模具填充之后起模的仿真的制作方法

專利名稱：模具填充之后起模的仿真的制作方法
技術領域：
本申請涉及包括填充腔、冷卻結合相變/凝固以及隨后的從腔中脫除部件的過程。具體地，本申請涉及對該過程的仿真。
背景技術：
注模過程或金屬鑄造過程的真實的三維仿真涉及許多方程的復雜系統。過去做出的進步是改進仿真方法的效率以應對這些復雜的計算。利用優化的軟件和現代工作站或PC 的處理能力，這樣的仿真能夠在工作場所中進行，即足夠快速地獲得適合于純科學研究領域以外的結果且該結果能夠由研究和開發部門、鑄造車間中的工程師和注模物品的制造商來應用。這些過程的仿真的先進的軟件版本能夠計算部件的殘余應力、翹曲和變形，也能夠計算在部件起模之后部件的殘余應力、翹曲和變形。然而，在各種類型的過程中，在起模過程中施加到部件上的力是相當大的且導致對部件附加的變形和應力。已知的過程仿真軟件還不能夠將這些力對部件的影響考慮進去。因此，設計和開發工程師還不能夠在沒有在工作區上進行實際的試驗運行的情況下精確地預測所開發的產品的性能。

發明內容
在該背景下，申請人認識到，提供一種工具將是有優勢的，這種工具允許在對所導致的部件的應力、翹曲和變形的計算中包括將部件從腔起模的效果。該目的是通過提供用于對將部件從腔起模進行仿真、并基于該起模仿真來計算所導致的部件的應力和變形的方法來實現的。該目的還通過提供用于對將部件從腔起模進行仿真、并且基于該起模仿真來計算所導致的部件的應力和變形的設備來實現。該目的還通過提供帶有用于對將部件從腔起模進行仿真的軟件代碼、并且基于該起模仿真來計算所導致的部件的應力和變形的計算機可讀介質來實現。該目的還通過提供用于對將部件從腔起模進行仿真的應用程序、并且基于該起模仿真來計算所導致的部件的應力和變形的用戶界面來實現。方法、設備、計算機可讀介質和用戶界面的進一步的優點、特征和性能將從詳細說明而變得明顯。


在本說明書的以下詳細部分中，將參考附圖中所示的示例性實施例來更詳細地解釋本文獻的教導，在附圖中圖IA是穿過包括處于第一狀態的模具的注模機的圖解表示的橫截面圖，圖IB是穿過處于第二狀態的圖IA注模機的圖解表示的橫截面圖，圖IC是穿過處于第三狀態的圖IA注模機的圖解表示的橫截面圖，
圖2A是穿過處于第一狀態的模鑄機的圖解表示的橫截面圖，圖2B是穿過處于第二狀態的圖2A模鑄機的圖解表示的橫截面圖，圖2C是穿過處于第三狀態的圖2A模鑄機的圖解表示的橫截面圖，圖2D是穿過處于第四狀態的圖2A模鑄機的圖解表示的橫截面圖，圖3是概括了根據示例性實施例的仿真模具填充和部件冷卻過程的基本工藝步驟的流程圖的第一部分，圖4是圖3過程的第二部分，圖5是概括根據示例性實施例的仿真部件起模過程的基本步驟的流程圖，圖6是根據示例性實施例的模具填充和部件起模仿真并示出選擇仿真中將包括的起模過程的屏幕截圖，圖7是圖6的仿真軟件的屏幕截圖，示出材料和起模桿的選擇，圖8是圖6的仿真軟件的屏幕截圖，示出機械邊界條件以及因此起模桿的控制 (運動)的選擇，圖9是圖6的仿真軟件的屏幕截圖，示出用于起模仿真的摩擦定義的選擇，圖10是圖6的仿真軟件的屏幕截圖，示出起模定義的選擇，圖11是圖6的仿真軟件的屏幕截圖，示出輸出結果的選擇，圖12至14是示出利用圖5的仿真軟件的模具填充和冷卻/填密/凝固過程仿真的結果的屏幕截圖，圖15至17示意性示出從圖12至14的模具填充和冷卻/填密/凝固過程仿真所得到的部件的起模，圖18至21示出圖12至14中的模具填充仿真的部件的應力和位移形式的起模過程仿真的結果，圖22和23示出當使用單個起模桿時，圖12至14中的模具填充仿真和冷卻以及相變的部件的應力和翹曲形式的起模過程仿真的結果，以及圖M示出在帶有較多數目的桿的更實際的情形中起模桿上的接觸壓力的仿真結^ ο
