维普资讯 http://www.cqvip.com Ｖ０ｌ ｌ９ Ｎｏ ２ 机械研究与应用 第ｌ９卷第２期 ２ｏ０６．‘】４ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＡＰＰＵＣＡＴＩＯＮ ２ＯＯ６年４月 运用ＡＮＳＹＳ软件进行注塑模垫板的设计 张怡典’，周红雨 ，奚泉 （１．九江职业技术学院。江西九江３３２００７；２．西南石油学院，四川成都６１０５００） 摘要：以ＡＮＳＹＳ软件为基础。论述如何高效地利用有限元分析解决注塑模型腔结构的设计；以注塑模垫板的设计为例详细阐述，并 与传统力学分析对比，为注塑模具的型腔设计提供了一种新方法。 关键词：注射模；有限元；垫板；节点；单元 中圈分类号：ＴＢ２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—４４１４（２００６）０２—０１０８—０２ Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ｂａｃｋｉｎｇ ｐｌａｔｅ ｏｆ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄⅥ ｔｈ ＡＮＳＹＳ Ｚｈａｎｇ Ｙｉ—ｄｉａｎ ．Ｚｈｏｕ Ｈｏｎｇ—ｙ１Ｊ ．Ｘｉ Ｑｕａｎ 【１．Ｊｉｕｊｉａｎｓ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆｖｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｕ］ｉａｎ￥Ｊｉａｎｇｘｉ ３３２００７，Ｃｈｉｎａ； ２． ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ ｐｅｔｗｌ ｃｏｌｌｅｇｅ－Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｓｉｃｈｕａｎ ６１０５００。Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ－ｔｈｊ８ ｐａｐｅｒ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ ｈｏｗ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄ ｃａｖｉｔｙ ｗｉｔｈ ｉｆｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌ－ ｙｓｉｓ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ。ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｏ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ。ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｂａｃｋｉｎｇ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄ ｃａｖｉｙｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄ；ＦＥＡ；ｂａｃｋｉｎｇ ｐｌａｔｅ：ｎｏｄｅ：ｅｌｅｍｅｎｔ １引 言 下面从有限元的角度分析，并将分析结果和用传统力学分析 注塑模具中型腔部分的设计是关键，而型腔侧壁、底板、 得出的结论进行对比。 垫板的厚度设计又是型腔设计的重点。通常型腔尺寸的取值 直接影响产品的精度和模具的使用寿命。一般来说，此类设 计主要是进行力学设计，重点从模腔不发生溢料和保证塑件 尺寸精度等因素考虑，常用刚度、强度等理论校核。如组合式 矩形型腔垫板，通常此类垫板是中部悬空两端由模脚支撑，以 承受模腔内塑料熔体压力所形成的推力。若垫板刚度不足， 可引起制件高度方向尺寸超差，或在分型面上引起溢料，形成 “飞边”。遇到该情况经常是因最大挠曲变形发生在板的中 图１ 矩形型腔垫板受力示意图 图２塑料制件 心，需建立受集中载荷的简支梁模型，校核最大变形是否对模 具制件产生影响。但这种传统的力学分析也有缺点，不能掌 ２．１建立有限元模型 握板料的局部变形情况，对于应力、变形、力等数据需反复校． （１）首先创建几何模型，ＡＮＳＹＳ软件中建模有白底向上 核，比较繁琐。 建模和自顶向下建模２种方式。