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手机壳CAE可模塑性分析和优化设计

作者：上海交通大学张涛郭志英

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手机壳体的结构强度和外观质量是手机的重要的考核部分。CAE模流分析不仅可以在手机壳体的设计过程中预测可能出现的缺陷，直观地反映出产品设计模型上不合理的结构，而且可以通过模拟，优化手机壳体的结构强度，提高整机的可靠性。本文主要从以下几方面来对手机壳体进行优化：浇口的位置优化分析；流动、填充、翘曲分析；实验设计优化DOE(Design of Experiments)分析。

为了能预测和模型化描述在注塑成型中存在的复杂聚合物流动，必须了解CAE技术的核心数学物理模型及其由此带来的求解难度、局限性。目前，尚无确切反映非牛顿塑料熔体本质的流变学公式，但可以用一些简化模型来表示。

常用的粘度公式有幂律模型、二次幂律模型、Ellis模型、Bird-Carreau模型、Cross粘度模型五种形式。幂律模型可以描述高剪切速率下熔体的流变行为, 但无法描述低剪切时的熔体粘度, 特别是零剪切速率时的流变行为, 尽管如此, 在充模流动分析中仍被广泛采用, 原因在于充模阶段熔体通常有较高的剪切速率。二次幂律模型在一般情况下能较好地反映成型的流变行为，但过多的材料常数单凭流变学实验数据往往无法得到。Eills模型在较低的低剪切速率下，可以预测零剪切粘度；在较高的剪切速率时接近于幂律行为。最为流行和被广泛用于流动分析的是Cross粘度模型，Cross粘度模型不仅能描述高剪切速率时的幂律模型流变行为，而且可以描述接近零剪切速率时的流变行为。

Moldflow模流分析软件

注塑CAE软件的功能模块主要有流动、保压、冷却、翘曲、DOE等部分，各个功能模块有一定的关联性。CAE 各功能模块的应用，可以以最少成本，最短时间，最实际可行的方案优化目标。但是，由于所用的原理有差异，各个模块在使用时有一定的区别。

根据注塑CAE软件各功能模块的特点及课题的研究方向，采用Moldflow软件，首先分析优化浇口位置，确定浇口数量，然后对塑件进行流动和翘曲分析，在设计阶段，评估设计方案的可行性与成型性，作为修改设计与产品壁厚分布的参考，避免潜在成型问题，如短射（欠充填）及气穴，评估不同设计参数变更对产品成型的影响，以进行必要的设计变更及优化。最后利用Moldflow软件的实验设计优化模块DOE(Design of Experiments)，以制件壁厚、熔体温度和模具温度为实验参数, 确定出各个实验参数对实验目标的影响度大小，调节实验目标影响最大的实验参数取得更好的实验结果，获得各个实验参数最佳水平组合。

可模塑性分析

主要研究注塑件的几何尺寸和成型工艺对最终产品质量的影响，借助计算机辅助工程模拟流动分析软件Moldflow，在综合分析的基础上对塑料件几何尺寸和成型工艺进行优化，从而在设计阶段有效地解决可能出现的质量问题。

◆ 浇口位置分析优化

选用GE Lexan EXL 1414 (PC)作为分析材料，Pro/E作为建模软件，Moldflow作为模拟分析软件。分析目标为手机前壳，壳体平均设计壁厚为1mm。网格化后的模型如下图1：

图1：网格化手机模型图2：最佳浇口位置范围图

优化结果如下：

图2表示最佳浇口位置图。从优化结果可以看出最佳浇口位置在LCD窗口左右。

根据优化结果和产品结构尺寸，采用两个浇口进胶，进胶位置如图3所示。

图3：浇口位置图图4：流动前沿温度图

◆ 充填分析

采用Moldflow默认浇注系统和注塑工艺设置，对模型进行流动分析，结果如下：

图4表示流动前沿的温度分布情况。从图中可以看出流动前沿的温度分布比较均匀，但是在图中的圆圈标示处，温度较低，浇口位置和大小还需要进行微调。

图5表示了分子定向情况，表面分子定向值是2，核心分子定向值为1。

图5：分子定向

图6表示了熔接痕的分布情况。可以看出，在图中圆圈标示处存在因熔接痕集中分布而使强度降低的危险截面。

图6：熔接痕分布图

从充填分析结果可以看出，采用两个浇口后流动是平衡的，没有出现短射等成型问题，同时注塑压力、锁模力也较低，降低了制件生产对注塑机的参数要求，但是，熔接痕分布不太理想，一些关键部位出现的熔接痕会削弱产品强度。

