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郑州高校力学与工程科学学院材料加工原料课程论文题目优化参数工程技术简要介绍学生姓名:学号:参数优化工程技术简要介绍在当今塑料行业中,注射成型是最重要的聚合物加工成型技术之一注射成型是指确定形态的模型,通过压力将熔融状态的胶体注入模腔而成型,工艺原理是将固态的塑胶依据确定的熔点溶化,通过注射机器的压力,用确定的速度注入模具内,模具通过水道冷却将塑胶固化而得到与设计模腔一样的产品注射成型是使热塑性或热固性塑料先在加料筒中匀整塑化,而后由柱塞或移动螺旋杆推挤到闭合模具的模腔中成型的一种方法注射成型几乎适用于全部的热塑性塑料,并且也成功地用于成型某些热固性塑料注射成型的成型周期短,成型制品质量可由几克到几十千克,能一次性成型外形困难、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的模塑品因此,该方法适应性强,生产效率高然而翘曲问题却也伴随而来翘曲变形是指注塑件的形态与磨具的型腔形态的偏离,该缺陷是注塑成型中常见的缺陷之一随着塑料工业的发展,制品中塑料零件与塑料零件的装配、塑料零件与金属零件的装配状况特殊普遍,对于须要进行装配的零件均要求形态尺寸的精确协作,翘曲变形程度作为评定产品质量的重要标记之一越来越受到关注和重视注塑成型是一个多变量、分布参数、非线性、强耦合且须要人工参与的困难的过程,一般在注塑机、材料、模具等确定的状况下,注塑工艺参数的设定对产品的质量有着干脆的影响工艺参数的影响规律随着塑料原料本身的特殊性、模具结构特征、产品结构特征等不同而变更注塑制品产生翘曲的干脆缘由在于塑件的不匀整收缩假如在模具设计阶段不考虑充填过程中收缩的影响,则制品的几何形态会与设计要求相差很大,严峻地变形会导致制品报废除填充阶段会引起变形外,模具上下壁的温度差也将引起塑件上下表面的收缩的差异,从而产生翘曲变形对翘曲分析而言,收缩本身并不重要,重要的是收缩上的差异在注塑成型过程中,熔融塑料再注射充模阶段迟疑聚合物分子沿流淌方向的排列使塑料在流淌方向上的收缩比垂直方向的收缩率大,在注射成型的填充阶段结束后接着施加压力可以削减材料的体积收缩,但差别过大时,产品的尺寸便难于限制,会产生较大的内应力,当该内应力超过材料的刚度时就会发生翘曲现象故翘曲主要是由制品收缩不匀整造成的,翘曲导致制品的弯曲和扭曲,不仅包括尺寸上的变更,也包括外观轮廓上的变更为此许多探讨人员通过用田口试验设计方法,针对详细实例接受CAE技术等进行翘曲分析,以探讨各种注塑成型工艺条件对制品翘曲的影响状况,并得出较优参数水平组合,以达到参数优化配置的目的在这里我先介绍一下什么是田口优化田口方法是一种低成本、高效益的质量工程方法,它强调产品质量的提高不是通过检验,而是通过设计其基本思想是把产品的稳健性设计到产品和制造过程中,通过限制源头质量来抵抗大量的下游生产或顾客运用中的噪声或不行控因素的干扰,这些因素包括环境湿度、材料老化、制造误差、零件间的波动等等田口方法是日本田口玄一博士创立的,其核心内容被日本视为“国宝:日本和欧美等发达国家和地区,尽管拥有先进的设备和优质原材料,照旧严把质量关,应用田口方法创建出了许多世界知名品牌田口方法的目的在于使设计的产品质量稳定、波动性小,使生产过程对各种噪声不敏感在生产过程中利用质量成本效益的函数关系,在低成本的条件下开发高质量产品田口优化技术在注射成型优化参数方面有其显著优势,它对注射成型过程模拟分析并预料潜在的问题,以提高一次试模率,达到降低生产成本、缩短生产周期的目的成型工艺参数设计的优化设置在确定范围内能克服成型缺陷,提高产品质量但是影响产品品质的参数因素较多,而且各参数因素之间存在非线性的关系和强耦合特性,设计者须要花费大量精力和金钱来确定他们有限元分析在优化参数方面同样起到特殊重要的作用对模型参数优化分析是不行避开有大量数学模拟分析,有限元技术给我们供应了一个有效且相对简洁的数值计算方法通过利用有限元