注塑模充模过程的数值分析

利用非等温、粘性广义Hele－Shaw流动理论,建立了三维薄壁型腔塑料熔体充填过程的数学模型．耦合利用有限元／有限差分法数值求解压力和能量方程,实现充模过程的动态模拟．     

注塑模保压过程的数值分析

基于对注塑成型保压过程的机理研究,本文利用黏性、可压缩非牛顿流体基本方程,得到了注塑模保压过程分析的控制方程,采用数值方法实现了对保压过程的数值模拟,并通过实例说明如何利用数值模拟为优化注塑模成型加工提供科学的理论根据.     

注塑成型充填／后充填过程统一的可压缩流动分析

注塑成型是重要的塑料成型工艺,成型过程中熔体在模腔中的流动和传热对最终制品的性能和质量有重要的影响,因此,精确预测注塑过程的流动及传热历史,并进一步预测注塑制品的收缩、翘曲和机械性能等性能和质量指标具有重要意义。为了精确地描述成型过程中材料的流动及传热行为,本文针对注塑成型过程的工艺特点,将充填后充填过程作为一个统一的过程,考虑材料可压缩性及相变对充填和后充填过程的影响,建立了充填后充填过程的统一数学模型。采用有限元/有限差分/控制体积混合数值方法,实现了注塑成型充填后充填一体化模拟。数值模拟结果与实验结果的对比,验证了本文模型和算法。     

铸造充型流动过程的三维数值模拟

本文以ＳＯＬＡ－ＶＯＦ方法为基础,结合作者提出的三维自由表面边界速度确定方法,实现了铸造充型流动过程的三维数值模拟,模拟结果准确地提供了液体金属在充型过程中的流动形态、充型时间、流量等实用的参数．这表明,通过数值计算的手段,对用实验方法难以观测的铸造充型流动过程进行分析研究是有意义可行的,所得到的参数有助于铸造工艺的设计及优化     

变形-损伤耦合的起塑性恒压轴对称充模胀形的有限元模拟

采用大变形刚粘塑性有限元法模拟超塑性恒压轴对称充模胀形过程、分析了模具几何参数及材料参数对胀形过程中材料的流变行为、胀形制许厚度分布和成形时间的影响规律。给出了质点的流动轨迹、不同时刻制件的剖面形状及应力、应变分布；基于修正的Gurson粘塑性势推导了内部空洞体积分数累积增大模型并据此进行了变形-损伤耦合计算．     

非牛顿流体注射充模过程的谱分析与二维模拟

为计算热塑性材料在薄的中心开口的圆盘注射充模过程的温度场，速度场和压力场，利用切比雪夫配置法和快速富立叶变换，提出了快速收敛和稳定的计算模型，计算结果和实验结果非常吻合，本文考虑了熔体的非牛顿性和过程的非等温性、非定常性以及计算区域的非定常性，对充模过程各时刻都进行了数值分析；对于时间方向的积分采用Ｃｒａｎｋ－Ｎｉｃｏｌｓｏｎ格式，空间方向的积分采用谱方法［１］。     

超塑性恒压充模胀形过程各力学量场的影响因素及影响规律

采用刚粘塑性有限元法模拟了超塑性恒压充模胀形过程，分析了应变速率敏感性指数ｍ、厚向异性系数Ｒ、初始板厚、界面摩擦等因素对应力、应变和应变速率等力学量场的影响；通过对铝合金ＬＹ１２ＣＺ板料的相应实验对模拟结果进行了验证     

基于流动速度场控制的弯曲管件双凸模挤压过程有限元模拟

采用材料流动速度场控制的方法,在DEFORM-3D有限元商业软件上实现了弯曲管件一次性挤压成形数值模拟.通过模拟,分析了双凸模挤压过程速度场分布、材料流动规律、挤压力、应力场和应变场的分布.采用双凸模结构实施差速挤压和速度控制,通过调节双凸模速度差值,改变弯曲管件的弯曲半径,给出了速度差与弯曲半径的关系曲线.该方法可以从根本上消除传统方法的壁厚不均等质量缺陷,对提高弯曲管件成形加工质量具有指导意义.     

微电子元件制造过程中的应力分析

本文分析了一个典型的微电子元件在创造过程中残余应力的分布和演化．与以往大多数类似的分析工作的不同之处在于，我们并不是对一个已成型的结构再回过头去仅仅分析其温度历史下相应的应力状态，而是追踪了该结构成型过程的各个方面，尤其是由于工艺过程中结构几何形状的变化而引起的应力重分布．采用的方法则是控制某些材料所对应的单元在某一特定的时刻以后才起作用，这种方法对于各种制造过程的分析非常有效．     

挤出平缝口模优化设计

挤出平缝口模通常用于加工膜和片材,对产品厚度的一致性有很高要求。本文给出了结合聚合物成型模拟技术、设计灵敏度分析和数值优化技术的口模形状优化设计方法。以最小压力降为目标函数,口模出口处任意点的速率与出口已知速率相对误差的平方和小于容许误差为约束函数,口模形状参数为优化设计变量,给出了目标函数的表达式,推导了日标函数、约束函数对优化设计变量的灵敏度公式。利用灵敏度分析和基于梯度的优化算法即序列二次规划算法(SQP法)求解最优设计参数。通过算例表明,应用该法进行口模优化设计可以减小压力降和口模出口速率变化率。     

气体辅助注射成型过程动力学分析

基于气体穿透机理和Hele-Shaw流动模型,对管状模腔中气体冲破熔体前沿形成中空制品气辅成型过程进行了研究,推导出反映充模流动压力梯度比、非牛顿幂率指数等影响因素与计算表层熔体厚度比之间关系的数学公式,建立了熔体前沿和气体前沿速度与位移演化关系的数学模型,分别得出了牛顿流体和非牛顿流体选取不同影响参数时熔体前沿和气体前沿速度、位移的演化曲线.模拟结果表明,所建数学模型能较好的反映熔体前沿和气体前沿速度、位移演化关系.在气体冲破熔体前沿以前,气体接近匀加速运动,前沿位移梯度逐渐增加;熔体前沿的速度几乎保持不变,位移随时间接近线性增长.当气体冲破熔体前沿时,熔体和气体前沿的速度和位移均急速上升.     