◆ 翘曲分析

采用Moldflow默认浇注系统和注塑工艺设置，对模型进行翘曲分析，结果如下：X向最大翘曲值为0.16毫米；Y向最大翘曲值为0.2毫米；Z向最大翘曲值为0.2毫米。

从翘曲分析结果可以看出，Y向和Z向翘曲较大，这是由于大的LCD窗口使料只能沿两条狭长区域流动造成的。

分析流动和翘曲结果，制品设计和模具需要进行以下几点变更：

1. 从熔接痕分布图可知，在制品LCD窗口右上角和左下角，存在危险区域。在产品设计和模具设计时，修改产品局部壁厚并调节浇口位置，使熔接痕分布于非危险截面，提高产品强度和外观质量。

2. 翘曲分析结果中，Y向和Z向翘曲较大，在模具设计时，调节冷却系统，使制品均匀收缩。

3. 增加LCD窗口左右壁处的加强筋数量，使熔体在此处的流动加强，这样不仅能使流动前沿的温度更加均匀，熔接痕分布更加合理，而且减少因收缩不均匀在LCD窗口左右壁处产生的翘曲量。

◆ DOE(Fill)和DOE(Flow)分析优化

Moldflow中的DOE提供了两种实验设计方法：Taguchi和Factorial实验设计。Taguchi方法通过运行数目较少的一组优化实验，确定出对实验目标的影响最大的实验参数。Factorial方法运行的实验数目要大于Taguchi方法中运行的实验，它用以确定实验参数的最佳实验水平组合。

本课题首先使用Taguchi方法确定出对实验目标的影响最大的实验参数，然后使用Factorial方法确定实验参数的最佳实验水平组合，分别对Fill 和Flow进行优化。

DOE(Fill)和DOE（Flow）的优化目标为确定手机壳体的最佳壁厚，保证设计的强度和经济性，提高设计质量。设计变量为注射时间（Injection time）、膨胀/压缩注射情况（Expand/compress injection profile）、增厚（Thickness multiplier）。设计变量的值如下表：

因为优化目标是确定手机壳体的最佳壁厚，所以设定“注射时间”和“膨胀/压缩注射情况”为自动，增厚值为在40%范围内变化。优化的结果如下：

当壁厚为1.15毫米左右时，流动前沿温度值最高，熔体流动性最好。壁厚大于或小于1.15毫米时，流动前沿的温度值都低于1.15毫米左右时流动前沿的温度值。当壁厚为1.3毫米左右时，体积收缩变量最小，当壁厚大于或小于1.3毫米左右时，体积收缩变量都增大。这表示当壁厚为1.3毫米左右时，产品的收缩最均匀。当壁厚为1.2毫米左右时，收缩指数最大。当壁厚为0.95毫米左右时，剪切应力最大，当壁厚大于0.95毫米后，剪切应力逐渐减小。
由分析优化结果可以看出制件的平均壁厚为1.25mm时，流动前沿温度、体积收缩变量、收缩指数以及剪切应力得到最佳水平。所以制件的最优壁厚为1.25mm。同传统的实验方法相比，DOE不仅节省了时间和精力，而且利用最少的实验获得覆盖面非常广泛的实验结果，得到了产生最佳效果的实验参数组合。

结论：计算机辅助技术已经成为现代设计方法的主要手段和工具，而其中的CAE技术又成为现代设计流程的核心。文章针对手机产品的特点，研究了将浇口位置分析、充填分析、翘曲分析和DOE分析优化（实验设计分析）相结合的优化设计方法，在设计前期避免将来成型时产品可能出现的缺陷，利用Moldflow的DOE技术，优化了制件的结构和平均壁厚，在保证制件性能和功能的前提下，节省了材料，从而提高了产品设计的质量和效率。

原载《国际塑料商情》(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/4/2006)


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