第5章：Moldflow 分析中使用的网格

5.1 Moldflow 使用的网格类型

5.1.1 Moldflow 中使用的有限元

要运行 Moldflow 分析，必须在零件模型上建立合适的有限元网格。有限元网格通常简称为网格。单元把零件或其他模具组件的几何体，也就是计算域，划分为许多小区域。这些小区域或单元由节点定义，节点是空间中的坐标，Moldflow 据此进行计算。单元主要分为三类：

梁单元：有两个节点，用于描述供料系统、冷却通道等。
三角形单元：有三个节点，用于描述塑件、模具镶件等。
四面体单元：有四个节点，用于描述塑件、型芯、供料系统等。

图 5.16：单元类型

5.1.2 网格类型

Moldflow 使用三种分析网格类型，它们由上述单元类型组合而成。

中面网格：网格定义在塑料截面的中面或中心线上。塑件主要由三角形单元定义，供料系统和冷却通道等可使用梁单元。
Fusion 网格：三角形单元定义在塑料截面的表面上，分析方法称为 Dual Domain™。供料系统和冷却通道等可使用梁单元。
3D 网格：使用四面体单元表示塑件，并以多层单元定义截面。供料系统可由梁单元或四面体单元表示。

图 5.17：网格类型

使用“网格”一词时应谨慎。它可能指某类有限元单元的集合，例如“三角形网格”，也可能指一种分析类型，例如“使用了中面网格”。

5.1.3 求解器假设

5.1.3.1 中面和 Fusion 网格

中面与 Fusion 网格使用相同的流动求解器。任何求解器都有其假设条件。中面和 Fusion 求解器基于广义 Hele-Shaw 流动模型，其假设包括：

广义牛顿流体的层流流动。
可忽略惯性和重力影响。
与厚度方向的导热相比，面内导热可以忽略。
忽略厚度方向的热对流。
对三角形单元，可忽略边缘散热。

单元特定假设

梁单元：梁有时称为一维单元，具有指定的截面尺寸和形状。梁单元表示广义牛顿流体在轴对称圆管中的流动。非圆形截面通常以具有相同水力直径的等效圆管表示，并缩减体积流量，以得到与原形状相同的平均速度。流路中突然收缩造成的接头损失，通过基于黏度表征 Bagley 修正得到的经验模型计入。梁单元不能反映供料系统中有时出现的剪切诱导不平衡。
中面网格中的三角形单元：这种三角形单元常称为 2.5D 单元或壳单元。它以位于厚度中心的二维平面模拟三维塑件，并给该平面赋予厚度属性，因此称为 2.5D。由于上述假设，这类单元可模拟的截面受到限制。任一局部区域的宽厚比至少应为 4:1，否则可能引入显著误差。宽厚比为 4:1 时，周长的 20% 位于厚度方向，未计入传热方程。对该规则违反越多，误差越大。连接筋、壳体通风口或格栅等方形几何体尤其存在此问题。
Fusion 网格中的三角形单元：Fusion 网格有时称为改进型 2.5D 网格，它以零件外表面的边界或蒙皮网格模拟三维塑件。中面与 Fusion 网格的主要区别在于厚度的确定方式。Fusion 网格中，壁厚方向上的单元彼此对齐和匹配，对侧壁面单元之间的距离定义塑件厚度。网格密度对厚度表示精度很重要，尤其是筋等渐缩特征。Fusion 网格中匹配单元的百分比是网格质量的关键指标，应至少为 85%。

5.1.3.2 3D 网格

3D 网格的假设少于中面和 Fusion 网格。3D 网格：

使用完整的三维 Navier-Stokes 求解器。
在每个节点求解压力、温度和三个方向的速度分量。
考虑所有方向的热传导。
可选择考虑惯性和或重力影响。

3D 网格建立零件的真实三维表示。它适合违反中面和 Fusion 网格厚度规则的厚大塑件，例如电连接器和厚重的结构件。

5.2 网格要求

网格除应没有错误外，还必须正确表示塑件。除了正确表示塑件几何形状，网格密度也是重要考虑因素。

5.2.1 网格密度注意事项

通常不难达到能给出良好压力预测的网格密度。准确预测压力并不需要很细的网格。但是，只有网格足够精细、能捕捉模型的相关细节时，才能准确预测充填效应。三个重要考虑事项为：

犹豫效应。
气穴。
熔接线。

这些都是常见的网格密度相关问题。网格不够细时，分析不会识别这些问题。

5.2.1.1 犹豫效应预测

犹豫效应是流动前沿的一个区域相对另一个区域减速。在一定程度上，可将少量犹豫设计到模具中，例如使用流动偏转条或人工平衡流道时。然而，要识别这类或其他任何犹豫效应，必须使用细网格。对于中部厚 1 mm、上部厚 2 mm、下部厚 3 mm 的塑件，粗网格不会显示薄中部区域的滞后。若在每个厚度变化处布置三排单元，预测的流动前沿会显示更明显且更正确的犹豫模式。

图 5.18：网格密度影响犹豫效应预测

为正确预测犹豫效应，任何主要厚度变化区域上至少应有三排单元。

5.2.1.2 气穴预测

塑件气穴常由壁厚变化造成的犹豫效应引起。气穴预测的准确度仅能达到网格密度允许的程度。薄区使用粗网格时，不会预测或显示气穴，细网格则可以预测气穴。对于公称壁厚 2.5 mm、薄壁厚 1.25 mm 的塑件，粗网格在薄区不会预测犹豫，表现为穿过薄区的等高线相对笔直。细网格会预测犹豫并导致气穴，气穴在网格上显示为围绕节点的彩色线。