对模型预先模拟,对于注射成型来说可以预先确定其最佳浇口位置依据有限元理论CAE技术通过计算机帮助求解困难结构和产品的结构力学性能,以及优化结构性能等它将工程的各环节有机地组织起来,应用计算机技术、现代管理技术、信息科学技术等科学技术的成功结合,实现全过程的科学化、信息化管理,以得到良好的经济效益和优良的工程质量注射成型CAE技术是依据塑料加工流变学和传热学的基本理论,建立塑料熔体在模具腔中的流淌、传热的数理模型,利用数值计算理论构造其求解方法,实现成型过程的动态仿真分析使对塑料成型过程的相识从宏观进入微观、从定性进入定量、从静态进入动态,为优化模具设计和限制产品成型过程以获得最终产品供应科学依据和分析手段国际上早20世纪在50年头末、60年头初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序其中最著名的是由美国宇航局NASA在1965年托付美国计算科技公司和贝尔航空系统公司的NASTRAN有限元分析系统此后有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、BERSAFE等公司的产品以有限元为基础的CAE技术在参数优化上更是起到特殊重要的作用下面我来详细了解一下对参数优化的关键作用的工程技术技术CAE I注塑模CAE技术是以高性能计算机及图形显示设备的发展为发展条件,以计算力学中的边界元、有限元、结构优化设计及模态分析等方法为理论基础的新技术注塑模CAE技术能预料注射成型时塑料熔体在模具腔中的流淌状况及塑料制品在模具型腔内的冷却、固化过程,在模具制造之前就能发觉设计中存在的不足之处,变更了以往主要靠阅历和直觉,通过反复试模、修模来修正设计方案的传统设计方法⑴注塑模CAE的国内外发展概况由于注塑模CAE技术具有重要的实际意义,国内外的科研机构、高等院校等都投入了大量的人力、物力和财力进行探讨注塑模CAE软件的发展或许阅历了四个阶段
①70年头以前,由于计算机条件的限制,对充模过程和冷却过程分析都是接受一维模拟早在1960年,Toor、Ballman和Copper最先用数值方法计算了熔体的充模过程,随后,许多探讨者对一维流淌进行了大量的探讨,只要是计算塑料熔体在等直径圆管、中心浇口的圆盘以及端部浇口的矩形型腔中的流淌过程
②70年头中期到80年头中期,随着计算机技术的发展,充模流淌模拟和冷却模拟接受二维模拟技术,在二维模拟技术分析中,除数值流淌模拟方法本身的难点之外,另外一个难点是对移动边界的处理,即如何确定新时刻的熔体流淌前沿位置有限元网格分析法和有限差分有效的解决了这一难题
③80年头后期,开展了三维流淌和冷却模拟探讨,三维模拟主要接受两种方法其一,Hiebber与Agassant接受流淌路径法实现了对三维制件的流淌分析其二,w.wang及Hieber用有限元与有限差分混合法,沿用Hieber和Shen提出的数学模型,求解压力场针对三角形线性单元,定义了限制体积,并沿用FAN法的基本思想,提出限制体积法CAS来确定熔体流淌前沿位置这一阶段,接受边界元法对对冷却过程进行了三维模拟分析
④90年头以后,已将探讨重点转向材料的粘弹性、困难三维模拟及取向、残余应力和固化现象的探讨另外,计算方法在双螺杆挤出、热成型、薄膜吹塑、反应注射成型和气体帮助成型的工艺条件设定方面的应用也成为探讨热点同时为了提高CAE系统的好用化程度,提高系统几何模模型的生产速度,进行了广泛地CAD\CAE\CAM集成化探讨,人工智能在CAE中的应用也取得了一系列的发展⑵注塑模CAE的发展趋势90年头以来,注塑模CAE技术从理论探讨到实际应用取得了飞速的进步模型建立、数值方法上日趋完善,数学模型对成型过程的模拟更精确、真实注塑模CAE技术的运用范围已经渗透到塑料模具的设计和制造的各个环节但是,注塑模CAE商品化软件的功能和精度还有确定缺陷例如,目前CAE技术不能代替人的创建性工作,只能作为一种帮助性工具帮助设计人员去推断设计方案是否合理,须要通过反复交互(分析一修改一分析),才能将设计人员的正确方案体现到模具设计中去,而设计方案的确定在很大程度上照旧依靠设计人员的阅历和水平随着科学技术的发展进步和探讨的深化,注塑模CAE技术奖的到进一步的完善和提高,其发展趋势主要变现在如下几方面
