān)系之應(yīng)變： （2-9）</p><p>　?。?）力學(xué)變量與方程的特征</p><p>　　獨(dú)立變量:位移分量（3個(gè)），應(yīng)力分量（6個(gè)），應(yīng)變分量（6個(gè)），共15個(gè)。</p><p>　　獨(dú)立方程:平衡方程（3個(gè)），幾何方程（6個(gè)），物理方程（6個(gè)），共15個(gè)。外加邊

53、界條件（兩類）。</p><p>　　以上基本變量和基本方程是完全相同，因?yàn)檫@些方程是建立于微小體元（從任意變形體中所取出來(lái)），對(duì)給定物體進(jìn)行問(wèn)題求解的重點(diǎn)是變形體的幾何形狀和邊界條件，因?yàn)榉匠痰牟煌幵谟谧冃误w的幾何形狀和邊界條件 及。</p><p>　　2.5 有限元分析的基本步驟及表達(dá)式</p><p>　　有限元方法的基本思路是在考慮計(jì)算能力的前提下，將

54、復(fù)雜的幾何物體等效離散為一系列的標(biāo)準(zhǔn)形狀的幾何體，然后再在標(biāo)準(zhǔn)的幾何體上研究規(guī)范化的試函數(shù)表達(dá)及其全場(chǎng)試函數(shù)的構(gòu)建，最后利用最小勢(shì)能原理建立起力學(xué)問(wèn)題的線性方程組[11]。</p><p><b>　　其相應(yīng)表達(dá)式如下：</b></p><p>　　（1）、物體幾何離散化表達(dá)式</p><p>　　，為具有某種特征的單元

55、 （2-10）</p><p><b>　　（2）、單元的研究</b></p><p>　　單元的節(jié)點(diǎn)描述： （2-11）</p><p>　　單元的位移(場(chǎng))模式：</p><p>　　個(gè)節(jié)點(diǎn)

56、，可以設(shè)定個(gè)待定系數(shù)，這里，為幾何坐標(biāo)。 （2-12）</p><p>　　物理量的表達(dá)： ，試中 （2-13）</p><p>　　包括兩部分力:施加的節(jié)點(diǎn)外力， 以及作用在約束上的支反力</p><p>　　單元的平衡關(guān)系：

57、 （2-14）</p><p><b>　?。?）、裝配集成</b></p><p>　　整體平衡關(guān)系： （2-15）</p><p>　　其中裝配關(guān)系為: ，并且由所施加的所有外力F和作用在約束上的所有支反力組成，即</p>

58、<p>　?。?）、處理邊界條件并求解節(jié)點(diǎn)位移</p><p>　　目的是獲得滿足位移邊界條件的許可位移場(chǎng)。對(duì)于由裝配所得到的整個(gè)剛度方程，就整個(gè)節(jié)點(diǎn)位移而言，可以分解成對(duì)應(yīng)于力邊界條件的節(jié)點(diǎn)位移(未知)和對(duì)應(yīng)于位移邊界條件的節(jié)點(diǎn)位移 (己知)，就整個(gè)節(jié)點(diǎn)力而言，可以分解成對(duì)應(yīng)于邊界條件的節(jié)點(diǎn)力 (已知)和對(duì)應(yīng)于位移邊界條件的節(jié)點(diǎn)力 (支反力)，即</p><p>　　因此，

59、將整體平衡關(guān)系式（3-15）寫(xiě)成分塊矩陣的形式，</p><p>　　有： （2-16）</p><p>　　其中為未知節(jié)點(diǎn)位移，為己知節(jié)點(diǎn)位移，為未知節(jié)點(diǎn)力(即支反力)，為已知節(jié)點(diǎn)力(一般為所施加外力)。由于物體的邊界為，而對(duì)應(yīng)于位移邊界的節(jié)點(diǎn)物理量為：，對(duì)應(yīng)于力邊界的節(jié)點(diǎn)物理量為。可以看出，就

60、分塊矩陣的節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力而言，其己知節(jié)點(diǎn)位移與未知節(jié)點(diǎn)力相對(duì)應(yīng)，而未知節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力相對(duì)應(yīng)，成為一種互補(bǔ)的關(guān)系。也可以將整體平衡關(guān)系的矩陣形式寫(xiě)成以下兩個(gè)方程：</p><p><b>　　（2-17）</b></p><p>　　可以先由方程(3-17)直接求出未知節(jié)點(diǎn)位移</p><p><b>　?。?-18）</b&

