第 1 章：仿真现状

汽车工业和消费电子是两个截然不同的行业，但都高度依赖注塑成型。此外，这两个行业都需要定期更新产品。它们都是并行工程发展的先驱，所谓并行工程，是指从产品概念到制造各环节任务的并行化。无论并行工程的实施程度如何，毫无疑问，仿真是连接设计与制造的宝贵辅助手段。对于注塑成型而言，仿真的价值基于这样一个事实：在设计阶段避免问题，比在生产阶段修复问题更便宜、更快捷。注塑成型仿真，尤其是流动分析，已对工业界产生了重大影响。事实上，权威行业期刊《塑料技术》（Plastics Technology）的编辑们曾提出一份塑料工业五十项最重要创新的清单 [264]。排名第一的是往复螺杆式注塑机，而注塑成型仿真位列第十九。无论人们是否认同编辑们的排名，注塑成型仿真都已成为工业界的杰出助力。

本章将回顾成型工艺、术语和仿真，为本书其余部分提供背景知识。

1.1 注塑成型工艺

注塑成型是一个循环过程。首先，模具闭合，形成注入材料的型腔。随后螺杆像活塞一样向前移动，将其前方的熔融材料推入型腔。这就是注射或充填阶段。充填完成后，对熔体保持压力，保压阶段开始。保压阶段的目的是补入更多材料，以补偿材料在型腔内冷却时产生的收缩。在保压期间的某个时刻，浇口冻结，型腔便与料筒内熔体所施加的压力有效隔离。这标志着冷却阶段的开始，材料在此阶段继续冷却，直到制件具有足够的机械刚度，可以从模具中顶出。在冷却期间，螺杆开始旋转并向后移动。旋转有助于材料的塑化，并在螺杆头部形成新的熔体料量。当成型制件充分固化后，模具打开，制件被顶出。然后模具再次闭合，循环重新开始。

总之，注塑成型工艺可分为以下几个阶段：

合模
注射
保压
冷却
塑化与螺杆后退
顶出

计算机仿真的大部分工作都集中在第 2 至第 4 阶段。塑化建模方面已有显著进展 [162, 163, 173, 245, 261, 352, 387, 408]，但一般而言，在成型仿真中假定熔体以规定的流量或压力以及均匀的温度进入型腔。虽然这种假设可能是合理的，但仿真的最终目标是预测成型材料在成型过程中及成型之后的性能。这需要深入理解半结晶材料的结晶行为。Vleeshouwers 和 Meijer [389] 报告说，剪切对 200°C 下等规聚丙烯结晶的影响，在样品保持于 200°C 的条件下经过 30 分钟后仍然明显。因此，塑化阶段最终可能非常重要。顶出阶段的仿真需要精确的收缩分析以及制件与型芯之间摩擦阻力的复杂边界条件。同样，这些方面已有进展 [118]，但目前尚无仿真能综合所有这些效应。

本书读者应了解成型与仿真行业的基本术语，可参见文献 [31, 333] 中的说明。为完整起见，我们在下面对一些关键概念作简要概述。

1.2 成型术语

为了理解成型工艺，有必要定义一些基本术语。我们所说的”模具”，指的是一套复杂的机电组件。对于某些材料，模具内部可能装有电加热元件。模具中肯定还有某种温度调节系统，由流体通道网络组成。流体可以是水、乙二醇/水混合液或油。这些流体既可用于注射后冷却熔体，也可用于提高模具温度。模具中还可能包含导热性能各异的镶件，甚至是机械驱动的模具部件，用以形成孔洞或特殊结构。

在最简单的情况下，模具由两半组成。其中一半称为定模侧或型腔侧，固定在注塑机上。另一半是动模侧，沿一个方向移动以形成型腔，沿相反方向移动以便顶出制件。

这些概念如图 1.1 所示，图中描绘了一副简单的两腔模具。所谓”两腔”，是指每个循环将生产两个成型件，在本例中为两个半球体。本例中各成型件形状相同，但实际情况未必如此。每个成型件的形状可能各不相同。此外，虽然我们只画了两个型腔，但实际上型腔数量可能多得多。