图 5.19：厚区周围薄区的气穴预测

为正确预测气穴，塑件薄区至少应有三排单元。

5.2.1.3 熔接线预测

熔接线在节点处形成。当在两个或更多相连节点预测到熔接线时，节点之间会绘出一条线。熔接线预测对网格密度非常敏感。因此，当需要熔接线信息时，细网格不可缺少，因为粗网格并不总能表明熔接线存在。流动前沿中存在孔洞时必然形成熔接线。细网格会按预期显示熔接线，而网格节点的位置会影响熔接线的精确位置。

图 5.20：不同网格密度下的熔接线预测

当可靠预测熔接线至关重要时，应确保最可能形成熔接线的区域采用细网格。

5.2.2 塑件细节

为正确表示用于流动分析的塑料零件，必须准确建模三项特性：

厚度。
流动长度。
体积。

正确建模这些塑件特性后，流动分析才会准确。

5.2.2.1 厚度

塑件壁厚是塑件压降的最大影响因素，也是流动分析中最关键的建模特性。中面模型中，每个单元必须定义厚度，必须确保厚度设定正确。Fusion 模型默认自动计算厚度，匹配单元之间的距离决定厚度。为计入沿塑件边缘的额外传热，即边缘效应，边缘单元设为与其相接面单元厚度的 75%。分析人员必须确认 Fusion 模型正确表示塑件厚度，否则必须手动设定错误单元的厚度来修正模型。3D 模型的厚度由导入的几何体或网格定义，Moldflow 不能自动检查或修正厚度，但可用测量和剖切工具估算局部厚度。对于复杂几何体常见的大范围厚度变化，3D 是最合适的求解器。

塑件壁厚是塑件压降的最大影响因素。

5.2.2.2 流动长度

塑件流动长度是流动分析中第二重要的建模特性。壁厚与流动长度的组合决定充满塑件所需压力。塑件流动长度由分析本身确定，而不是由用户指定。

5.2.2.3 体积

塑件体积由塑件形状、尺寸和壁厚计算得出。体积是判断模型厚度是否准确的好方法，应比较 CAD 体积与 Moldflow 模型体积。通常目标是计算体积与真实体积相差不超过 5%。由于使用表面网格，Fusion 模型计算的体积通常比中面模型更准确。体积有助于确定塑件所需流量，并显著影响流道系统中的压力计算。体积对塑件自身压降影响很小。加入流道系统后，塑件体积会影响流道系统的流量，进而影响压降。

5.2.2.4 厚度和流动长度对压力的比较

一系列分析将厚度和流动长度各按 20% 的步长改变，以测试其对压力的影响。厚度从 4.5 mm 降至 1.8 mm，流动长度从 100 mm 增至 180 mm。改变参数以使压力相对基准模型升高，每种情况下塑件体积保持为 11.25 cm³。截面为矩形，因此通过改变截面宽度来调整体积。材料为尼龙，所有分析的工艺条件不变。结果清楚表明，厚度对压力百分比变化的影响远大于流动长度。不同工艺条件和材料会稍微改变两者的百分比差异，但厚度始终影响最大。

图 5.21：厚度、流动长度和体积对压力的影响

5.3 几何创建

用于 Moldflow 分析、代表注塑零件的模型通常在 CAD 系统中创建为三维实体模型。这些模型以原生格式或某种中性文件格式导入 Moldflow。某些情况下，分析所需的有限元网格在 CAD 系统或其他网格创建程序中建立。

图 5.22：从 CAD 模型到网格

5.4 导入几何

Moldflow 支持多种导入格式，分为几何和网格两大类。大多数情况下，将塑件几何体导入 Moldflow，再在 Moldflow 内建立所需有限元网格。某些情况下，有限元网格在其他软件中建立后直接导入 Moldflow。

5.5 使用不同的网格类型

当一个塑件可在中面、Fusion 和 3D 网格之间选择时，应选哪一种？许多塑件几何体可使用全部三种网格类型，有些则应采用 3D。以下示例说明如何为不同几何体确定合适的网格类型。

5.5.1 车门板

某卡车的大型车门板除格栅区域外，壁厚相当均匀，为 3.0 mm。通过格栅的截面表明，塑件大部分几何体可很容易用中面或 Fusion 建模，但格栅截面不符合这两类网格建议的 4:1 宽厚比。在该截面中，一处肋截面的厚宽比符合要求，顶部部分则不符合。顶部肋区域的流动不能由 Fusion 或中面三角形单元正确表示。整体车门板容易表示，但格栅区域难以良好建模。若格栅是关键区域，可使用 3D 网格表示整个塑件，以正确表示格栅。

图 5.23：车门板及格栅截面

5.5.2 歧管

歧管是使用 3D 网格的良好示例。该零件十分厚实，许多区域的厚度没有明确定义，无法建立外观合理的中面模型。Fusion 网格虽可能外观良好，却不能正确表示零件，因为它不能适当定义零件厚度，且该零件大部分区域不具有 4:1 的宽厚比。

图 5.24：歧管及其截面