61、gt;</p><p><b>　?。?）求取支反力</b></p><p><b>　　（2-19）</b></p><p>　　在求出未知節(jié)點(diǎn)位移后，由方程(3-20)可求出支反力</p><p>　?。?）其它力學(xué)量的計(jì)算</p><p>　　由公式(3-13)中的第二

62、個(gè)和第三個(gè)方程式可計(jì)算單元和整體的應(yīng)變及應(yīng)力，即</p><p>　　2.6 有限元分析過(guò)程</p><p>　　1.有限元分析過(guò)程可以分為以下三個(gè)階段： </p><p>　　第一階段：建立實(shí)體模型階段。根據(jù)所提供的CAD二維圖紙，結(jié)合圖紙上的形狀尺寸要求建立有限元分析的計(jì)算模型，這是進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)。所有的夾具加載、載荷加載都是施加在所建立的實(shí)體模型上的。而

63、在實(shí)體模型上進(jìn)行的一系列工作中，如結(jié)構(gòu)分半處理、單元特性定義、模型邊界條件的定義等，中心任務(wù)只有一個(gè)，那就是結(jié)構(gòu)離散，即劃分網(wǎng)格。</p><p>　　第二階段：計(jì)算階段。計(jì)算階段按照理論有限元分析步驟來(lái)做的話，聯(lián)立方程非常復(fù)雜，運(yùn)算量也非常大，所以這個(gè)階段的工作可以由相關(guān)的有限元分析軟件，比如運(yùn)用Solidworks中的插件功能在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)完成有關(guān)數(shù)值計(jì)算工作。</p><p>　　第

64、三階段：后處理階段。在計(jì)算階段，計(jì)算機(jī)有限元分析軟件會(huì)顯示一個(gè)模型有限元分析的結(jié)果，后處理階段就是對(duì)這個(gè)結(jié)果進(jìn)行必要的處理，評(píng)估模板結(jié)構(gòu)性能的好壞或者設(shè)計(jì)布局是否合理。從后處理可以顯示需要改進(jìn)優(yōu)化的區(qū)域，而這正是進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析的目的所在。 在上述三個(gè)階段中，第一個(gè)階段的模型是建立整個(gè)有限元分析過(guò)程的關(guān)鍵。一、有限元模型為計(jì)算提供所以原始尺寸數(shù)據(jù)和形狀，如果原始尺寸數(shù)據(jù)有誤，模型形狀不能呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)對(duì)象的樣子，將直接影響第二階段計(jì)算

65、處理的精度，在這個(gè)基礎(chǔ)上，優(yōu)化分析將毫無(wú)意義；二、由于結(jié)構(gòu)形狀和工況條件的復(fù)雜性，要建立一個(gè)符合實(shí)際的有限元模型并非易事；三、建模是一項(xiàng)較為系統(tǒng)的工作，它要求工作人員耐心并且細(xì)致，所花費(fèi)的時(shí)間在整個(gè)分析過(guò)程中占有相當(dāng)大的比重，因此，在有限元分析時(shí)，務(wù)必重視實(shí)體模型建立的過(guò)程，以提高建模速度、精度。</p><p>　　下面簡(jiǎn)述建立有限元模型的一般過(guò)程：</p><p>　　一、分析問(wèn)題定義

66、：對(duì)模型的形狀、尺寸、工況條件等情況在CAD二維圖紙上進(jìn)行仔細(xì)分析，掌握結(jié)構(gòu)的具體特征才能建立合理的幾何模型；二、幾何模型建立：模型需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體特征對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化、變化和處理，不是完全照搬結(jié)構(gòu)的實(shí)際形狀，才能更好的達(dá)到有限元分析的目的；三、單元類型選擇：劃分網(wǎng)格前需確定單元類型，單元類型的選擇應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)形狀特征、應(yīng)力和變形特點(diǎn)等因素；四、單元性質(zhì)定義：有限元單元還得考慮內(nèi)部特征參數(shù)，內(nèi)部特征參數(shù)用來(lái)定義結(jié)構(gòu)材料的性能、物

67、理特征等；五、網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格劃分是否合理可以在很大程度上反映出模型的合理行，目前廣泛采用自動(dòng)或半自動(dòng)網(wǎng)格劃分方法，這是模型建立的中心工作；六、模型檢查和處理：由于結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格生成過(guò)程的復(fù)雜性，劃分的網(wǎng)格或多或少存在問(wèn)題，將影響有限元計(jì)算的計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間。七、邊界條件定義：只有在網(wǎng)格模型上定義了所需要的各類邊界條件后，網(wǎng)格模型才能成為完整的有限元模型。</p><p>　　第三章：注塑機(jī)模板的實(shí)體建模及有限元分析