图 1.1：简单的两腔模具

尽管简单，图 1.1 展示了一些重要术语，特别是模具型芯与型腔的概念。型腔固定在注塑机上，而型芯可在开模时后退。通常，成型件会收缩包紧在型芯上，因此开模时会附着于型芯。制件的顶出通过机械或气动方式完成。

还要注意主流道（sprue），它是注塑机的熔体流入模具的通道。图 1.2 展示了更多术语，即分流道（runner）和浇口（gate）。分流道将熔体从主流道输送至各型腔。在每个型腔入口处有一个称为浇口的区域。浇口的直径通常远小于分流道。它使成型件能够容易地从浇注系统中脱离。必须认识到，注入型腔的熔体性质取决于流经主流道、分流道和浇口的流量。这又会影响成型过程中及成型后型腔内材料的性能。因此，一个全面的仿真应当涵盖整个系统：从注塑机内部及其出口，进入主流道和分流道，穿过浇口，最终进入型腔。虽然一些商业软件声称能做到这一点，但其分析所依据的条件忽略了其中某些方面。

图 1.2：展示分流道和浇口的简单两腔模具

图 1.1 和图 1.2 所示的是所谓的冷流道系统。在实践中，由于成型件才是有价值的产品，主流道和分流道系统会成为废料。不过这些材料可以回收利用。大型模具或多型腔模具采用的另一种方法是使用热流道。

热流道利用加热元件，在熔体注入模具之前将其保持在最佳温度。热流道常用于大型模具，如保险杠或大型面板等大型汽车部件，或多型腔模具，如瓶盖。从仿真的角度看，冷流道与热流道服从相同的物理定律，区别在于控制方程的边界条件不同。

1.3 什么是仿真？

注塑成型仿真涉及使用计算机求解一组方程及其相关边界条件，这些方程和边界条件共同构成成型过程的数学模型。一般来说，如今的仿真会产生大量计算数据，通常以某些特定关注变量的彩色云图形式显示，例如：

充填模式
压力分布
收缩
所研究制件的翘曲

本书不试图解读或讨论这些结果。有兴趣的读者可参考 Shoemaker [333] 和 Beaumont 等人 [31] 提供的背景资料。此外，他们还提供了有关成型工艺和行业实践的信息。

1.4 仿真面临的挑战

虽然上一节对工艺的描述看似直接，但实际上存在诸多复杂因素，即：

注塑成型的本质，特别是该过程的基本物理特性
材料的性能
模具的几何复杂性

下面简要介绍这些因素，作为本书所讨论的仿真相关问题的背景。

1.4.1 过程的基本物理特性

充填阶段的特点是高流速，因而剪切速率很高。在模具充填过程中，熔融材料进入模具，熔体的对流是主要的传热机制。由于注射速度快，还可能因黏性耗散产生热量。黏性耗散取决于材料的黏度和变形速率。

黏性加热在流道系统和浇口处最为明显，因为那里流速最高；但如果流速足够高或材料黏度很大，型腔内也会发生黏性加热。

除了形成待制造制件的形状外，模具还使材料固化。热量通过模具壁以传导方式从熔体中移出，传递到冷却系统。由于这种热量损失，当熔体接触模壁时会形成一层薄薄的固化材料。取决于熔体的局部流速，这层”冷凝层”可能迅速达到平衡厚度，也可能继续增厚，从而限制后续熔体的流动。这对充填模具所需的压力有重大影响，并在收缩与翘曲预测中起重要作用。当型腔在体积上被充满时，充填阶段结束，但注塑机仍保持压力。这就是保压阶段的开始。

