《CADCAE軟件應用實踐》綜合實驗報告2.doc

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綜合實驗報告 （計算機類） 題 目: 臺燈CAD建模及成型過程CAE分析 學 院: 材料科學與工程 年級 、專業(yè): 2011級材料成型及控制工程 學 生 姓 名: 學 號: 指 導 教 師: 開 題 時 間: 2013 年 12 月 23 日 完 成 時 間: 2014 年 1 月 3 日 學習態(tài)度（15） 技術水平與實際能力（25） 創(chuàng)新（10） 說明書（報告書、圖紙）質(zhì)量（50） 總評 目 錄 摘要 …………………………………………………………………………………………2 引言 …………………………………………………………………………………………3 1實驗目的 …………………………………………………………………………………4 2.實驗準備 …………………………………………………………………………………4 2.1 實驗平臺簡介…………………………………………………………………………4 2.2 實物選取 ……………………………………………………………………………5 3 實物零件簡介及設計要求……………………………………………………………………5 4 CAD組件設計 ……………………………………………………………………………5 4.1繪制底蓋底座…………………………………………………………………………5 4.2繪制底座外殼…………………………………………………………………………6 4.3繪制臺燈支架…………………………………………………………………………8 4.4繪制插電線……………………………………………………………………………10 4.5繪制節(jié)能燈……………………………………………………………………………12 4.6繪制燈罩………………………………………………………………………………13 4.7裝配零件………………………………………………………………………………16 5 成型過程CAE分析及討論……………………………………………………………………18 5.1 選擇模型………………………………………………………………………………18 5.2選擇模型材料…………………………………………………………………………18 5.3CAE分析前處理 ………………………………………………………………………18 5.4注塑成型CAE分析……………………………………………………………………21 6 總結 …………………………………………………………………………………………27 參考文獻………………………………………………………………………………………27 中文摘要 本次綜合實驗臺燈實物，建立臺燈底座、燈罩底座、節(jié)能燈的三維pro/E模型，并最終在pro/E 軟件中裝配為一整體，實現(xiàn)實物產(chǎn)品的數(shù)字化建模與裝配。實驗過程中應用了曲面的基本造型方法，利用邊界混合將曲線構建成自由曲面，再把曲面結合在一起來并對其進行加厚處理來創(chuàng)建出底座。再利用Pro/ENGINEER的基本特征的創(chuàng)建方法，如利用拉伸、旋轉、倒圓角等創(chuàng)建出臺燈的大部分的實體結構。保證裝配精度和尺寸精度。創(chuàng)建好基本的主體后在根據(jù)設計尺寸創(chuàng)建各個零件，最后將各部分裝配好。 Mold flow是一款能在電腦上模擬塑料成型的軟件，多用于注射成型，其能準確反應塑膠制品在成型過程中的充填過程，體積收縮，熔接痕，冷卻效果以及變形等情況，在模具設計初期以及改模階段起著不可忽視的作用。 