68、</p><p><b>　　3.1模板模型分析</b></p><p>　　由于模板結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)十分復(fù)雜，考慮所有因素的影響是十分困難的。因而，為了突出主要因素，忽略次要因素的影響，對(duì)模板及其受力情況作如下簡(jiǎn)化假設(shè)：</p><p>　　模板安裝在床身上，底部固定處看作垂直方向的位移約束；</p><p>　　拉桿對(duì)

69、模板的受力影響是比較大的，它們之間由螺母固定，可看作沿拉桿孔周圍環(huán)面給予位移約束；</p><p>　　結(jié)構(gòu)和載荷有一個(gè)對(duì)稱面，分析時(shí)可以沿對(duì)稱面剖開(kāi)，取其二分之一，并加以對(duì)稱約束；</p><p>　　模板的載荷為均布載荷；</p><p>　　忽略安裝螺孔等小孔的影響以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)形狀；</p><p>　　模板的溫度應(yīng)力與合模力引起的應(yīng)力相

70、比顯得很小，可以忽略不計(jì)；</p><p>　　3.2注塑機(jī)SolidWorks軟件建模</p><p>　　3.2.1 Solidworks 建模軟件概述</p><p>　　Solidworks 是一種先進(jìn)的、智能化的參變量式CAD設(shè)計(jì)軟件，在業(yè)界被稱為“3D機(jī)械設(shè)計(jì)方案的領(lǐng)先者”，它的特點(diǎn)是易學(xué)易用、界面友好、功能強(qiáng)大、性能超群，在機(jī)械設(shè)計(jì)、消費(fèi)品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域

71、已經(jīng)稱為3D設(shè)計(jì)的主流軟件[13]。</p><p>　　由于使用了Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)的parasolid 內(nèi)核（由劍橋提供），以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)，Solidworks 成為全球裝機(jī)量最大、最好用的軟件。涉及航空航天、機(jī)車、食品、國(guó)防、交通、模具、電子通信、醫(yī)療器械、娛樂(lè)工業(yè)產(chǎn)品、日用品、消費(fèi)品、離散制造等分布于全球100多個(gè)國(guó)家的數(shù)萬(wàn)家企業(yè)。</p>&

72、lt;p>　　用 Solidworks 和 COSMOSWorkshop 分析設(shè)計(jì)完成的“勇氣號(hào)”飛行器機(jī)器人臂，在火星上完成了從探測(cè)器展開(kāi)、定位、攝影的全部動(dòng)作，取得了圓滿的成功。負(fù)責(zé)該航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)的總工程師Jim Staats 表示，Solidworks 軟件能夠提供非常精確的分析測(cè)試和優(yōu)化設(shè)計(jì)，既滿足了應(yīng)用的需求，又提高了產(chǎn)品的研發(fā)速度。</p><p>　　Solidworks的基本設(shè)計(jì)流程如下：&

73、lt;/p><p>　　“自下而上”設(shè)計(jì)方法：“實(shí)體造型（草圖、特征、零件）→虛擬裝配（裝配體）→二維圖紙（工程圖）”。</p><p>　　Solidworks具有“自上而下”的裝配體設(shè)計(jì)技術(shù)，他可使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)零件、毛胚件時(shí)在零件之間捕捉設(shè)計(jì)關(guān)系，在裝配體內(nèi)設(shè)計(jì)新零件、編輯已有零件。”自上而下”設(shè)計(jì)方法的基本設(shè)計(jì)流程：“裝配體→零件→工程圖”。</p><p>　　

74、三維的實(shí)體建模使設(shè)計(jì)過(guò)程形象而且直觀，虛擬裝配可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的隨時(shí)校驗(yàn)，從而避免可能發(fā)生的錯(cuò)誤，二維圖紙的自動(dòng)繪制也大大提高了設(shè)計(jì)效率。</p><p>　　Solidworks是包含了CAD/CAM/CAE功能的集成化軟件，全面滿足設(shè)計(jì)、分析、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的一體化要求。功能強(qiáng)大的CAD模塊包括了草圖設(shè)計(jì)、曲面建模、實(shí)體建模和鈑金零件設(shè)計(jì)等，可以完成基于特征的CAD模型建立，完全滿足各種設(shè)計(jì)需求。<