基于全矢量显式算法注射填充软件的研究与开发

基于前人模拟注射填充的显式算法,提出了一种新的全矢量化运算显式算法。对于各类注射填充的模拟,此算法避免了压力场的全局求解,矩阵操作仅在单元一级进行,通过反馈修正,在各时间增量步使已填充的区域满足不可压缩条件。由于避免了所有的全局耦合求解,计算代价与节点的自由度近似成正比,可实现填充模拟过程的高效运算。由于矢量化算法是完全脱耦的,容易实现并行计算。基于这种新算法,应用有限元法进行了注射填充仿真软件的初步开发。其填充模拟结果与商业软件MOLDFLOW的三维模拟结果比较,证实了该软件的有效性。     

成型充填过程的ALE有限元模拟

在ALE框架中提出了一个用于成型充填过程有限元数值模拟的模型。应用ALE参考构形及ALE参考粒子速度描写充填过程中的熔体质量运动。摒弃了Hele-Shaw近似假定,因而所提出的模型能用于非薄壁型腔中高分子材料充填过程的数值模拟。应用基于时域分步算法的Taylor-Galerkin方法,对控制成型充填过程的守恒方程建立了弱形式。对移动自由面附近的充填材料区构造了网格生成算法与网格重划分方案。给出了在几种不同形状的典型腔体中充填过程的数值模拟结果,表明了所提出的ALE有限元模型模拟充填过程的有效性。     

塑料注射成型保压过程的数值模拟

保压过程是塑料注射成开型一个重要阶段，它直接关系到最终制件的内部结构、尺寸稳定性和变形等，本文在对塑料注射成型保压过程进行深入分析的基础上，基于合理的假设和选用恰当的材料模型，导出了保压过程可压缩、非牛顿粘性流体在模具型腔中非等温流动的控制方程，采用有限元/有限差分混合法实现了对保压过程的模拟，并通过算例讨论了保压压力、浇口凝固时间、锁模力等工程关心的实际问题。     

注塑模冷却系统灵敏度分析方法及应用

本文提出了利用灵敏度数值计算方法进行设计参数选择和修改的注塑模冷却系统设计方法和理论分析数学模型,并开发出了一个处于CAD环境中的冷却系统分析软件,为设计人员优化冷却管道布置、保证模具型腔表面温度分布均匀、减少塑件翘曲变形提供了科学依据和分析手段。     

Parallel three‐dimensional simulation of the injection molding process

This paper describes the development of a parallel three‐dimensional unstructured non‐isothermal flow solver for the simulation of the injection molding process. The numerical model accounts for multiphase flow in which the melt and air regions are considered to be a continuous incompressible fluid with distinct physical properties. This aspect avoids the complex reconstruction of the interface. A collocated finite volume method is employed, which can switch between first‐ and second‐order accuracy in both space and time. The pressure implicit with splitting of operators algorithm is used to compute the transient flow variables and couple velocity and pressure. The temperature equation is solved using a transport equation with convection and diffusion terms. An upwind differencing scheme is used for the discretization of the convection term to enforce a bounded solution. In order to capture the sharp interface, a bounded compressive high‐resolution scheme is employed. Parallelization of the code is achieved using the PETSc framework and a single program multiple data message passing model. Predicted numerical solutions for several example problems are considered. The first case validates the solution algorithm for moderate Reynolds number flows using a structured mesh. The second case employs an unstructured hybrid mesh showing the capability of the solver to describe highly viscous flows closer to realistic injection molding conditions. The final case presents the non‐isothermal filling of a thick cavity using three mesh sizes and up to 80 processors to assess parallel performance. The proposed algorithm is shown to have good accuracy and scalability. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

用迭代法模拟注塑成型的三维流动

Hele-Shaw模型是模拟注塑成型过程的常用模型,它的主要缺点是不能模拟一些重要的物理现象及引入实际制件中并不存在的“中面”概念,为了消除这些不足,本文开发了真三维的流动分析程序。建立了粘性、不可压缩的非牛顿流体流动的控制方程,为了避免同时求解耦合的压力场、速度场,本文引入拟稳定技术独立地求解这些方程,用迭代法求耦合方程的解。这种方法可以减少内存并提高数值方法的稳定性。算例表明数值结果与实验结果吻合较好,这种方法成功地模拟了注塑成型流动过程中的重要特征。     

沟槽表面填充材料对界面摩擦振动噪声的影响

采用机械加工方式,在基体(蠕墨铸铁)表面加工出平行且等间距的沟槽,并在沟槽中分别填满铝材料和锻钢材料,对该填充材料试样和基体试样进行界面摩擦噪声试验,并采用数值模拟方法加以分析,得出界面摩擦振动噪声行为在不同沟槽填充材料下的变化特性,并将不同界面摩擦磨损行为与振动噪声动态关联起来.试验及数值模拟结果表明,在沟槽中填充铝材料加剧界面磨损,增大摩擦系数,并加速系统不稳定振动的产生,增大噪声强度,而在沟槽中填充钢材料能有效延缓界面不稳定振动和摩擦尖叫噪声信号的产生.此外,计算结果表明,界面磨擦磨损行为导致的界面接触非线性特性是产生多频率不稳定振动和噪声的重要因素.