具體實施例方式在以下詳細說明中，參考示例性實施例來詳細說明根據本申請的教導的用戶界面、方法和軟件產品。圖IA圖解地示出注模機1。該注模機設置有螺桿2，布置在料斗3中的聚合物球粒被供給螺桿2。聚合物球粒通過螺桿2和加熱元件4的作用而被轉變為粘性塊，該粘性塊在高壓力下被推入模具中模具半部6和7之間的模腔中。在圖中模腔填充有待生產的部件 5。起模桿8通過致動器9的作用而移動。在部件已經被充分冷卻之后，通過使模具半部6縮回來打開模具(圖1B)。接下來，起模桿8在致動器9的作用下將部件5推出模腔。模制機和注模制造循環在本領域是眾所周知的且在此不再進一步詳細說明。圖2A圖解地示出模鑄機10。該模鑄機10具有由兩個模具半部(固定的模具半部 16和移動的模具半部17)形成的鑄模(模具)、連接到柱塞12的腔室14和通過致動器19的作用而移動的起模桿18。利用柄勺13來給模鑄機10的腔室14填充液體金屬。在接下來的步驟中，柱塞12將來自腔式14的液體金屬推入到模腔中(圖2B)。當待生產的部件15已經被充分冷卻且凝固時，鑄模通過縮回移動的模具半部17 而打開(圖2C)。此后，起模桿18在致動器19的作用下將部件15推出移動的模具半部17 (圖2D)。模鑄機和模鑄制造循環在本領域中是眾所周知的且在此不再進一步詳細說明。然而，由于部件5、15仍舊相對熱，所以由起模桿8、18施加到部件5、15的力能夠導致形變，例如由桿引起的印痕、凹痕以及部件5、15的局部材料應力。根據示例性實施例，能夠利用圖3和4示出的過程，在計算機上執行注模工藝或模鑄工藝的數值仿真。已經檢驗的仿真的主要步驟大致如下步驟20，提供仿真域的幾何形狀的數字表示；步驟21，網格剖分，其是將計算域細分成很多小的元件，該元件是使微分方程離散 (利用不同的求解算法)以及以這種方式找出待仿真的物理現象的解的基礎；步驟22，將用于不同材料域的必要的物理數據附加到仿真模型(數據庫或數據總庫)；步驟23，指定用于仿真方案的邊界條件；步驟M，設定熱物理材料性能、流動前沿、溫度等的初始條件；步驟25，利用質量、能量和動量方程的守恒來求解整個域的熱方程和所有流體單元上的流動方程；步驟沈，在該步驟中，移動流動前沿且采用根據新的流動前沿的邊界條件，并且計算如化學反應的額外量，并且驗證單元是否凝固；在步驟27中，驗證模具填充過程是否完成；如果沒有，則仿真繼續下次的步驟，且過程返回到步驟25;在步驟觀中，在部件仍在腔中時開始冷卻階段。在冷卻或填密階段，轉變/凝固發生且粘性塊變為固體部件，在冷卻和轉變期間增進其典型的機械性能，受收縮效果、變形力的影響，導致局部應力和翹曲，在步驟觀中，當部件仍在模具或鑄模中時求解能量和平衡方程，在步驟四中，預測相變、硬化現象、微結構、溫度和機械場；在步驟30中，確定部件和鑄模之間的接觸界面的位置；在步驟31中，更新邊界條件；在步驟32中，確定腔中的冷卻過程是否完成，如果腔中的冷卻過程還沒有完成則過程返回到步驟觀，如果腔中的冷卻過程實際上完成則過程移動到步驟33，在步驟33中，決定起模過程是否被仿真，如果決定仿真起模過程，則過程移動到步驟50，參考圖5來更詳細描述起模仿真的細節；以及當起模沒被仿真時，過程移動到步驟34以儲存并在用戶選擇時以諸如PC或工作站的計算機顯示器上的圖形或數值表示的方式顯示仿真結果。當仿真起模過程時的步驟50的細節參考圖5的流程圖的示例性實施例示出。在過程的該部分，利用數值算法求解靜態平衡方程步驟51，設定熱物理材料性能的初始條件；優選地使用模具填充/冷卻仿真的結果。