75、/p><p>　　3.2.2 運(yùn)用Solidworks軟件對(duì)前模板進(jìn)行實(shí)體建模</p><p>　　Solidworks是大學(xué)期間學(xué)習(xí)的一款三維軟件，其功能較為完善，所以用它來(lái)繪制注塑機(jī)前模板的實(shí)體模型[14]。</p><p>　　三維圖紙的繪制需要參照二維圖紙進(jìn)行。在參照二維圖紙之前，需要仔細(xì)研究其尺寸形狀要求，理解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以免在進(jìn)行三維模型繪制時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，對(duì)有

76、限元的分析造成影響。</p><p>　　主要CAD參照尺寸形狀圖如下：</p><p>　　圖3.1 二維CAD尺寸形狀要求</p><p>　　圖3.2 二維CAD尺寸形狀要求</p><p>　　根據(jù)二維CAD圖紙尺寸形狀要求，具體SolidWorks三維圖形繪制過(guò)程如下：</p><p>　　圖 3.3 前模板

77、建模過(guò)程一</p><p>　　圖 3.4 前模板Solidworks主要建模步驟</p><p>　　圖 3.5 前模板建模過(guò)程二</p><p>　　圖 3.6 前模板Solidworks主要建模步</p><p>　　圖 3.7 前模板建模過(guò)程三</p><p>　　圖 3.8 前模板Solidworks主要建模

78、步</p><p>　　圖 3.9 前模板建模過(guò)程四</p><p>　　圖 3.10 前模板剖視圖前半部分正面與背面</p><p>　　圖 3.11 前模板剖視圖后半部分正面與背面</p><p>　　圖 3.12 前模板內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　以上步驟為GE360K-0202F注塑機(jī)前模板的實(shí)體建模過(guò)

79、程，用Solidworks建模軟件完成，如圖可以清楚地了解模板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以便在有限元分析時(shí)更科學(xué)的知道哪部分結(jié)構(gòu)存在缺陷，根據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)的改善，到達(dá)優(yōu)化的效果。</p><p>　　3.3注塑機(jī)前模板的有限元分析</p><p>　　3.3.1 Solidworks軟件simulation功能簡(jiǎn)介</p><p>　　從SolidWorks2009開(kāi)始

80、，其著名的FEA軟件COSMOSWorks改名為SolidWorks Simulation。其為了體現(xiàn)設(shè)計(jì)仿真一體化的解決方案，在無(wú)縫集成界面做了創(chuàng)造性的改變，將仿真界面，仿真流程無(wú)縫融入到SolidWorks的設(shè)計(jì)過(guò)程中。</p><p>　　SolidWorks Simulation是完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)，提供了單一屏幕解決方案來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。其憑借著快速解算器的強(qiáng)有力

81、支持，使得您能夠使用個(gè)人計(jì)算機(jī)快速解決大型問(wèn)題。SolidWorks Simulation 提供了多種捆綁包，可滿足您的分析需要。并且節(jié)省了搜索最佳設(shè)計(jì)所需的時(shí)間和精力，可大大縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。</p><p>　　SolidWorks Simulation 專門(mén)為那些非設(shè)計(jì)驗(yàn)證領(lǐng)域?qū)I(yè)人士的設(shè)計(jì)師和工程師量身定做的，該軟件通過(guò)表明 SolidWorks 模型在構(gòu)建之前的運(yùn)作狀況，從而幫助提高產(chǎn)品質(zhì)量。使用Sol

82、idWorks simultiaon 可以在不離開(kāi) SolidWorks 窗口的情況下，通過(guò)驗(yàn)證您的直覺(jué)并對(duì)不同設(shè)計(jì)思路的實(shí)際性能進(jìn)行分析，其效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于手算。</p><p>　　SolidWoks Simulation 包含：靜力學(xué)分析；接觸/縫隙分析；接頭分析；殼單元分析；橫梁?jiǎn)卧治?；混合網(wǎng)格分析，而且價(jià)格非常適中。使用SolidWorks Simulation，您可以：</p><

83、p>　　輕松快速地比較備選的設(shè)計(jì)方案，以便可以為最終生產(chǎn)選擇最佳設(shè)計(jì)方案； </p><p>　　研究不同裝配體零部件之間的交互作用； </p><p>　　模擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)行環(huán)境 以查看模型如何處理應(yīng)力、應(yīng)變和位移； </p><p>　　使用自動(dòng)化工具在細(xì)節(jié)方面花費(fèi)較少的時(shí)間，從而簡(jiǎn)化了驗(yàn)證過(guò)程； </p><p>　　使用功能強(qiáng)大且直觀

