平衡好工业设计和产品需求是设计师一直在努力探寻的道路,亦如精诚品牌slogan“创您所想”所遵循的理念:通过寻求现代工业设计以及精密加工方式,创造出高度贴合客户实际使用要求的产品。本期精诚将与行业伙伴一同探讨有限元分析在优化模头设计中的实际运用。
通过工程师的积极探索,以及流道模拟分析、有限元分析技术的成熟运用,精诚深刻感受到计算机模拟分析的重要性,为此精诚针对流道、模头的模块化结构,包括热变型、钢性变型做了更细化的研究。
衡量模头好坏的几项标准
1.合理的结构;
2.出料的均匀性;
3.产品的使用寿命;
4.表面处理效果;
5.能耗的控制;
6.加工精度;
7.钢材的质量等;
模头的结构设计将影响到模头的加工参数、压力问题、变型量、精度等,从而进一步影响到漏料、波动以及制品的厚薄均匀性、产品稳定性等等。
什么是有限元分析?
有限元分析因其独特优势,在飞机结构设计、桥梁承载、汽车及模具设计等工程研发领域无可替代,不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析技术。是利用数学求近似值的方法,对真实的物理系统(如几何、载荷工况)进行模拟,用较简单的问题代替复杂问题后再求解。即通过区域单元分割,对每一个单元假定一个合适的近似解,然后推导求解这个域总的满足条件。下面引述针对有限元分析对三层模内复合模头进行优化设计的过程。
首先用SIEMENS NX10建立三维模型
NX,是由西门子UGS PLM软件开发,集CAD/CAE/CAM于一体的数字化产品开发系统。利用独特的三维精确描述技术和功能强大的新设计工具重新定义了CAD 生产效率,可提高工作效率、加快设计流程、降低成本并改善决策过程。
然后使用NX CAE(NX CAE 是一个用于执行结构、热学、流体、运动、多学科和优化分析的现代仿真环境)对三维模型部件进行网格划分。
用哲学的方法论就是先局部再整体,最后得到全局的特征。一般情况而言,单元划分越细,则描述变形情况越精准,越接近实际变形,当然计算量也越大。如果划分单元数目非常多,而又合理,则所获得的结果就与实际情况相符合。
综合边界条件导入分析
早期的有限元分析主要关注某个专业领域,如应力和疲劳,但是物理现象都不是单独存在的。例如只要运动就会产生热、而热反过来又会影响一些材料属性,如电导率、化学反应速率、流体的压力粘性等等。
考虑到模头的加工过程及客户需求,我们必须从钢材原料属性、塑料原料的性能、流体力学、机械原理等等综合学科的知识进行产品开发设计。本文针对三层模内复合模头的设计,边界条件如下:
1.添加螺栓预紧力
2.添加边界约束条件
3.对每一层原料的复合比例,工艺温度、压力、滞留时间等等进行精确的计算。
计算条件与结果导入
总产量2280kg/h 比例20%-60%-20%
中间层 60%---计算条件: 产量1368kg/h 设定模头温度230℃
电晕层 20%---计算条件: 产量456kg/h 设定模头温度230℃
热封层 20%---计算条件: 产量456kg/h 设定模头温度230℃
NX Nastran 可用作独立的解算器,也可集成到 NX CAE 中,是可保证计算性能、准确性、可靠性和可扩展性的主要有限元分析 (FEA) 解算器。 NX 10 仿真解决方案在 NX CAE 和 NX Nastran 中引入了全新功能和增强功能,帮助快速解算最为复杂的问题。
在NX CAE高级仿真模块中导入模头每一层的温度及计算出来压力的结果
结论
通过系统的模拟仿真,如相对精准的工艺参数数据导入,针对由于模头设计不合理导致生产过程中不稳定,及时调整设计方案。通过调整模体外型角度/厚度/螺栓大小,最后得出结论变形量在设计数值的5%以内,符合使用的要求。
随着功能的进一步挖掘,有限元虚拟造型设计将逐步取代传统模头设计的经验主义,真正做到合理数据分析,真正做到有据可查。虚拟设计将进一步取代传统开机、试机、修模等冗长的过程,以及昂贵的试错成本。
以一颗质朴心,将好产品落地
工业设计不是一蹴而就的事情,在20年设计经验的沉淀下,结合计算机分析技术,精诚进行了无数次的修正,针对设计不足的地方,运用分析软件不断分析优化。而今天正确的设计,那是不是就完美无缺了?技术无止境是每一个设计人员内心的标准答案,为此精诚技术工程师做了更多细致的工作,在正确设计的基础上,追踪客户生产过程中的数据反馈,继续优化细节,达成更精确的使用效果。同此同时,精诚也非常乐于跟行业伙伴共同探讨和分享自身的技术和想法,改变过去的错误认知,以一颗最质朴的匠心,把好产品落地。