本例采用白顶向下的建模方 ２应用ＡＮＳＹＳ软件进行设计 式，即从较高级的实体图元构造模型。为研究方便，取垫板的 一随着计算机技术的发展，很多软件都具有对此类问题的 半作为对象，先建立一些基本体索，再利用布尔运算生成实 分析求解功能。下面介绍如何运用ＡＮＳＹＳ软件设计型腔垫 体模型。为下一步约束、加载荷的方便，可先将载荷面、约束 板。ＡＮＳＹＳ是一个功能强大灵活的设计、分析及优化大型通 面所在的“体”分别生成，再进行相加运算。命令①是建立 用有限元软件包，具有前后处理、分析求解及现场分析的统一 “体”，⑦是将建立的“体”进行相加得出需要板料的整个实体 数据库，它融结构、热、流体、电磁、声学于一体，其中结构分析 模型。 是ＡＮＳＹＳ最普通的应用领域，可用来求解外载荷引起的位 ＧＵＩ：Ｍａｉｎ ｍｅｎｕ／Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ／Ｃｒｅａｔｅ／Ｖｏｌｕｍｅｓ／Ｂｌｏｃｋ／Ｂｙ 移、应力和力。下面以具体例子说明。成型材料为ＡＢＳ的壳 ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ① 形塑件，模具示意图如图ｌ所示，尺寸如图２，成型压力Ｐ＝ ＧＵＩ：Ｍａｉｎ ｍｅｎｕ／Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ／Ｏｐｅｒａｔｅ／Ｂｏｏｌｅａｎｓ／Ａｄｄ（Ｓｕｂ－ ４０ＭＰａ，模具材料为４５钢，￡为粱跨度，ｆｌ、Ｚ：分别是模芯的长 ｔｒａｃｔ）／Ｖｏｌｕｍｅｓ ② 度和宽度，此处即为制件的投影面积的长度和宽度，这里取￡ （２）有限元的主要要素是节点、单元、实常数、材料属性、 ＝１２，￡。、 分别是垫板的长度和宽度，Ｈ是垫板厚度，要求设 边界条件和载荷。建立实体模型接着定义材料属性，取“Ｓｏ１． 计垫板厚度并校核。设计垫板厚度关键是保证不溢料，根据 ｉｄ，＇ｌｅｔ ｌＯｎｏｄｅ ９２”，即３维十节点四面体单元，输入弹性模量 经验不产生溢料的情况一般是最大变形量６不超过０．０５ｍｍ。 ２．Ｏｅ“ＧＰａ，泊松比０．３，取侧壁厚度为２０ｒａｍ（可用侧壁厚度计 算公式取值，具体见参考文献［１］１６６页“成型型腔壁厚的计 收稿日期：２００５—１２—２９ 作者简介：张怡典（１９７２一），女。讲师，在读硕士，从事机械设计的教学工作。 ・１０８・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第ｌ９卷第２期 机械研究与应用 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＡＰＰＵＣＡＴＩＯＮ Ｖ０ｌ １９ Ｎｏ ２ ２ｏｏ６．Ｏ４ ２００６年４月 算”一节），最终垫板尺寸为１０５ｍｍ ｘ １６０ｍｍ ｘ １５ｍｍ。命令 ③，④分别是编辑单元类型和材料属性，命令⑤是网格划分， 该处单元最小尺寸取５ｍｍ。最终获得的节点数为１５８７９，单 不仅同一副模具，而且相类似的模具都可直接运行程序，得到 详细的数据及图形资料。具体应用过程可查阅参考文献。 ＡＰＤＬ程序可在记事本中写好，直接输入ＡＮＳＹＳ界面的命令 输人窗１：３，然后运行得出结果。图５是厚度取２０ｍｍ时垫板 变形云图和应力云图，划分的节点数为１９６３１，单元数为 １２７２５ 元数为１００５９，建立有限元模型。 ＧＵＩ：Ｍａｌｎ Ｔｙｐｅ ③ ④ ＧＵＩ：Ｍａｉｎ ｍｅｎｕ／Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ／Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐｒｏｐｓ／Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｍｏｄｅｌｓ ＧＵＩ：Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ／Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ／Ｍｅｓｈｌｎｇ／Ｓｉｚｅ Ｃｎｔｒｌｓ／Ｍａｎｕ－ ａｌｓｉｚｅ ⑤ ２．２施加载荷求解 首先建立约束，将垫板和和模脚接触的面积部分作为约 束，然后施加载荷４０ＭＰａ，再求解。命令⑥，⑦分别是施加约 束及载荷，命令⑧是将所有的约束及载荷转化到有限元节点 和单元上，因为最终的约束、载荷是作用于有限元模型而不是 实体模型。 