1.注塑模CAE软件的完善和模拟精度的探讨注塑模CAE软件目前包括注塑流淌模拟、保压模拟、塑件应力及翘曲模拟等一方面,这些软件的数学模型及算法还有待进一步完善并扩大其适应范围;另一方面,这些独立的分析软件还须要有机地结合起来,才能获得更为符合实际的分析结果
2.智能化注塑模CAE技术探讨在现有的注塑模CAE技术上,优化就是反复的交互,最终设计方案的确定照旧依靠设计者的阅历和技巧将人工智能技术,如专家系统、神经网络等加入设计计算中,使模拟程序智能化地选择注塑工艺参数,供应修正品尺寸、冷却管道布置方案,削减人工对程序的干涉,变更目前CAE技术仍被动依靠人的阅历供应设计方案的局面,实现注塑参数、浇注系数、冷却系统的自动优化设计,以达到注塑模CAE技术应用的广泛性
3.注塑模具CAD\CAE\CAM的集成化探讨CAE软件可以模拟塑料在不同工艺条件下注塑状况,从而确定其合理的注塑条件,并对制品成型后的质量参数作出预料工程技术人员利用CAE软件可以对注塑制件的各种性能进行全面分析,修改优化模具的设计参数和制造工艺但是目前出售的商品化CAE软件与CAD、CAM软件之间的数据传递主要依靠文件的转换,这简洁造成数据的丢失和错误,使得CAE图形处理工作加重,从而降低了工作效率因此在设计制造过程中实行单一的模型,建立CAD\CAE\CAM系统的统一数据库,加强三者之间的联系并最终实现“设计一仿真一制造”一体化是今后的发展方向
4.注塑成型工艺及模拟探讨随着注塑成型设备和成型工艺的不断发展,出现了气体帮助注射成型的新工艺该工艺将注塑成型与结构发泡成型结合在一起,降低了模具型腔内熔体的压力,所注射压力下,制品成型后翘曲变形小,表面质量好,成型周期短这项工艺在日本、欧美已被广泛用于汽车和家电行业的塑料生产气体帮助注射成型比一般注射成型多了气体注射阶段,气体推动塑料熔体充溢模具型腔,塑料熔体在高压气体作用下的流变行为及其困难且干脆影响塑件能否成型以及成型制件的质量和性能因此,该新工艺对CAE技术要求较高田口优化%一田口优化介绍参数设计(也称稳健设计)是由日本稳健专家田口雄一提出的一种质量改进技术它被认为是一种削减产品(或工艺)波动的经济有效的方法贝尔试验室的质量保证中心组织的1984和1985年Hohonk会议,在向世界介绍田口思想以及促进一系列探讨便利起了很大作用十几年来已经发觉许多关于田口参数设计思想的探讨和工业上的许多应用田口优化是在探讨与开发期间改进生产率的一种工程方法,使之能快速而低成本的生产出高质量的产品它重点解决了全部产品(或工艺)的设计人员所面临的以下问题
(1)如何有效地削减顾客环境下的产品性能的波动且费用少
(2)如何保证在试验中求出的最优条件同样在加工过程和顾客环境下也是最优二正交试验设计简介试验支配得好,试验次数少且能获得满意的结果,多快好省,事半功倍,反之则事倍功半举例来说若影响质量指标的因素有A、B、C3种因素,每个因素各取3个水平,分别为Al、A
2、A
3、Bl、B
2、B
3、Cl、C
2、C
3.(所谓因素的水平即该因素在其试验范围内取具有代表性的“值”,三水平就是有代表性的3个〃值〃,水平有时不限于数值,它可以是原料的种类或操作方式等等)按传统的方法接受单因素轮换法支配试验譬如因素B固定在B1水平上,因素C固定在C1水平上,试验支配为,假如试验结果发觉在A3水平较好,则支配试验,这时发觉B2较好,以后就支配,假如发觉C3较好,那么A3B2c3为最佳条件,这种试验支配的缺点是
①考察的因素水平仅局限于局部区域,不能全面地反映因素的全面状况,找不出影响质量的主要因素,无法再在三水平外接着找更好的配比组合(水平)