關鍵詞：臺燈，三維數(shù)字化造型，曲面建模，邊界混合，裝配 ，Mold flow，網(wǎng)格劃分，設置澆注口和冷卻系統(tǒng)，結果分析 引 言 隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，工業(yè)設計領域的三維設計軟件也得到前所未有的發(fā)展，各種三維CAD/CAE/CAM軟件系統(tǒng)應運而生，各具特色，其中PTC公司開發(fā)的Pro/ENGINEER軟件表現(xiàn)的非常突出，其中“參數(shù)化”及“單一數(shù)據(jù)庫”的設計理念是產(chǎn)品的設計與更改簡易、靈活。Pro/ENGINEER軟件系統(tǒng)囊括了零件設計、產(chǎn)品裝配、模具開發(fā)、NC加工、鈑金件設計、鑄造件設計、自動量測、機構仿真和應力分析等多種功能。它的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)的CAD/CAE/CAM作業(yè)方式，大大縮短了用戶開發(fā)產(chǎn)品的時間。目前，Pro/ENGINEER已經(jīng)廣泛的應用于航空航天、機械和電子等各個領域。 Pro/ENGINEERWildfire是PTC公司新近推出的突破性版本。新版本在操作環(huán)境及方式上都做了較大的改進，去掉原有的瀑布式層級菜單管理器，取而代之的是目前流行的“窗口式操作”及“以對象為中心”的操作方式，這大大減少了鼠標的點擊次數(shù)。據(jù)PTC官方統(tǒng)計，對同一零件的操作，野火版的整體建模時間比2001版減少了23%，極大減輕了工程師的負擔。 計算機輔助設計（ComputerAidedDesign，簡稱CAD）是一門多學科綜合應用的新技術，是一種現(xiàn)代設計方法。CAD系統(tǒng)的工作過程是在計算機環(huán)境下完成產(chǎn)品的創(chuàng)建、分析、修改，以達到預期設計的目標，也就是說，在產(chǎn)品概念設計的基礎上，定義產(chǎn)品的幾何模型（包括裝配模型）；然后根據(jù)后續(xù)工作抽取模型中有關數(shù)據(jù)進行處理，例如變成有限元網(wǎng)格數(shù)據(jù)，進而進行工程分析及計算；根據(jù)計算結果決定是否要對設計進行修改；修改滿意后，編制全部設計文檔，輸出工程圖；將這些數(shù)據(jù)向CAPP、CAM系統(tǒng)傳遞，以實現(xiàn)數(shù)字化制造的全過程。 CAE指工程設計中的計算機輔助工程CAE(Computer Aided Engineering)，指用計算機輔助求解分析復雜工程和產(chǎn)品的結構力學性能，以及優(yōu)化結構性能等。而CAE軟件可作靜態(tài)結構分析，動態(tài)分析；研究線性、非線性問題；分析結構（固體）、流體、電磁等。 本說明書用Pro/ENGINEERWildfire5.0建立臺燈的模型和moldflow5.1分析臺燈底座的外殼，通過臺燈對本說明書的閱讀，能夠基本的了解Pro/ENGINEER的三維造型理念、簡單曲面及實體的建模和Mold flow對注塑件簡單分析的基本方法。 1 實驗目的 （1）以Pro/ENGINEER設計三維零件時，必須先將零件大體輪廓創(chuàng)建出來，再對此輪廓進行增加或削減材料的操作，以形成所要的三維實體造型。三維的實體可視為二維剖面在第三度空間的變化，因此創(chuàng)建三維實體時，必須先畫出實體的二維剖面，再利用拉深、旋轉、掃描、混合等方式創(chuàng)建出三維實體模型。本次課程設計繼續(xù)鞏固幾何線條的繪制方式、幾何線條的編輯、幾何限制條件的設定、尺寸數(shù)值的更改等。 （2）創(chuàng)建零件的三維幾何模型時，常利用平面、軸線、曲線、點、坐標系等做為參考幾何，本次課程設計主要訓練Pro/ENGINEER在創(chuàng)建具有自由曲面的零件的流程，結合理論知識，掌握各種基本造型方法的應用。 （3）將創(chuàng)建好的零件裝配完成，組裝成完整的物體。 （4）將臺燈底座導入moldflow5.1當中，通過劃分有限元網(wǎng)格，檢查模型網(wǎng)格缺陷，確定分析任務，選擇聚合物材料，設置澆口位置，分析計算，觀察分析結果，優(yōu)化設計方案等過程得到外形和內(nèi)部質(zhì)量良好的注塑制件。 2.實驗準備 2.1 實驗平臺簡介 (1) CAD平臺 CAD主要是指產(chǎn)品的幾何建模及相關技術。目前比較流行的二維軟件是AutoCAD，比較實用的三維軟件UG、Pro/Engineer、Unigraphics NX等集二維、三維、CAD/CAM于一體的眾多國外軟件.此次實驗選用的是Pro/E建模軟件。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 （2）CAE平臺 CAE指工程設計中的計算機輔助工程，指用計算機輔助求解分析復雜工程和產(chǎn)品的結構力學性能，以及優(yōu)化結構性能等。而CAE軟件可作靜態(tài)結構分析，動態(tài)分析；研究線性、非線性問題；分析結構（固體）、流體、電磁等。CAE軟件的主體是有限元分析）軟件.常用的CAE軟件主要有Ansys,ADINA,LS-DYNA,Moldflow.本次實驗采用的是Moldflow分析軟件。Moldflow仿真軟件具有注塑成型仿真工具，能夠驗證和優(yōu)化塑料零件、注塑模具和注塑成型流程。該軟件能夠通過仿真設置和結果闡明來展示壁厚、澆口位置、材料、幾何形狀變化如何影響可制造性。從薄壁零件到厚壁、堅固的零件，Autodesk Moldflow的幾何圖形支持可以幫助用戶在最終設計決策前試驗假定方案。 2.2 實體選取 選取一個臺燈，認真觀察其外部結構，粗略地量的其外形尺寸 臺燈圖 圖2.1-2.2 3 實物零件簡介及設計要求 實物是一個臺燈外部件共有六個零件組成，由下到上分別為（1）底座底蓋、（2）底座外殼、（3）插電線、（4）臺燈支架、（5）燈罩、（6）節(jié)能燈組成，各部分尺寸由直角尺粗略的測得，設計零件時各部件因注意考慮連接處尺寸大小以免安裝時出現(xiàn)無法裝配，設計的面、曲面盡量做到光滑均勻，這樣可使在加厚的特征的時候順利進行，分清倒圓角與抽殼的先后順序以免出現(xiàn)錯誤的特征。本實驗中主要描述臺燈的外形結構，臺燈當中的內(nèi)部件及臺燈開關等作簡化處理。 4 CAD組件設計 4.1繪制零件底蓋底座 1.以旋轉為基礎草繪出底座底蓋的剖面的羅廓線，如圖4.0 2.以底座底蓋地面的平面為基礎拉伸圓柱腳架，通過軸線陣列的方式得到四個腳架如圖4.1和圖4.2 圖4.0 圖4.1 圖4.2 3.到圓角，最終成形如圖4.3，保存副本 圖4.3 4.2繪制第二零件底座外殼 1.以旋轉為基礎草繪出底座外殼的剖面輪廓線，如圖4.4 2.以底面為基礎連續(xù)拉伸兩個實體作為支架和插電線的插入部位，如圖4.5和圖4.6 圖4.4 圖4.5 圖4.6 3.先倒圓角在抽殼如圖4.7 4.通過兩次不同的拉伸去除材料的到插線孔和支架插孔如圖4.8 圖4.7 圖4.8 5.用兩次不同的拉伸處理創(chuàng)建臺燈開關的模型，如圖4.9和圖4.10 圖4.9 圖4.10 6.成形如圖4.11，并保存副本 圖4.11 4.3繪制臺燈支架 1.草繪臺燈支架的掃描軌跡，如圖4.12 2.插入掃描繪制掃描截面得到掃描后的圖形，如圖4.13 圖4.12 圖4.13 3以FRONT為基準平移得到DTM1如圖4.14，在拉伸得到附著在掃描件上的實體環(huán)如圖4.15 圖4.14 圖4.15 4.