84、的可視化工具來(lái)解釋結(jié)果； </p><p>　　與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中涉及的所有人協(xié)作并共享結(jié)果。</p><p>　　3.3.2 用Solidworks對(duì)模板進(jìn)行有限元分析</p><p>　　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，在升壓合緊時(shí)將承受全部合模力的作用。前方接收熔融的塑料，背部固定模具，承受合模時(shí)模具壓力，底部固定于床身。模板在合

85、模力的作用下，主要承受彎曲變形，因此，從等強(qiáng)度觀點(diǎn)出發(fā)，模板的形狀通常設(shè)計(jì)成帶有筋板的截面。</p><p>　　本節(jié)研究對(duì)象為GE360K-0202F注塑機(jī)的前模板，因?yàn)槟０褰Y(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，取二分之一模</p><p>　　板進(jìn)行有限元分析，這樣可以大大減少工作量、提高效率。如圖3.11所示</p><p>　　一、取二分之一進(jìn)行有限元分析</p>&

86、lt;p>　　圖 3.13 前模板的二分之一 正面 背面</p><p>　　建立有限元模型，并做強(qiáng)度和剛度分析。所有模板材料均為，屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，彈性模量 ，泊松比;拉桿材料為45#鋼,屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，彈性模量，泊松比[15]。</p><p>　　二、生成靜態(tài)分析算例及為零件制定材料</p><p>　　從提高強(qiáng)度出發(fā)，當(dāng)然是選用優(yōu)質(zhì)材料，而且盡量

87、加大模板厚度，但這些將無(wú)疑提高模板之造價(jià)，影響整機(jī)成本。鑒此，制造者通常采用球墨鑄鐵鑄造模板。</p><p><b>　　這主要考慮：</b></p><p>　　球墨鑄鐵剛度較好，而且也具有一定硬度。</p><p>　　球墨鑄鐵易于實(shí)現(xiàn)切削加工，故可有效降低加工成本；</p><p>　　球墨鑄鐵成本低，在模板上鑄

88、出加強(qiáng)筋或?qū)⒛０逄涂?，可有效減少件重；</p><p>　　三、應(yīng)用固定約束及壓力載荷</p><p>　　載荷是使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形的主要原因．最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫失效等載荷效應(yīng)。高壓鎖模時(shí)，前模板與動(dòng)模板將模具壓在其中，全機(jī)構(gòu)處于靜態(tài)，因此可將合模力簡(jiǎn)化成均布?jí)毫ψ饔迷诎灞巢抗潭＞叩陌惭b平面上，合模力大小約為500噸（即5000KN)。</p><p>　

89、　圖 3.14 模板固定約束與壓力載荷圖</p><p>　　說(shuō)明：1、綠色部分為模板模型的夾具，前模板在合模裝置中，處于固定不動(dòng)的狀態(tài)。其固定狀態(tài)主要由與注塑機(jī)機(jī)架接觸的底座和拉桿頂端的螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)。2、紫色部分為載荷，由前文部分的合模裝置介紹中可知，注塑機(jī)前模板中孔以外的方形區(qū)域安置模具，當(dāng)模具合緊后，將會(huì)對(duì)方形區(qū)域一個(gè)力。同時(shí)，根據(jù)平衡原理，要有相應(yīng)的力來(lái)抵消以達(dá)到平衡狀態(tài)，這個(gè)平衡力來(lái)自拉桿頂端的螺母力。&

90、lt;/p><p>　　所以，以上步驟用夾具實(shí)現(xiàn)了模型的固定，以及用載荷實(shí)現(xiàn)了模板上力的模擬。</p><p>　　3.4注塑機(jī)前模板的網(wǎng)格劃分</p><p>　　實(shí)體模型建立后，就需要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分包括三步:(l)定義單元屬性(單元類型、實(shí)常數(shù)、材料屬性)；(2)定義網(wǎng)格控制(控制網(wǎng)格密度)；(3)生成網(wǎng)格。</p><p>　　

91、圖 3.15 模板生成網(wǎng)格圖</p><p>　　說(shuō)明：根據(jù)模板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇四節(jié)點(diǎn)四面體單元自適應(yīng)精度控制進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，在Solidwords軟件中，網(wǎng)格劃分后，點(diǎn)擊其細(xì)節(jié)顯示中，可以讀?。汗?jié)點(diǎn)數(shù)=71011，單元數(shù)=46670，自由度數(shù)=212175.網(wǎng)格劃分的整個(gè)運(yùn)行時(shí)間為13秒。網(wǎng)格的劃分，主要是為了后面的應(yīng)力、變形分析做基礎(chǔ)。</p><p>　　3.5求解運(yùn)算及結(jié)果分析&l