這些結果可以是早先的模具填充和/或冷卻/填密/相變/凝固仿真的儲存結果，即起模仿真不必作為模具填充仿真的整體部分來進行；可替選地，起模仿真的初始條件基于均勻溫度分布的假設，在步驟52中，去掉已經被打開/去除的鑄模/模具部件的約束；在步驟53中，更新起模桿的位置，在步驟M中，求解整個域或域的部分的靜態平衡方程。可選地，也通過求解用于整個域或域的部分的熱方程來確定冷卻和收縮，在步驟55中，確定系統的變形，在步驟56中，確定部件和起模桿中的內應力；在步驟57中，更新接觸狀態和試驗應力；在步驟58中，確定接觸狀態是否穩定，如果接觸狀態不穩定，則過程返回到步驟 54，如果接觸狀態穩定則過程繼續到步驟59 ；在步驟59中，檢驗起模過程是否完成；如果起模過程沒有完成，則仿真繼續下次步驟且過程返回到步驟53以更新桿的位置；如果起模過程已經完成則仿真繼續到步驟60，以利用從注模、冷卻、填密、相變/ 凝固仿真和起模仿真得到的信息來計算部件在模具或鑄模外情況下的溫度和機械場，例如溫度、收縮、翹曲等，以及隨后過程移動到步驟61以顯示仿真結果作為諸如PC或工作站的計算機顯示器上的圖形或數值表示的方式(如果起模仿真是模具填充、冷卻/填密、相變/凝固仿真的整體部分，則這將返回到圖4的步驟34)。在步驟58中的收縮和翹曲計算是固體力學計算，其中控制方程是靜態平衡方程， 即計算域中的力平衡。在實施例中，起模仿真還包括對起模桿的固體力學計算且提供關于桿的所得到的應力和扭曲的信息。在這種類型的計算中，通過來自作為時間的函數的溫度差的熱應變加上例如來自相變或固化的體積變化來加載材料。由于域中的不均勻的收縮/膨脹或由于來自例如周圍鑄模的邊界條件或由限定的起模桿給定的施加的邊界條件，應力在材料域內積聚。如果材料不受收縮/膨脹限制，則其將變形而不是積聚應力。典型地，當部件在模具/鑄模內并冷卻時，其將圍繞內模具部分收縮。如果部件在模具/鑄模內冷卻太長時間，則其將開始粘著。因此，變得很難去除部件，且因此起模部件所需的力將由于增加的摩擦而增加。除控制方程(平衡方程)之外，利用接觸算法來求解部件和模具/鑄模之間的界面問題。該算法能確保當部件材料在模具的封閉區域上收縮時加強來自模具/鑄模的約束。還確保在部件材料收縮離開模具/鑄模處在部件材料和模具/鑄模之間形成間隙。為了對起模過程進行模型化，接觸算法包括在算法已經檢測到接觸的界面處的摩擦，即在接觸壓力被積聚的界面處。該接觸壓力與部件和模具內芯/芯之間的摩擦有關，該摩擦可以例如通過庫倫摩擦定律來進行模型化。材料對加載的響應，即，當材料受到加載/變形時在材料中積聚的內應力的水平通過基本定律來描述。對于模型化的該部分，軟件利用非線性材料模型，該非線性材料模型對于描述全負荷歷史以及更精確地預測短暫的和殘余的應力和變形來說通常是必要的。在實施例中，可以選擇以下的應力結果來進行計算 位移·法向應力·剪切應力·機械法向應變·機械剪切應變·法向應變率·馮米塞斯(von Mises)應力·主應力·基準應變·總應變 剪切應變率·基準應變率·主應變·主應變率注意，位移結果表明鑄造或模制組件的翹曲或扭曲。也可以限定模具插入件。插入件在填充/冷卻/填密/相變/凝固期間的變形可以被考慮進去。在填密和冷卻階段，模制的物品朝向模具損失熱并開始收縮。然而，模具阻礙物品的自由收縮。在某些區域中，模制的物品將失去其與模具壁的接觸；這里，模制的物品更自由收縮。在其他區域中，收縮緊縮對于模具的接觸壓力；模制的物品在模具細部上收縮，例如在芯或桿上。與模具的該強接觸明顯地限制模制物品的自由收縮；因此內應力被積聚。