復制圖4.12軌跡線在DTM1內(nèi)將軌跡線打斷保留上部分軌跡線，如圖4.16 5.將4.15圖中實體環(huán)特征沿著軌跡線陣列，如圖4.17 圖4.16 圖4.17 6.以如圖4.12的掃描終端作為參照建立DTM3如圖4.18，以DTM3作為基準拉伸燈罩與支架的連接部位，如圖4.19 7.以FRONT作為基準拉伸底座外殼與支架的連接部，如圖4.20 圖4.18 圖4.19 圖4.20 8.成形如圖4.21，并保存副本 圖4.21 4.4繪制插電線 1.草繪插電線與底座外殼的接觸端,如圖4.22，再把它拉伸為實體如圖4.23 圖4.22 圖4.23 2.在4.23的剖面上拉伸一個圓柱作為底座的插入端，如圖4.24 3.利用造型的方法畫出不同面不同方向的曲線作為電線的軌跡線，如圖4.25。再利用可變截面掃描把曲線掃為實體如圖4.26。 4.在插電線的終端建立面DTM2，在DTM2上草繪出一個與掃描終端大小相同的圓作為邊界混合的起始端，再以DTM2為基準平移DTM3和DTM4，分別在DTM3和DTM4上草繪如圖4.27。 圖4.24 圖4.25 圖4.26 圖4.27 5. 插入邊界混合把如圖4.27的三個草繪圖形用邊界混合的方式組合起來，再在圖形填充為實體，如圖4.28. 6. 在終端面上，以拉伸的形式得到插頭的金屬插干部分，如圖4.29 7. 最終成形，如圖4.30 圖4.28 圖4.29 圖4.30 4.5.繪制節(jié)能燈 1.以TOP為基準拉伸兩個圓柱，如圖4.31 2.以FRONT面為基準草繪如圖4.32所示的剖面，旋轉去除材料得到實體如圖4.33 3.建立一個過FRONT面且與FRONT面成45的面DTM2，在平移得到DTM3如圖4.34，在DTM3上草繪出如圖4.35所示的草繪軌跡線 圖4.31 圖4.32 圖4.33 圖4.34 4.插入掃描，選取如圖4.33所示的軌跡線，在軌跡線的起始端草繪出掃描圖形得到燈管實體圖形如圖4.35 5.選取掃描得到的燈管圖形通過繞軸為陣列的方式得到節(jié)能燈的最終圖形,如圖4.36，并保存副本。 圖4.35 圖4.36 4.6繪制燈罩 1.在TOP平面上草繪出燈罩底部的邊界線的一半，再通過鏡像完成邊緣線，在邊緣線上建立基準點PNT0，PNT1，PNT2，PNT3，PNT4如圖4.37 2.在RIGHT上草繪出燈罩上表面曲線，在曲面終端創(chuàng)建基準點PNT5，如圖4.38 圖4.38 圖4.39 3.以FRONT為基準平移的到DTM1面，連接基準點草繪出燈罩中部的剖面線，如圖4.40 4.以以FRONT為基準平移的到DTM2、DTM3、DTM4、DTM5、DTM6，在這些面上創(chuàng)建基準點，分別在這些面上連接基準點草繪出臺燈殼照的外形曲線，如圖4.41 圖4.40 圖4.41 5.以這些所草繪的曲線為基準，插入邊界混合得到一半的臺燈殼體外形，再以鏡像的形式得到真?zhèn)€燈罩的外形，如圖4.42 6.將所的到的殼體合并為一個整體，通過加厚的特征使殼體變厚得到實體的臺燈燈罩，如圖4.43 圖4.42 圖4.43 7.通過一系列拉伸和加厚創(chuàng)建臺燈的內(nèi)部特征，如圖4.44 8.以RIGHT面為基準平移的到面DTM9，以DTM9為基準拉伸得到燈罩與臺燈支架的連接部的實體，選擇拉伸到面，如圖4.45 圖4.44 圖4.45 9.得到燈罩的最終實體圖，如圖4.56 圖4.56 4.8.裝配零件 1.打開 圖標，在類型中選擇“組件”子類型為“設計”，使用缺省模版，點擊確定后進入，模版選擇“mmns-asm-design” 2.進入組件界面后點擊 調(diào)入底座底盤，將零件固定，得到如圖4.57所示的圖形 3.