92、t;/p><p>　　以上基本步驟準(zhǔn)備完畢后，可對(duì)注塑機(jī)前模板進(jìn)行運(yùn)行生成應(yīng)力、位移情況圖像。得到如下三幅圖。Solidworks相應(yīng)有限元處理器的功能相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較強(qiáng)大的，既能做簡(jiǎn)單的圖像顯示，也能進(jìn)行復(fù)雜數(shù)掘的列表，還可以用動(dòng)畫(huà)顯示模型在載荷作用下的內(nèi)力變化過(guò)程，用圖形的方式解釋分析計(jì)算結(jié)果。</p><p>　　圖 3.16 應(yīng)力云圖</p><p>　　圖 3

93、.17 位移云圖</p><p>　　圖3.16為運(yùn)算所得的單元平均應(yīng)力云圖。從上圖中的顏色分布我們可以看出此注塑機(jī)前模板應(yīng)力分部比較均勻，大部分區(qū)域應(yīng)力都在117MPa以下。從圖右側(cè)的顏色、應(yīng)力數(shù)值對(duì)應(yīng)表中，我們可以讀得模板局部區(qū)域最大應(yīng)力出現(xiàn)在拉桿孔附近約束限制區(qū)域中，應(yīng)力值大約為470MPa。在實(shí)際工況中，拉桿螺母對(duì)模板的約束并非完全限制，是系統(tǒng)剛度與載荷之間的平衡。</p><p>

94、;　　以上分析可得，前模板基本符合強(qiáng)度要求，前模板上的最大應(yīng)力在模具安裝區(qū)四角上，這個(gè)地方主要是壓應(yīng)力，對(duì)模板的破壞作用有限。但模板注塑機(jī)的工作是個(gè)周期性動(dòng)作，必須考慮疲勞強(qiáng)度對(duì)機(jī)器壽命造成影響。因此，必須考慮使得模板上的應(yīng)力分布趨于合理</p><p>　　圖3.17為運(yùn)算所得的注塑機(jī)模板變形云圖，通過(guò)位移的原理測(cè)得。從圖右側(cè)的顏色、應(yīng)力數(shù)值對(duì)應(yīng)表中，我們可以讀得模板的最大變形量出現(xiàn)在模具安裝面中心孔邊緣（模型

95、中紅色顏色顯示處）。這個(gè)地方的變形會(huì)直接影響注塑產(chǎn)品的精度控制，降低質(zhì)量。從模型上的顏色變化趨勢(shì)來(lái)看，變形程度從模板中心向邊緣呈階梯狀下降，近似同心圓分布。</p><p>　　從應(yīng)力及變形云圖以及所作的分析來(lái)看，采用原模板的布局是一種比較合理的方案，而從使用的實(shí)際情況來(lái)看，前模板確實(shí)不存在斷裂，失效的問(wèn)題。那么，對(duì)于前模板，則應(yīng)該在不犧牲其剛度的情況下，從減少模板的體積，材料配置方面考慮優(yōu)化方案。</p&

96、gt;<p>　　第四章：注塑機(jī)模板的優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1優(yōu)化設(shè)計(jì)概述</b></p><p>　　優(yōu)化設(shè)計(jì)是將工程設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)問(wèn)題。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)大致可以分為三類：結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、機(jī)構(gòu)形狀優(yōu)化和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。</p><p>　　結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，是指修改結(jié)構(gòu)單元的尺寸，也就是將結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)(如模板的厚度

97、，加強(qiáng)筋的尺寸等)作為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)過(guò)程。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中修改結(jié)構(gòu)單元的尺寸是最簡(jiǎn)單和最直接的做法。運(yùn)用這種方法，人們可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)(如降低造價(jià)、控制應(yīng)力等)的目的。</p><p>　　結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化是一種既可以改變結(jié)構(gòu)單元的尺寸，又可以改變結(jié)構(gòu)單元的形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。舉一個(gè)典型的例子對(duì)結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化進(jìn)行說(shuō)明，如有鉆孔的構(gòu)件。在鉆孔的周圍會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是設(shè)計(jì)制造難題。當(dāng)通過(guò)尺