此外，高的填密壓力能夠在肋形狀的區域中導致相似的效果。當肋被過填密時，熱收縮不足以使模制物品在肋區域中收縮以離開模具壁。結果是增加的內應力。起模仿真軟件自動地檢測模制物品(部件)和腔壁之間的相互作用。界面被限定為接觸表面并用于將約束施加到模制物品(部件)。在仿真中，這意味著模制物品能夠局部地收縮離開模具壁，在該情形下，去除相應的界面區域的約束， 或者模制物品收縮到模具壁上，在該情形下，在與接觸表面(垂直于模具壁)的正交方向上相應的界面/接觸表面將被約束。由于該約束，模制物品不被允許穿透接觸表面或收縮超過模具壁。在實施例中，以下的數據被附加到該仿真且能夠通過仿真軟件的用戶來確定。工具(鑄模/模具)-剛度(結構)-冷卻-材料
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-熱性能-摩擦性能/表面粗糙度部件(模制物品)-壁厚度-橫截面-平面投影-底切聚合物或金屬合金-摩擦性能-機械性能-熱物理數據-收縮特性工藝參數-壓力曲線-溫度發展-接觸溫度-起模桿移動在工作站或PC上運行的仿真軟件的用戶界面允許用戶改變工藝參數，例如起模桿布置、起模桿直徑和起模桿(控制)移動條件。這參考圖6至11的仿真軟件的示例性實施例的屏幕截圖來示出。圖6示出給予用戶選擇模具填充和冷卻/填密仿真中包括或不包括起模仿真的可能性的屏幕截圖。圖7是示出用戶如何選擇材料和起模桿的屏幕截圖。圖8是示出用戶如何編輯才能夠限定起模桿的運動的機械邊界條件，即桿運動的輸入參數的屏幕截圖。圖9是示出摩擦限定的選擇的屏幕截圖。圖10示出限定何時/如何開始起模過程的屏幕截圖。示例是例如自動地(“當最后模具打開時”=默認輸入)或者用戶能夠限定時間(“之后與時間有關的”)，這與冷卻階段的開始有關。在該屏幕截圖中，起模過程的開始被限定為模具的最后部分打開時。圖11示出關于在仿真過程的結尾處記錄/示出的結果的選擇的屏幕截圖。圖12至14是示出模具填充和冷卻/填密/相變/凝固仿真的結果的屏幕截圖。 圖12示出模具填充過程開始時的模具填充。如所看到的，流動仍非常靠近內澆口。在圖13 中，來自內澆口的流動移動近似一半且在圖14中腔被完全填滿。在填充階段的結尾處，存在材料由于部件(模制物品)和模具之間的熱傳導而改變其相狀態的局部區域。冷卻階段跟隨熱從部件傳遞到模具。材料根據局部冷卻條件而改變其相狀態。材料由于材料上的外部壓力而被填密。粘性塊改變成固體材料。在該過程期間，典型的機械性能建立。在冷卻和相變期間，材料典型地收縮。在收縮受到模具壁阻礙的區域，材料收縮到模具上。在屏幕截圖中，參考屏幕截圖右側上的比例以彩色示出材料的各個部分的溫度。 在本黑白/灰度級版本中，因專利或專利申請的限制，這相對于彩色表示會難以識別。
在該示例中，模具填充和冷卻/填密/相變/凝固仿真的結果用于起模仿真。圖 15至17示意性地示出部件5的起模過程，部件5的模具填充仿真的結果在圖12至14的屏幕截圖中給出。通過起模桿8將部件5從可移動模具半部7中起模。在該示例中，為了示出的目的，僅有兩個起模桿8。然而，在實際模具中，諸如注模中，可以具有大量的起模桿。 在圖15中，具有附圖標記77的區域表明部件5收縮到模具半部7上的區域，而具有附圖標記66的區域表示在部件5和模具半部6之間存在間隙的區域。在圖16中，模具半部6被縮回，以及在圖17中起模過程即將進行。圖18至21以屏幕截圖形式示出起模過程仿真的結果，所述屏幕截圖示出部件和起模桿的位移。部件在各個方向上的局部應力、應變或局部位移可以通過顏色變化來可視化。在這些圖中，以顏色顯示圖的頂部到底部方向上的應力，這能夠通過圖中的灰度級變化來識別。