基于UG NX2的两板机前模板的结构设计和分析

电气化铁道

基于UG NX2的两板机前模板的结构设计和分析

注塑机中的三大模板设计向来都是一个颇为棘手的问题。本文以目前新兴的两板式注塑机的前模板作为研究对象，以UG NX2作为设计和结构分析平台；首先综合传统设计经验和思路，建立前模板的参数化模型，并输出三大类UDF以储存设计经验；在运用UDF快速构建新吨位新制品条件下的前模板后，应用Structures模块进行结构分析；同时运用分析模型与主模型的相关性，调整UDF的关键参数后可以做快速分析对比，从而获得最佳结构；最后，将典型的调整结果输出为新的UDF，实现UDF的闭环式构建。由此，在缩短前模板设计周期的同时，实现了我公司“省材节能”的方针。
    塑料注射成型机（简称注塑机）主关件中的三大模板(前模板、动模板、后模板)是耗用钢材最多的部位。一块模板的重量轻则几吨，重则几十吨，而它承受着几十吨乃至几千吨的压力。因此模板的设计向来都是一个颇为棘手的问题。传统设计中，偏于安全性方面的考虑，设计比较保守，结构粗笨，耗材巨大。设计中直觉与经验占有极大的比重，缺乏数字化的判断标准。
   
    本文以目前新兴的两板式注塑机（简称两板机）的前模板作为分析对象，以UG NX2作为设计和结构分析平台；通过设计参数化、自定义特征（UDF）、Structures结构分析三者的有机结合，实现了一套快速设计最佳结构模板的方案，可供普通设计员引用。
   
1 两板机前模板UDF的制作
    1.1 UDF的确立
    综合了模板的经典设计理论[1]、老设计员的设计经验以及其它结构优化软件[2]中获得的设计思路，设计了新型的前模板拓扑结构。根据结构特征，将前模板分成三种复合特征，制作成三类UDF：TP_Fp_base、 TP_Fp_rib、 TP_Fp_back，如下图1、2、3所示；

                               
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图1 TP_Fp_base

                               
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图2 TP_Fp_rib01

                               
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图3 TP_Fp_back

    TP_Fp_base的结构形式在任何两板式注塑机上都是不变的，只有尺寸大小的变化；而随着注塑机吨位和制品特征的变化，TP_Fp_rib的结构形式会有很大的变化，因此定义成三种类型TP_Fp_rib01、 TP_Fp_rib02、 TP_Fp_rib03（本文只描述图2所示第一种）；TP_Fp_back的总体结构形式也不变，随着TP_Fp_rib变化而改变的局部，可以通过参数进行控制。
   
    1.2 UDF各部分的参数化设计
    UDF各部分的参数化设计是储存设计经验、设计思想的关键步骤，主要通过编辑Expression完成。这一部分也要完成主关参数的确定与命名，有助于UDF的输出和应用。

                               
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图4 部分草绘参数构造示例

                               
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图5 部分特征参数构造示例

    1.3 UDF的输出和应用
    在输出UDF时，注意在定义“Feature”阶段，要将“Allow Feature Explosion”这一项勾上。这有助于应用udf后，可以重新展开其内部特征，并修改其中的参数构造规则。同时如后文2.2所述，对具有典型性的修改重新输出UDF，如是，UDF以闭环式构建的方式实现设计经验的不断储存和完善。
    对主关参数的定义和UDF调用方法，形成说明文档供应用时参考。下图6即为应用UDF生成的模型，该模型可以直接用于后续的结构分析；图7为完成整个详细设计后的模型。

                               
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图6 应用UDF生成的模型

                               
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图7 完成详细设计后的模型

2 两板机前模板结构分析
   
    2.1 前模板的前处理
    前模板的有限元分析前处理过程如下：
   
    ① 实体建模：前模板的分析模型要求忽略对整体结构影响不大的圆孔、圆角、凹槽、螺纹等；根据结构和几何的对称性，取实际模型的1/4进行分析，以加快建模速度和分析速度。如前所述，用UDF生成的模型刚好满足这一系列条件，所以可直接用于后续的结构分析。
    ② 网格划分：为了获得良好的网格质量和足够的分析精度，同时又满足普通设计员快速分网的应用需求，选用四面体十节点单元Tetra10进行网格划分。
    ③ 工况设置：两个对称面上施加对称约束，油缸筒与模具固定面轮流施加约束和载荷，构成两种分析工况，可以分别考察不同关键部位的变形与应力分布状况。其中，模具固定面的合模力简化成均布载荷Pressure，油缸筒的油压载荷用Normal Pressure。
    前处理过程与详细参数设置、以及后续的后处理判断方法都已经形成了公司标准。
   
    2.2 求解与后处理
    采用UG NX2内置的Structures P.E.作为求解器，进行线性静态结构分析。下图8、9分别显示了模具固定面约束工况下的最大主应力分布云图和变形云图。由云图可知，该前模板不论是刚度条件还是强度条件，完全是符合模板设计的经典理论[1]要求的。
    由于Structures分析方案中的几何体是与主模型相关联的，主模型变化后，相关的有限元数据自动更新。这为模型结构的调整、分析比较并确定最终方案带来了很大的便利。由此，针对不同吨位、不同制品特征的机型，UDF中主关参数的调整、或展开UDF后参数构造规则的修改，均可以快速进行重新分析，并通过应力和变形的值判断优劣。如是，模板的设计摆脱了原来纯粹的直觉与经验判断，而建立了数字化的判断标准。同时，对具有典型性的修改，可以输出新增的 UDF，或替换原有的UDF，从而实现UDF的闭环式构建。由此，设计经验能够得到不断的累积和完善。

                               
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图8 应用UDF生成的模型

                               
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图9 完成详细设计后的模型

3 展望
    Teamcenter Engineering中目前已提供仿真流程工作室（Simulation Process Studio），这一功能集成了知识熔接（Knowledge Fusion）等开发手段，可以定制一套塑机模板的结构分析向导（Wizard），并可以在UG NX2环境下调用。由此，可以用向导的形式引导普通设计员进行模板的结构分析。这一新功能的应用可以使本文第二节内容更具易用性，也使前后处理过程更为标准化，适合于推广。
   
4 结论
    （1）应用UG NX2中的自定义特征（UDF）和参数化设计能够总结并储存设计经验，在此基础上，通过Structures的结构分析，又摆脱纯粹的经验设计，实现了数字化判断和UDF的闭环式构建，如图10所示为整个方案的运作流程；
    （2）调用两板机前模板的UDF，可以快速构建新吨位机型的前模板或更改已有的前模板，使设计周期由原来的10~15天降至4~5天；
    （3）不同吨位、不同制品特征下的最佳前模板结构的确立，实现了我公司“省料节能”的方针，对整个塑机行业均具有参考价值。

                               
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图10 整个方案流程

5 参考文献
    [1] 北京化工大学、华南理工大学. 塑料机械设计（第二版）. 北京：中国轻工业出版社，1995年12月.
    [2] MSC公司. MSC.NASTRAN-OPTISHAPE Release Guide(Version 2.0).
    [3] EDS公司. UG CAD快速入门指导. 北京：清华大学出版社，2002年1月.
    [4] EDS公司. UG结构分析培训讲义. 2004年9月