②假如不进行重复试验,试验误差就估计不出来,因此无法确定最佳分析条件的精度当然,我们可以用全面试验法按它们全部可能组合的状况做试验,则需做33=27次试验,对各因素进行全面考虑,从中选出最优化条件,但这种作法很不经济,有时是不行能实现的例如支配5个因素的3水平的全面试验需做35=243次,这在人力、物力、时间上是几乎不行能执行的因此,我们很自然地会提出下列问题如何从大量的试验点中选择适量的具有代表性、典型性的点呢特殊是怎样选择试验次数尽量少而又有代表性的试验呢利用依据数学原理制作好的规格化表一正交表来设计试验不失为一种上策,这种设计方法被称为正交最优化,即正交试验设计方法事实上,正交最优化方法的优点不仅表现在试验的设计上,更表现在对试验结果的处理上还以前面提到过的三因素三水平的项目为例,是否同样做9次试验,可以完全克服单因素轮换法支配试验的诸多缺点,且能选出影响质量的最主要因素,便于进一步试验呢回答是确定的,这便是利用正交表,进行正交试验设计表1为三水平正交表中的一种,可以在本例中应用表1中的水平
1、
2、3分别为各自所在的列对应的因素的第
1、第
2、第3水平我们以试验6为例说明每一个试验是如何组成的试验6是由因素A取其次水平A
2、因素B取第三水平B
3、因素C取第一水平C1所组成的,其余各组试验以此类推这9个试验支配得好,每个因素中每一个水平都有3个试验,正是由于它们搭配得匀整,所以任一因素的任一水平与其它因素的每一水平相碰一次,且仅相碰一次正因为如此,才便于对试验结果进行科学分析有时候,利用正交设计试验得出的结果可能与传统的单因素轮换法的结果一样,但正交试验设计更具有以下优势
①考察因素及水平合理、分布匀整
②不需进行重复试验,误差便可估计出来,且计算精度高
③找出了最主要因素,便于进一步试验
④因素越多、水平越多、因素之间交互作用越多,正交表的作用越大,而此时即运用单因素轮换法也几乎不行能实现因此,正交试验设计的运用具有广袤的天地(交互作用是指两个或两个以上因素同时作用时对试验结果的影响,这个影响一般不等于各个因素单独作用所产生的影响之和当需考察因素之间的交互作用时,因素的排列是有讲究的三匀整试验设计及单纯形优化法简介但随着电脑以及高新技术的快速发展,科学试验越来越困难,也越来越昂贵,则要求大大削减试验次数,且更加精确与推理性国际数理统计学会唯一的中国大陆院士方开泰教授与著名数学家王元教授1978年共同创建了“匀整设计法”,是一种最新的试验设计多年来,这一方法的应用在国内外生产与科研的众多领域,已取得丰硕成果和巨大经济效益,并得到国际上一样好评此时事实上,是对参与试验各个因素之间的内在关系进行数字仿真,从而大大削减了试验,降低了试验成本,同时快速有效地优化了结果“匀整设计”是一种全新的试验设计方法,是“模拟”走向“数字”的突破在工农业各类优化课题中已经发挥重要作用,并取得巨大的经济效益一.“匀整设计”的优点
1.试验次数大大削减例如某化工试验,欲找出最优产量或其它优化目标条件试验因素3个,每因素在取值范围内均有7个试验点接受“优选法”对多因素同时选优的试验,不适用接受“正交法”需做49次试验,方可找出最优产量或其它优化目标条件接受“匀整设计”只需做7次试验即可
2.自动将各试验因素分类为重要与次要,并将因素按重要性排序
3.过程数字化,通过电脑对结果与因素条件进行界定与预报(如天气预报),进而限制各因素二.“匀整设计”的操作过程
1.先由技术人员选出试验的关键因素,并确定各因素的取值范围及试验点;
2.依据“匀整设计”选出适当的“试验表”;
3.依据表格规定的依次做试验;
4.电脑算出该试验的数学模型,再算出优化条件及优化结果总之,设计人员和生产人员运用工程技术可以有目的地修改试验方案和工艺条件,克服因阅历少、设计失误所带来的不良后果,把更多精力用在新产品和新工艺上,以适应日益激烈的市场竞争技术的发展、应用及我国推广现状;CAEA technicalnote onthe characterizationof electroformednickel shellsfor theirapplication toinjection moldSo。