由于型腔此时已满，进入型腔的质量流量远小于注射阶段。实际上，进一步的流动是由材料收缩引起的，因此对流和黏性耗散都是次要效应，尽管在局部区域（如浇口处或向较厚区域供料的薄壁区域）它们可能很重要。在保压期间，传导成为主要的传热机制，冷凝层厚度继续增加。在某个时刻，浇口会冻结，从而使型腔与所施加的压力隔离。随着材料在模具中固化收缩，传导仍是主导的传热机制。在此期间材料有可能脱离模壁 [43, 76]，这种情况大大增加了材料在模具内温度计算的复杂性。最后，当制件充分固化后，便从模具中顶出。

总而言之，注塑成型过程涉及多种传热机制，本质上是瞬态过程，并且在充填、保压和冷却过程中涉及相变以及冷凝层处随时间变化的边界条件。虽然这些考虑已经相当复杂，但材料性能和制件几何形状使该过程的仿真更加复杂。

1.5 为什么要对注塑成型进行仿真？

上一节让人感受到成型工艺的复杂性。制件质量与加工条件相关，这并不令人意外。事实上，自从塑料加工开始以来，人们就知道加工对制品性能有巨大影响。在实践中，工艺变量与制品质量之间的关系极其复杂。仅凭经验很难理解加工与制件质量之间的关系。正因如此，人们发展了成型仿真；值得注意的是，CAE 在注塑成型领域比在聚合物加工的其他领域成功得多。

最后一点需要做些解释。许多聚合物成型工艺是连续的，虽然工艺物理可能很复杂，但口模通常相当简单，制造成本低廉。而且，改变工艺条件有相当大的灵活性。对于吹塑成型和热成型，模具成本相对低廉。事实上，对于类似制品，吹塑模具的成本可低至注塑模具的十分之一 [127]。此外，吹塑机为操作员提供了极大的控制能力，因此问题往往可以在车间现场解决。

相比之下，在注塑成型中，生产中遇到的问题未必能像其他工艺那样通过改变工艺条件来解决。虽然可以调整工艺条件来解决某个问题，但这种改变往往会引入另一个问题。例如，提高熔体温度从而降低熔体黏度，可能治好一副难以充填且有轻微飞边的模具。然而，温度的升高可能导致材料产生气体或降解，从而使产品出现外观缺陷。解决办法可能是增加浇口数量，或在更大的机器上成型该制件。这两种做法在经济上都不利。第一种涉及重大的模具改造，在时间方面代价也很高；第二种会侵蚀利润空间，因为成型报价是基于原来那台运行成本更低的机器做出的。另一方面，在制件和模具设计的早期阶段，可以以相对较低的成本进行仿真，并能够在制件设计、材料和模具设计方面评估不同的方案。

1.6 仿真到底有多好？

人们经常问：“成型仿真到底有多好？“这是一个简单的问题，但它掩盖了仿真在科学层面和人为层面的复杂性。评估仿真成败的两个常用标准是：

仿真是否改进了模具或制件的设计？
仿真结果是否与我们在成型车间看到的相符？

这两个标准都需要做些解释。第一个取决于结果的保真度和使用者的能力。本书致力于前者。然而，使用者的能力还需要理解仿真中所做的假设，以及具备注塑成型的行业经验。注塑软件的用户将在本书第一部分找到有关假设以及数学建模不足的详细内容。

第二个标准常被公司用作购买仿真软件之前的测试。虽然它看起来合理，但这实际上是一个极其复杂的领域。一个主要问题是，注塑机不是实验室仪器。操作员在注塑机控制面板上的设定与实际情况之间可能并不一致。因此，根据机器设定输入软件的数据可能导致仿真误差。

一般而言，我们可以说，仿真结果的好坏取决于提供给仿真的数据以及软件所做的假设。本书试图提供有关材料数据问题以及软件所做假设的信息。至于将仿真结果与成型车间、甚至设备精良的实验室中观察到的结果进行比较的问题，本书不予讨论。将计算机仿真结果与实验进行比较是一个庞大的课题，也是一门相对较新的科学学科，通常称为软件的验证与确认（validation and verification）。有兴趣的读者可参考 Roache [310] 以及 Oberkampf 和 Roy [272] 的著作。