98、寸優(yōu)化改變孔附近的尺寸，卻仍然沒(méi)有得到優(yōu)化的效果時(shí)，就必須改變孔的形狀（因?yàn)榭椎男螤顚?duì)應(yīng)力集中現(xiàn)象有較大的影響），以達(dá)到優(yōu)化的效果，形狀設(shè)計(jì)方法將控制結(jié)構(gòu)形狀的某些邊界控制點(diǎn)的幾何信息取為設(shè)計(jì)變量，由這些控制點(diǎn)生成結(jié)構(gòu)的邊界，在優(yōu)化過(guò)程中通過(guò)設(shè)計(jì)變量來(lái)改變結(jié)構(gòu)的邊界，從而達(dá)到改變結(jié)構(gòu)的形狀，使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的目的。</p><p>　　結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法的主要思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯?wèn)題轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求

99、最優(yōu)材料的分布問(wèn)題。給定設(shè)計(jì)區(qū)域，區(qū)域內(nèi)由許多帶有孔洞的微結(jié)構(gòu)組成，在優(yōu)化過(guò)程中，設(shè)計(jì)區(qū)域一般保持不變，而微結(jié)構(gòu)的孔洞大小可以變化，如某一部分區(qū)域的微結(jié)構(gòu)全部為小孔洞，則這部分區(qū)域便被從設(shè)計(jì)區(qū)域上“移走”，從而形成一個(gè)大孔洞；反之如某部分區(qū)域上微結(jié)構(gòu)的孔洞全部消失，則這部分區(qū)域上便組成“實(shí)在結(jié)構(gòu)”。這樣初始設(shè)計(jì)均勻分部在設(shè)計(jì)區(qū)域上的材料便重新分布，形成新的結(jié)構(gòu)形式，得到結(jié)構(gòu)在一定條件下的最優(yōu)拓?fù)洹?lt;/p><p>

100、;　　4.2 ANSYS軟件與優(yōu)化技術(shù)</p><p>　　ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)功能強(qiáng)大靈活的設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化人型通用有限元軟件包。該軟件是唯一具有中文界面的大型通用有限元軟件，能實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析，具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能及強(qiáng)大的非線性分析功能，它擁有的多種求解器分別適用于不同的問(wèn)題及不同的硬件配置，支持異種、異構(gòu)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)浮動(dòng)，在異種、異構(gòu)

101、平臺(tái)上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件全部兼容，具有多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)及良好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境。</p><p>　　ANSYS軟件的主要功能有:結(jié)構(gòu)分析、熱分析、模態(tài)分析、熱-結(jié)構(gòu)禍合分析(熱應(yīng)力)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等，特別是ANSYS強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)非線性分析能力、獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)化功能和豐富多彩的網(wǎng)格劃分工具使設(shè)計(jì)工作如虎添翼。ANSYS基于Motif的菜單系統(tǒng)使用戶能夠通過(guò)對(duì)話框、下拉式菜單和子菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇，為用戶使用A

102、NSYS提供了導(dǎo)航。實(shí)體建模特性包括基于NURBS的幾何表示法、幾何體素及布爾運(yùn)算。</p><p>　　利用ANSYS程序，可以構(gòu)造結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品、零部件或系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，或?qū)⑺鼈兊腃AD模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)它們施加載荷或其他設(shè)計(jì)性能條件。在設(shè)計(jì)過(guò)程初期，也可以利用該程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低生產(chǎn)成本。這些過(guò)程使制造商們縮短了樣機(jī)制造-測(cè)試-再制造這一研制周期，同時(shí)也避免了使用昂貴的產(chǎn)品余量設(shè)計(jì)。</p>

103、<p>　　ANSYS主要包括三個(gè)部分:前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。</p><p>　?。?）前處理模塊:提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模即網(wǎng)格劃分工具，用戶可以定義求解所需的數(shù)據(jù)，方便地構(gòu)造有限元模型。軟件提供了100種以上的單元類型，用來(lái)模擬工程中的各種材料和結(jié)構(gòu)。</p><p>　　（2）分析計(jì)算模塊:前處理階段完成建模后，用戶可在此階段獲得分析結(jié)果。包括結(jié)構(gòu)分析(

104、線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。</p><p>　　（3）后處理模塊:包括兩個(gè)部分，通用后處理模塊和時(shí)間歷程后處理模塊。</p><p>　　通用后處理模塊可以很容易獲得求解過(guò)程的計(jì)算結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行顯示。這些結(jié)果包括:位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式有圖形

