手机壳CAE可模塑性分析和优化设计

手机壳体的结构强度和外观质量是手机的重要的考核部分。cae模流分析不仅可以在手机壳体的设计过程中预测可能出现的缺陷，直观地反映出产品设计模型上不合理的结构，而且可以通过模拟，优化手机壳体的结构强度，提高整机的可靠性。本文主要从以下几方面来对手机壳体进行优化：浇口的位置优化分析；流动、填充、翘曲分析；实验设计优化doe(design of experiments)分析。

为了能预测和模型化描述在注塑成型中存在的复杂聚合物流动，必须了解cae技术的核心数学物理模型及其由此带来的求解难度、局限性。目前，尚无确切反映非牛顿塑料熔体本质的流变学公式，但可以用一些简化模型来表示。

常用的粘度公式有幂律模型、二次幂律模型、ellis模型、bird-carreau模型、cross粘度模型五种形式。幂律模型可以描述高剪切速率下熔体的流变行为, 但无法描述低剪切时的熔体粘度, 特别是零剪切速率时的流变行为, 尽管如此, 在充模流动分析中仍被广泛采用, 原因在于充模阶段熔体通常有较高的剪切速率。二次幂律模型在一般情况下能较好地反映成型的流变行为，但过多的材料常数单凭流变学实验数据往往无法得到。eills模型在较低的低剪切速率下，可以预测零剪切粘度；在较高的剪切速率时接近于幂律行为。最为流行和被广泛用于流动分析的是cross粘度模型，cross粘度模型不仅能描述高剪切速率时的幂律模型流变行为，而且可以描述接近零剪切速率时的流变行为。

moldflow模流分析软件

注塑cae软件的功能模块主要有流动、保压、冷却、翘曲、doe等部分，各个功能模块有一定的关联性。cae 各功能模块的应用，可以以最少成本，最短时间，最实际可行的方案优化目标。但是，由于所用的原理有差异，各个模块在使用时有一定的区别。

根据注塑cae软件各功能模块的特点及课题的研究方向，采用moldflow软件，首先分析优化浇口位置，确定浇口数量，然后对塑件进行流动和翘曲分析，在设计阶段，评估设计方案的可行性与成型性，作为修改设计与产品壁厚分布的参考，避免潜在成型问题，如短射（欠充填）及气穴，评估不同设计参数变更对产品成型的影响，以进行必要的设计变更及优化。最后利用moldflow软件的实验设计优化模块doe(design of experiments)，以制件壁厚、熔体温度和模具温度为实验参数, 确定出各个实验参数对实验目标的影响度大小，调节实验目标影响最大的实验参数取得更好的实验结果，获得各个实验参数最佳水平组合。

可模塑性分析

主要研究注塑件的几何尺寸和成型工艺对最终产品质量的影响，借助计算机辅助工程模拟流动分析软件moldflow，在综合分析的基础上对塑料件几何尺寸和成型工艺进行优化，从而在设计阶段有效地解决可能出现的质量问题。

◆ 浇口位置分析优化

选用ge lexan exl 1414 (pc)作为分析材料，pro/e作为建模软件，moldflow作为模拟分析软件。分析目标为手机前壳，壳体平均设计壁厚为1mm。网格化后的模型如下图1：

图1：网格化手机模型 图2：最佳浇口位置范围图

优化结果如下：

图2表示最佳浇口位置图。从优化结果可以看出最佳浇口位置在lcd窗口左右。

根据优化结果和产品结构尺寸，采用两个浇口进胶，进胶位置如图3所示。

图3：浇口位置图 图4：流动前沿温度图

◆ 充填分析

采用moldflow默认浇注系统和注塑工艺设置，对模型进行流动分析，结果如下：

图4表示流动前沿的温度分布情况。从图中可以看出流动前沿的温度分布比较均匀，但是在图中的圆圈标示处，温度较低，浇口位置和大小还需要进行微调。

图5表示了分子定向情况，表面分子定向值是2，核心分子定向值为1。

图5：分子定向

图6表示了熔接痕的分布情况。可以看出，在图中圆圈标示处存在因熔接痕集中分布而使强度降低的危险截面。

图6：熔接痕分布图

从充填分析结果可以看出，采用两个浇口后流动是平衡的，没有出现短射等成型问题，同时注塑压力、锁模力也较低，降低了制件生产对注塑机的参数要求，但是，熔接痕分布不太理想，一些关键部位出现的熔接痕会削弱产品强度。

◆ 翘曲分析

采用moldflow默认浇注系统和注塑工艺设置，对模型进行翘曲分析，结果如下：x向最大翘曲值为0.16毫米；y向最大翘曲值为0.2毫米；z向最大翘曲值为0.2毫米。

从翘曲分析结果可以看出，y向和z向翘曲较大，这是由于大的lcd窗口使料只能沿两条狭长区域流动造成的。

分析流动和翘曲结果，制品设计和模具需要进行以下几点变更：

1. 从熔接痕分布图可知，在制品lcd窗口右上角和左下角，存在危险区域。在产品设计和模具设计时，修改产品局部壁厚并调节浇口位置，使熔接痕分布于非危险截面，提高产品强度和外观质量。

2. 翘曲分析结果中，y向和z向翘曲较大，在模具设计时，调节冷却系统，使制品均匀收缩。

3. 增加lcd窗口左右壁处的加强筋数量，使熔体在此处的流动加强，这样不仅能使流动前沿的温度更加均匀，熔接痕分布更加合理，而且减少因收缩不均匀在lcd窗口左右壁处产生的翘曲量。

◆ doe(fill)和doe(flow)分析优化

moldflow中的doe提供了两种实验设计方法：taguchi和factorial实验设计。taguchi方法通过运行数目较少的一组优化实验，确定出对实验目标的影响最大的实验参数。factorial方法运行的实验数目要大于taguchi方法中运行的实验，它用以确定实验参数的最佳实验水平组合。

本课题首先使用taguchi方法确定出对实验目标的影响最大的实验参数，然后使用factorial方法确定实验参数的最佳实验水平组合，分别对fill 和flow进行优化。