用同樣的載入底座外殼，通過軸對齊和面匹配將底座外殼裝配到底座底盤上，如圖4.58 圖4.57 圖4.58 4.用同樣的方法導入電插線，通過軸對齊和面匹配將電插線裝配到底座外殼上，如圖4.59 5.導入臺燈支架，通過面面匹配將臺燈支架裝配在底座外殼上，如圖4.60 圖4.59 圖4.60 6.用同樣的方法導入臺燈的燈罩，通過與臺燈支架面面匹配將支架與燈罩裝配起來，如圖4.61 7.導入節(jié)能燈，通過軸對齊面匹配，將節(jié)能燈與燈罩裝配起來，如圖4.62 圖4.63 圖4.64 8.最終的裝配圖，如圖4.65。裝配完成，得到臺燈的實體圖 圖4.65 5 成型過程CAE分析及討論 5.1 選擇模型 5.1.1在本次課程設計中我將對臺燈底座的外殼進行分析，如圖5.1。 5.2 選擇模型材料 5.21通過查閱資料可知臺燈底座材料類型是聚對苯二甲酸丁二醇酯，英文名polybutylene terephthalate（簡稱PBT），屬于聚酯系列，是由1.4-pbt丁二醇(1.4-Butylene glycol)與對苯二甲酸(PTA)或者對苯二甲酸酯(DMT)聚縮合而成，并經(jīng)由混煉程序制成的乳白色半透明到不透明、結晶型熱塑性聚酯樹脂。與PET一起統(tǒng)稱為熱塑性聚酯，或飽和聚酯。如圖5.2可知PBT材料的加工條件。 圖5.1 圖5.2 5.3CAE分析前處理 5.31 對底座外殼的CAE前處理，先將存為PRT格式的底座外殼三維圖轉換為IGS格式導入moldflow中，如圖5.3 5.32 進行網(wǎng)格劃分選擇默認值劃分完畢后，進行網(wǎng)格診斷認真閱讀網(wǎng)格的診斷報告如圖5.4，對不符合要求的網(wǎng)格單元要進行修改，使整個上殼的網(wǎng)格匹配率達到85%以上，使最大縱橫比不超過6，如圖5.5 圖5.3 圖5.4 圖5.5 5.33 網(wǎng)格劃分好后，選擇分析類型為充填、保壓分析，由系統(tǒng)分析出最佳澆口位置如圖5.6 5.34然后選擇外殼材料，臺燈底座外殼的材料多為PBT，如圖5.7 圖5.6 圖5.7 5.35 再通過鏡像得到兩個型腔，通過手動建立澆道口，建立流到分流道，建立主流道，使分型面選擇在制品的最大截面處，讓制件的邊緣處在分型面的位置這樣更有利于排氣穴，如圖5.8，建立好澆注系統(tǒng)后檢查澆注系統(tǒng)與模腔的連通性如圖5.9 圖5.8 圖5.9 5.36 建立冷卻系統(tǒng)，由于零件直徑比較大，所以在建立冷卻系統(tǒng)是采取3向通道，通道的間距設為30mm，,采用的冷卻劑為水，入口溫度為25，是冷卻系統(tǒng)均勻的分布在磨具的兩端，如圖5.10，最后設置好工藝參數(shù)采用默認參數(shù)如圖5.11，即可進行分析 圖5.10 圖5.11 5.37 點擊保存，同時可復制以上步驟，對復制品進行工藝分析，以便后來的工藝參數(shù)的優(yōu)化對比，如圖5.12 圖5.12 5.4 注塑成型CAE分析 5.41 根據(jù)以上方案的設計，在MPI軟件中進行模擬分析，驗證此種設計方案的可行性，以及分析在注射成型過程中可能發(fā)生缺陷的原因，并提出在模具設計和注射生產(chǎn)工藝過程的改善措施，來得到滿足要求的塑件。在MPI中設置好相應的工藝參數(shù)，分析類型選擇為“填充”，進行分析。 1）.充填時間：該塑件完成充型的注射時間如圖5.13所示，時間為1.077s 2).速度/壓力切換：注射/保壓切換應該在注射完成95%~99%，之間，如果注射量小于塑件體積的95%，可能導致保壓不足，塑件某些部分因充填不足導致縮痕和缺料等缺陷。此外不平衡的壓力使材料收縮不一致，產(chǎn)生更高的殘余應力，使塑件發(fā)生變形。 