三维真实感注塑流动模拟技术

1　引言

　注塑模CAE软件主要用于帮助模具设计人员改进设计，可模拟出塑料制品在注塑成形时的流动、保压和冷却过程，提供注塑过程中各时间段的温度、压力等参数，预测塑料制品中可能出现的缺陷。现阶段国内的注塑模CAE软件采用的是基于塑料制品中心层面的流动模拟技术，简称中心层模拟技术。国外一些著名的注塑模CAE软件供应商如美国AC Tech公司、澳大利亚MOLDFLOW公司，其主要的CAE软件产品也是采用中心层模拟技术。近年来，一种新颖流动模拟技术——三维真实感流动模拟引起了人们的关注。这种技术无需中心层面，可直接在三维实体模型上分析，为注塑模CAD/CAE无缝集成、注塑过程的虚拟化提供了可能。

　　注塑流动模拟技术主要有三种：中心层模拟技术、三维模拟技术、三维真实感模拟技术。目前被广泛采用的中心层模拟技术的实现过程如图1所示。首先将薄壁塑料制品抽象成近似的平面和曲面，这些面被称为中心层面。在这些中心层面上生成二维平面三角网格，利用这些平面三角网格进行有限元计算。最终产生的分析结果 (各时间段的温度场、压力场、流动前沿等)在中心层面上用不同的色彩显示。由于中心层模拟技术使用的仅是二维平面三角网格，为了分析厚向上的流动与导热过程，在分析过程中又利用了三角网格的厚度信息，所以该技术又被称为2.5维流动模拟技术。这种技术能分析形状复杂的塑料制品，但也存在很大的局限性。 (1)将三维塑料制品尤其是形状复杂的塑料制品抽象成中心层面非常复杂，操作过程十分繁琐。(2)分析结果在中心层面上显示缺乏真实感。(3)不能直接利用其它造型系统生成的三维塑料制品的实体信息，必须建立独立的中心层造型工具。

图1　中心层模拟技术
a.三维实体　b.中心层　c.三角网格　d.结果显示

　　三维流动模拟技术直接利用塑料制品的三维实体信息生成三维立体网格，用这些三维立体网格进行有限元计算，分析结果直接在三维实体上显示。这种方法可解决中心层模拟技术遇到的问题，但目前在世界范围内，利用三维立体网格进行塑料流动模拟的技术和条件尚未成熟，只能用于形状十分简单的制品。
　　三维真实感模拟技术介于中心层模拟技术与三维模拟技术之间，算法的核心仍采用二维有限元与一维有限差分的耦合，但无需生成中心层面，可直接在三维实体模型上分析与显示。其实现原理如图2所示，首先读取塑料制品的三维实体信息，利用实体表面信息生成所有表面的二维平面三角网格。由于是薄壁塑料制品，可对所有三角网格的节点进行厚度方向配对，产生节点配对信息及节点厚度信息。再利用三角网格数据、节点配对信息和厚度信息进行有限元计算，产生的流动分析结果直接在三维实体表面显示。

图2　三维真实感模拟技术
a.三维实体　b.表面三角网格　c.结果显示

　　由于是直接读取三维实体信息生成表面三角网格，真实感模拟技术免去了中心层模拟技术中先抽象出中心层面，再生成三角网格这一复杂步骤，同时也充分利用了其它CAD造型系统生成的三维实体信息。在结果显示方面，由于真实感模拟技术将分析结果显示在实体表面上，它比将分析结果显示在中心层面上具有更好、更生动的的显示效果。另外真实感模拟技术生成的表面三角网格仍为二维平面网格，而不是三维立体网格，所以它在进行有限元计算时避开三维模拟技术的计算难点。
　　目前真实感流动模拟技术在国外已有了初级的产品，该技术如能在国内成功实现，将极大地提高国内注塑模CAE软件的应用范围和技术水平。

3　真实感模拟技术的实现关键

　　真实感流动模拟技术的实现必须解决四个问题：表面三角网格生成、网格节点配对、有限元计算分析、真实感结果显示。
3.1　三维实体表面三角网格的生成
　　在生成表面三角网格之前，先要提取三维实体所有表面信息。表面信息的提取包括三维实体表面信息的读入和表面信息的重整两个部分。真实感模拟技术中读入的三维实体信息文件采用了STL文件。STL文件记录的是将三维实体表面分割后所形成的零散的三角面片信息，包含有三角面片顶点坐标和面片法矢数据。采用 STL文件的优点是数据格式统一、通用性强，目前几乎所有的三维造型软件都能生成STL文件，且格式基本一致，这样就方便了三维实体信息的读入。但采用 STL文件也有一些局限性，STL文件中不具有边、环、面这些重要的几何信息，而在划分表面的三角网格时，又必须使用这些几何信息，因此在读入STL文件中的数据后，必须对三角面片数据进行重整。重整的原则是：位置相邻且法矢基本相同的三角面片合并成大的平面或大的曲面面片，并产生相关的边、环、面数据和面相邻关系数据。

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