ＧＵＩ：Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ／Ｓｏｌｕｔｉｏｎ／Ｌｏａｄ—Ａｐｐｌｙ／一Ｓｔ：＇．ｕｃｔｕｒａｌ— Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ⑥ ＧＵＩ：Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ／Ｓｏｌｕｔｉｏｎ／Ｌｏａｄ—Ａｐｐｌｙ／一Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ— Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ⑦ ＣＵＩ：Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ／Ｓｏｌｕｔｉｏｎ／Ｌｏａｄ—Ｏｐｅｒａｔｅ／Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏ ＦＥ ⑧ ２．３后处理部分 该模块可通过友好界面获得求解过程的计算结果，并对 这些结果进行运算，输出形式有图形和数据列表两种形式。 命令⑨是变形云图，命令①是应力云图。 ＧＵＩ：Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ／Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｏｓｔｐｒ￣／Ｐｌｏｔ Ｒｅｓｕｌｔ／ｓＤｅｆｏｒｍｅｄ Ｓｈａｐｅ ⑨ ＧＵＩ：Ｍａｉｎ Ｍｅｎｕ／Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｏｓｔｐｒｏｕ／Ｐｌｏｔ Ｒｅｓｕｌｔｓ／Ｃｏｎｔｏｕｒ Ｐｌｏｔ ④ 图３ Ｈ＝１５ｍｍ时的位移变形云图和Ｖｏｎｍｈｅｓ应力云图 由图３（ａ）看出。垫板中间变形最大，图３（ｂ）表明模板中 部与模脚接触内侧应力也最大（该处取Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力），和 用简支粱理论分析结果一致。应力最大值为６３７ＭＰａ。最大变 形量为０．０８９ｍｍ。超出０．０５ｍｍ，可能会产生“飞边”。应重新 设计。 再次设计时可以考虑运用参数化设计，因为此类设计只 需变动垫板厚度，其它过程完全一样。ＡＮＳＹＳ提供一种ＡＰ－ ＤＬ参数化设计语言，它可自动完成一些通用性较强的任务， 只需改变几个参数，就可生成一个新的模型，并进行求解 Ｊ。 （ 函 （ｈ） 图５ Ｈ＝２０ｍｍ时的位移变形云图和Ｖｏｎｍｉｓｅｓ应力云图 可以得出结果，当日＝２０ｍｍ时，最大应力为４４４ＭＰａ（该 处取Ｙｏｎ Ｍｉｓｓｅ应力），比上次设计最大应力值大幅降低，最大 变形为０．０５４ｍｍ。而根据力学方法用简支梁理论得出最大变 形量计算公式 】６＝蠹 ，式中：Ｑ＝ｐｆｌｆ２，，＝ ，Ｅ是弹性 模量２・０ ｅ“ＧＰａ，，是惯性矩，强度校核公式Ⅲ 一＝３而ｐｔｔＬ－。 这样计算结果为８＝０．０５２ｍｍ，有限元分析结果和计算结果非 常接近。这样的设计表明适当加厚垫板是防止溢料的一个有 效措施。为安全起见，可考虑在两模脚间加上支撑块，既方便 实用又可避免因加厚垫板而引起模具笨重，同时浪费材料。 可以看出，应用有限元分析不仅可以精确获得整块垫板的变 形、应力、力的结果，而且运用ｌｉｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ等命令可以获得模板 各点的详细情况。这是传统力学分析所不能达到的。同样的 分析可推广到型腔设计中，侧壁、底板等零件的设计也可采用 相似的方法设计。 ３结论 （１）对矩形型腔注塑模垫板的有限元分析表明，模板承 载区域主要集中在板的中心，此位置变形最大，应力最大部分 集中在垫板和模脚接触的内侧。为避免应力过于集中于内侧 和中部变形最大，可考虑适当增加板厚和中问支撑柱。同样， 此类分析可用于型腔侧壁、底板结构设计等。 （２）采用有限元分析，与传统的力学分析相比。提高了设 计质量，节省了时间，为进一步改进模具结构设计、分析受力 情况提供依据 参考文献： ［１］ 黄虹．塑料成型加工与横具［Ｍ］．北京：化学工业出版社， ２０ｏ３． ［２］东方人华．ＡＮＳＹＳ７．０入门与提高［Ｍ］．北京：清华大学出版社， ２００４． ［３］唐志玉．大型注塑模具设计技术原理与应用［Ｍ］．北京：化学工 业出版社．２００４． ・ｌＯ９・