圖5.13 圖5.14 從圖5.14中可以看出，兩型腔壓力分布平衡、對稱，不會導致產(chǎn)生更高的殘余應力；查看分析日志，充填/保壓切換發(fā)生在體積充填到97%完成，故能夠保證塑件充型完全，不會發(fā)生縮痕和缺料等缺陷。 3）.流動前沿溫度：在注射成型中，流動前沿溫度小于12度為比較合理不會產(chǎn)生較大的收縮，此方案的流動前沿溫度差為4.6度，如圖5.15 圖5.15 4).熔接痕：該塑料制品為外觀件，應盡量避免熔接痕，減少熔接痕長度，避免出現(xiàn)在制品的受力部位。從圖5.16熔接痕的分析中可知，熔接痕主要在外壁塑件中央處，嚴重影響制件的外觀，在注塑件中是不被允許的，所以必須修改工藝參數(shù)消除熔接痕。 圖5.16 5).氣穴：氣穴的存在使產(chǎn)品不能完全填充而存在氣孔，應避免在產(chǎn)品表面產(chǎn)生氣穴，盡量分布在邊緣，通過排氣系統(tǒng)增加模具的排氣，減少氣穴。從圖5.17的氣穴分析可知，此處氣穴離分型面很近，可利用分型面排氣，所以此方案比較合理。注塑工藝上，可以利用減小熔體溫度，提高模具溫度，減少氣穴；充分干燥原料，消除水分，適當降低熔體溫度，也可防止氣穴的產(chǎn)生。 圖5.17 5.42針對減少熔接痕的改進方案設計 1）由初始分析方案所得的分析結果可以看出，初始分析方案還是比較合理的，熔接痕的數(shù)量也較少，為進一步減少熔接痕的數(shù)量，長度等，需要對注塑工藝參數(shù)進行修改。 2）熔接痕產(chǎn)生原因：熔接痕的產(chǎn)生有很多影響因素，比如，塑料流動性不佳，制品壁厚太薄或壁厚差異太大，模具溫度太低，流道、澆口位置不當或太小太長，注射速度、保壓、物料溫度太低，射壓或射速太低等等，這些因素都會影響熔接痕強度 3）方案改進 a.原方案 上面分析的結果均是按照默認工藝參數(shù)如圖5.18 圖5.18 模溫默認值為 64 ℃ 熔溫默認值為250℃ 注射機最大注射壓力為180Mpa 速度/壓力切換的壓力為 78.83Mpa 根據(jù)影響熔接痕的各因素來改變工藝參數(shù)，設計了以下兩個方案。 b.方案一如圖5.19 圖5.19 將注射壓力有120Mpa增加到130Mpa得到的熔接痕結果分析圖，如圖5.20 圖5.20 方案b將模溫和熔體溫度提高后可以看出熔接痕已經(jīng)很不明顯了。這說明適當?shù)脑黾幼⑺軌毫p少熔接痕是很有效的 c.方案一如圖5.21 圖5.21 修改工藝參數(shù)將模溫增加到80℃ ，再將熔體提高到260℃ ，重新分析，得到制件熔接痕的結果分析圖，如圖5.22 圖5.22 方案c將模溫和熔體溫度提高后可以看出熔接痕已經(jīng)很不明顯了。這說明適當將模溫和熔體溫度提高可減少熔接痕是很有效的。 6 總結 通過兩周的課程設計我收獲不小，這次課程設計對proe三維建模又有了更大的提高，特別是在曲面建模方面有了很大的進步。但是也存在著很多需要改進提升的地方，還需要自身加強對曲面建模的熟悉理解。在moldflow分析方面也有一定的提高，加深了對建立澆注系統(tǒng)，冷卻回路系統(tǒng)的操作，重新掌握了對網(wǎng)格單元的修改。通過此次課程設計，讓我進一步提高了對曲面建模的了解，也更加熟練掌握了moldflow軟件的操作.在實際操作的過程中也遇到了許多困難，但通過自己查閱資料和向同學請教，讓自己把這些困難都一一處理解決了，同時在一步步操作Pro/E和moldflow的過程中是我更加了解它們界面的操作，大大地提高了畫圖的速度和操作的速度，這次課程設計讓我自己的動手插操作力有了很大的提高。在最后非常感謝老師對這次教學和對我們的嚴格要求，使我在這次課程設計的過程中收獲很大。 【參考文獻】 【1】關興舉,杜智敏. 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