引言 塑料產品從產品設計到成型生產包括塑料制品設計、模具設計、模具制造和注塑工藝參數選擇等幾個主要方面。傳統的注塑模具設計主要依靠設計人員的經驗，而注塑成型過程非常復雜，塑料熔體的流動性能千差萬別，制品和模具的結構千變萬化，工藝條件各不相同，成型缺陷各式各樣，模具設計往往需要反復的試模、修模才能投入生產，很少有一次成功的，發現問題后，不僅要重新調整工藝參數，甚至要修改塑料制品和模具，不但費時費力，而且降低了產品的開發速度。而利用注塑模CAE技術可以在模具制造前，模擬注塑過程（包括充填、保壓及冷卻）并及早發現問題，優化模具設計和工藝條件設定，減少試模次數以提高生產效率，現已成為注塑加工技術的一個重要發展方向。 注塑模CAE技術的歷史 注塑模CAE技術是根據塑料加工流變學和傳熱學的基本理論，建立熔體在模具型腔中的流動、傳熱的物理、數學模型，利用數值計算理論構造其求解方法，利用計算機可視化技術形象、直觀地模擬出實際成型中熔體的動態填充、冷卻過程的一門分析技術。 20世紀60年代，英國、美國和加拿大等國的學者如J.R.Pearson(英)、J.F.Stevenson（美）、M.R.Kamal(加)和K.K.Wang(美)等開展了一系列有關塑料熔體在模具型腔內流動與冷卻的基礎研究。在合理的簡化基礎上，60年代完成了一維流動與冷卻分析程序，70年代完成了二維冷卻分析程序，80年代注塑模CAE技術開始從理論研究進入實用化階段，開展了三維流動與冷卻分析并把研究擴展到保壓、纖維分子取向以及翹曲預測等領域。進入90年代后開展了流動、保壓、冷卻和應力分析等注塑工藝全過程的集成化研究。 CAE技術的出現，為注塑模設計提供了可靠的保證，它的應用是模具設計史上的一次重大變革。 注塑模CAE技術的作用 圖1和圖2 給出了利用傳統方法設計注塑模具和利用注塑模CAE 技術設計模具的特點和差異。從中可以看出利用傳統方法設計注塑模具，設計成功與否將很大程度上依賴設計者的經驗，而且對復雜零件澆口位置的合理與否，排氣槽位置的設置、熔接線位置的確定等都十分困難。模具在交付使用之前一般需經過反復試模修改，直到得到合格的制品為止，從而不可避免地造成了生產周期的延長，而且一般也難以得到最優的設計方案和工藝參數。而利用注塑模CAE技術設計模具則不然，由于在模具設計構思階段，可利用注塑模CAE 技術進行流動過程模擬，使得通常只有在模具試模階段才能發現的問題，如短射，熔接線或氣孔出現在外觀零件表面等問題得以避免。同時幫助設計人員完成諸如流道系統的平衡設計，排氣槽的設置，合理確定注塑工藝參數等工作，這樣使得通常在必須反復試模修改而確定的模具結構參數和工藝參數在模具設計構思階段得以確定，縮短了模具設計制造周期、提高了模具設計質量。 所以注塑模CAE軟件的作用主要表現為： （1）優化塑料制品設計 塑料的壁厚、澆口的數量及位置、流道系統的設計等對于塑料制品的質量有重大影響。以往全憑設計者的經驗，用手工方法實現，費時費力，而利用CAE技術，可快速設計出最佳的制品。 （2）優化塑料模具設計 可以對型腔尺寸、澆口位置及數量、流道尺寸和冷卻系統等進行優化設計。在計算機上模擬試模、修模和提高模具質量，減少實際試模次數。 （3）優化注射工藝參數 對注射過程進行模擬，發現可能出現的成型缺陷，確定最佳的注射壓力、鎖模力、模具溫度、熔體溫度、注射時間和冷卻時間等。 由此可見，注塑模CAE技術無論在提高生產率、縮短模具設計制造周期和保證產品質量，還是在降低成本、減輕勞動強度等方面，都具有很大的優越性和重大的技術經濟意義。 注塑模CAE軟件種類及其簡介 到目前為止，成熟的商業注塑模CAE軟件比較多，Moldflow公司的Moldflow軟件和AC-Tech公司（2000年2月，被Moldflow公司合并）的C-Mold軟件是其中的優秀代表；另外還有國外的TMCONCEPT、CADMold、Fidap、Stirm100、Polyflow和我國臺灣地區的Moldex等軟件應用也比較廣；而國內在“八五”期間才開始這方面的研究，現在華中理工大學的HSCAE軟件和鄭州大學的Z-Mold軟件在國內處于領先地位。 Moldflow軟件是專業從事注塑成型CAE軟件和咨詢的Moldflow公司的系列產品，該公司自1976年發行了世界上第一套注塑模CAE軟件以來，一直主導注塑模CAE軟件市場。至2004年，Moldflow軟件在全球注塑模CAE市場的占有率達75%。 MoldFlow軟件包括三部分：MoldFlow Plastics Advisers（產品優化顧問，MPA）、 MoldFlow Plastics Insisht（注塑成型模擬分析，MPI）和 MoldFlow Plastics Xpert（注塑成型過程控制專家，MPX）。 一般情況下，最常用MPI，主要用來對注塑過程進行模擬，從而得到最佳的澆口數量與位置，合理的流道系統與冷卻系統，并對型腔尺寸、澆口尺寸、流道尺寸和冷卻系統尺寸進行優化，并且還可對注塑工藝參數進行優化。 