105、顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。這個(gè)模塊對(duì)前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。時(shí)間后處理模塊用于檢查在一個(gè)時(shí)間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力或支應(yīng)力。這些結(jié)果能通過(guò)繪制曲線或列表查看。繪制一個(gè)或多個(gè)變量隨頻率和其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。此外，它還可以進(jìn)行曲線的代數(shù)運(yùn)算。</p><p>　　ANSYS優(yōu)化技術(shù)為拓?fù)鋬?yōu)化，一般指形狀優(yōu)化，其目標(biāo)是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案。這種

106、方案在拓?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)。</p><p>　　與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不同的是，拓?fù)鋬?yōu)化不需要給出參數(shù)和優(yōu)化變量的定義。目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)變量和設(shè)計(jì)變量都是預(yù)定義好的。用戶只需要給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)(材料特性、模型、載荷等)和想要省去的材料百分比。</p><p>　　拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)——目標(biāo)函數(shù)——是在滿足結(jié)構(gòu)的約束情況下減少結(jié)構(gòu)的變形能(SCOMP)。減少結(jié)構(gòu)的變形能相當(dāng)于提高結(jié)構(gòu)的剛度。

107、這個(gè)技術(shù)通過(guò)使用設(shè)計(jì)變量給每個(gè)有限元的單元賦予內(nèi)部偽密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　4.3注塑機(jī)前模板優(yōu)化分析</p><p>　　由前文第三章對(duì)注塑機(jī)模板的有限元分析中的應(yīng)力云圖得出結(jié)論：注塑機(jī)前模板應(yīng)力分部比較均勻，大部分區(qū)域應(yīng)力都在117MPa以下；模板局部區(qū)域最大應(yīng)力出現(xiàn)在拉桿孔附近約束限制區(qū)域中，應(yīng)力值大約為470MPa，前模板基本符合強(qiáng)度要求。同時(shí)，前模板上的最大應(yīng)力在模具安

108、裝區(qū)四角上，這個(gè)地方主要是壓應(yīng)力，對(duì)模板的破壞作用有限。但模板注塑機(jī)的工作是個(gè)周期性動(dòng)作，必須考慮疲勞強(qiáng)度對(duì)機(jī)器壽命造成影響。</p><p>　　因此，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化使得注塑機(jī)模板上的應(yīng)力分布趨于合理。</p><p>　　再由前文第三章對(duì)注塑機(jī)模板的有限元分析中的位移云圖可得出結(jié)論：模板的最大變形量出現(xiàn)在模具安裝面中心孔邊緣（模型中紅色顏色顯示處），這個(gè)地方的變形會(huì)直接影響

109、注塑產(chǎn)品的精度控制，降低質(zhì)量。</p><p>　　因此，原模板的布局是一種比較合理的方案。那么，對(duì)于前模板，則應(yīng)該在不犧牲其剛度的情況下，從減少模板的體積，材料配置方面考慮優(yōu)化方案。</p><p>　　圖 4.1 安全系數(shù)圖</p><p>　　在模板有限元分析完成后，進(jìn)行應(yīng)力的安全系數(shù)分析得到以上情況，其中紅色部分為危險(xiǎn)區(qū)域。驗(yàn)證了前模板上的最大應(yīng)力在模具安裝

110、區(qū)四角上，需要進(jìn)行優(yōu)化使模板上的應(yīng)力分布趨于合理的分析。</p><p>　　4.4注塑機(jī)前模板重新建模</p><p>　　根據(jù)以上分析，對(duì)前模板模具安裝區(qū)四角上的螺孔位置進(jìn)行修改，并且對(duì)底座的加強(qiáng)筋進(jìn)行加固。重新建模，進(jìn)行有限元應(yīng)力分析。</p><p>　　圖 4.2 重新建模后的模型</p><p>　　此圖為重新建模后的前模板，主要

111、尺寸變動(dòng)為螺孔位置，以及加強(qiáng)筋厚度。變化情況如下圖所示：</p><p>　　圖 4.3 螺孔位置變動(dòng)</p><p>　　圖 4.4 加強(qiáng)筋厚度變化</p><p>　　說(shuō)明：根據(jù)本設(shè)計(jì)的圖4.1——安全系數(shù)圖，紅色的危險(xiǎn)區(qū)域分布在模具安裝區(qū)四角和固定模板的底座附近。我們根據(jù)尺寸優(yōu)化原則，先后進(jìn)行了多次尺寸改動(dòng)——重新建?！邢拊治?，結(jié)果顯示如圖4.3和圖4.