Moldflow軟件的模流分析技術可以分為三種，即Midplane、Fusion和3D[2-3]。 Moldflow的Midplane分析技術 Midplane（中面流）的應用始于20世紀80年代。其網格是三節點的三角形單元，其原理是將3D幾何模型簡化成中性面幾何模型（即將網格創建在模型壁厚的中間處），利用所建立的中性面進行模擬分析，即以平面流動來仿真三維實體流動。此分析技術發展至今已相當成熟穩定，其優點為分析速度快、效率高。其模擬過程如圖3所示。 基于中面流技術的注塑流動模擬軟件應用的時間最長、范圍也最廣。但是實踐表明，基于中面流技術的模擬軟件在應用中具有很大的局限性，具體表現為： (1) 用戶必須構造出中面模型。采用手工操作直接由實體模型構造中面模型十分困難，往往需要花費大量的時間，而且不能從其他CAD模型轉換。 (2) 無法描述一些三維特征。如不能描述慣性效應、重力效應對熔體流動的影響，不能預測噴射現象、熔體前沿的泉涌現象等。 (3) 由于CAD階段使用的產品模型和CAE階段使用的分析模型不統一，使二次建模不可避免，CAD與CAE系統的集成也無法實現。 Moldflow的Fusion分析技術 Fusion（雙面流）分析技術是基于Moldflow的獨家專利Dual Domain的分析技術。2000年推出的Fusion分析技術，使得用戶不需要抽取中性面就可以進行分析，克服了幾何模型的重建問題，大大減輕了用戶建模的負擔。網格也是三角形單元，而其原理是將模具型腔或制品在厚度方向上分成兩部分，有限元網格在型腔或制品的表面產生。在流動過程中，上、下兩表面的塑料熔體同時并且協調地流動，其模擬過程如圖4所示。 顯然，Fusion技術的表面網格是基于中性面的，仍無法解決中性面的根本問題，所以雙面流技術所應用的原理和方法與中面流所應用的沒有本質上的差別，所不同的是雙面流采用了一系列相關的算法，將沿中面流動的單股熔體演變為沿上、下表面協調流動的雙股流。 雙面流技術的最大優點是模型的準備時間大大縮短，這樣就大大減輕了用戶建模的負擔，將原來需要幾小時甚至幾天的建模工作縮短為幾分鐘。因此，基于雙面流技術的模擬軟件問世時間雖然只有短短數年，但在全世界卻擁有了龐大的用戶群，得到了廣大用戶的支持和好評。 但是雙面流技術有以下不足： (1) 由于雙面流技術沒有從根本上解決中性面的問題，所以還是無法描述某些三維特征，如不能描述慣性效應、重力效應對熔體流動的影響，不能預測噴射現象、熔體前沿的泉涌現象等。 (2) 上、下對應表面的熔體流動前沿存在差別。由于上、下表面的網格無法一一對應，而且網格形狀、方位與大小也不可能完全對稱，所以如何將上、下對應表面的熔體流動前沿的差別控制在所允許的范圍內是實施雙面流技術的難點。 (3) 熔體僅沿著上、下表面流動，在厚度方向上未作任何處理，缺乏真實感。 Moldflow的3D分析技術 以上兩種技術都忽略了厚度方向的物理量，只是二維的模擬，因而結果不是十分精確。Moldflow公司的3D（三維）分析技術采用了真三維實體模流分析技術，經過嚴謹的理論推導與反復的驗證，將慣性效應、非恒溫流體等因素考慮到有限元分析中，熔體厚度方向的物理量變化不再被忽略，能夠更全面地描述填充過程的流動現象，使分析結果更能接近現實狀況，適用于所有塑件制品。其立體網格是由四節點的四面體單元組成。并采用全新的3D立體顯示技術，可快速清楚地顯示出模型內、外部的流動場、溫度場、應力場和速度場等分析結果。對于上述分析結果也可利用等位線或等位面方式顯示，讓實體模型內、外部各變量的變化情形顯示更清楚，Moldfiow還提供動畫的功能，透過3D動畫的方式顯示塑料熔體在型腔中的流動變化，讓用戶更直觀地看清設計與制造過程中可能遇到的問題。 但是3D技術的網格劃分要求很高，控制方程更加復雜，計算量大、時間長，計算效率低，不適合開發周期短并需要通過CAE進行反復修改驗證的注塑模設計。因此，目前該技術普及率不是很高，不過它最終必將取代中面流技術和雙面流技術。 注塑模發展趨勢 注塑模CAE技術不論從理論上還是在應用上都取得了長足的進步，但在以下幾個方面仍有待于進一步完善和發展[4-5]： （1）數學模型、數值算法逐步完善 注塑模CAE技術的實用性，取決于數學模型的準確性及數值算法的精確性。目前的商品化模擬軟件模型沒有完全考慮物理量在厚度方向上的影響，為了進一步提高軟件的分析精度和使用范圍，必須進一步完善目前的數學模型和算法。 （2）注塑成型全過程模擬 目前，注塑成型模擬軟件主要有填充、流動、保壓、冷卻、應力應變和翹曲分析等模塊，各模塊的開發是基于各自獨立的數學模型，這些模型在很大程度上進行了簡化，忽略了相互之間的影響。但是，從注塑成型工藝過程來看，塑料熔體的填充、流動、保壓和冷卻是交織在一起并相互影響的，因此，填充、流動、保壓和冷卻分析模塊必須有機地結合起來，進行耦合分析，才能綜合反映注塑成型的真實情況。 （3）優化理論及算法，使CAE技術“主動”地優化設計 將人工智能技術，如專家系統和神經