此外，組件的相對位移通過夸大的扭曲而可視化。尤其是在圖21中，能夠看到與起模桿接觸的組件的角部比其他兩個角部被向上推得更遠。圖22至23示出屏幕截圖形式的起模過程仿真的結果，其示出當使用單一中心定位的起模桿時部件中的應力。部件上的應力水平通過屏幕截圖中的顏色變化來示出，這能夠作為圖中的灰度級變化來識別且與部件右側上的標尺40有關。在圖22中，能夠看到中心定位的起模桿關于組件中的米塞斯應力的效果。在圖23中，再一次可視化部件中的應力。 此外，通過夸大的變形可視化由于起模桿引起的組件的局部位移。對于此情況，起模桿導致盒狀組件的中心的明顯變形。圖M示出屏幕截圖形式的起模過程仿真的結果，其示出在起模過程期間的時間點期間一組起模桿上的接觸壓力。利用該信息，能夠估計所需的起模力且能夠確定在起模期間作用在部件上的局部力。能夠單獨地或以各種組合來利用上述本文獻的教導的各個方面。本文獻的教導優選地通過硬件和軟件的組合來實現，但是也能夠以硬件或軟件來實現。該文獻的教導具有很多優點。不同的實施例或實現方式可以產生以下一個或多個優點。應該注意，這沒有詳盡列舉且可能有此處沒有描述的其他優點。本文獻的教導的一個優點是其提供改進針對模制物品的仿真結果的工具。本文獻的教導的另一優點是其提供允許在仿真中考慮在模具/鑄模內的模具填充和冷卻之后部件的起模的效果的方法。本文獻的教導的又一優點是其提供允許在仿真中考慮在模具填充、冷卻、填密、相變/凝固之后部件的起模效果的設備。本發明的進一步的優點是其提供用戶界面并允許輸入部件從模腔的通常起模過程的仿真所需的參數。盡管為了示出目的而對本文獻的教導進行了詳細描述，但是應理解，這樣的細節僅是為了該目的且在不偏離本教導的范圍的情況下本領域技術人員能夠對此進行改變。例如，盡管本教導在注模過程和模鑄過程方面進行了描述，但是應該理解，本教導也可適用于例如吹塑的其他類型的模具填充過程。前面說明書中描述的特征可以以除了明確描述的組合以外的組合而被使用。盡管在前述說明書中盡力引起對本文獻的教導的那些被認為特別重要的特征的注意，但是應理解，申請人要求關于附圖中示出和/或以上參考附圖的任何專利特征或特征組合的保護，而不管是否對其進行了特別的強調。權利要求中使用的術語“包括”不排除其他元件或步驟。權利要求中使用的術語“一”或“一個”不排除多個。單個處理器或其他單元也可以實現權利要求中引用的多種裝置的功能。
權利要求
1.一種對借助于起模桿將部件從模腔起模的過程進行仿真的方法，所述方法包括 提供限定了解域的幾何形狀的三維計算機模型，指定邊界條件，基于所述模型使解域離散化以形成帶有多個單元的網格、或引入網格剖分，附加所涉及的材料的物理數據，獲取起模過程開始時的初始條件，求解用于所述解域的至少一部分的靜態平衡方程，計算起模過程對部件和起模桿的影響。
2.根據權利要求1所述的部件起模仿真方法，其中，所計算出的對部件的影響包括部件的位移、和/或部件上的應力、和/或部件的翹曲。
3.根據權利要求1所述的部件起模仿真方法，其中，從獨立的模具填充、和/或冷卻、和/或填密、和/或相變、和/或凝固仿真的結果來獲取所述起模仿真的初始條件。
4.根據權利要求1所述的部件起模仿真方法，其中，部件起模仿真是用于仿真模具填充、冷卻、填密、相變和/或凝固過程的方法的整個部分，且將模具填充、和/或冷卻、填密、相變/凝固過程的結果用作部件起模仿真的初始條件。
5.根據權利要求1所述的部件起模仿真方法，包括模具和部件之間的接觸仿真。
6.根據權利要求1所述的部件起模仿真方法，其中，所述仿真產生部件上的局部應變、部件上的局部應力峰和/或接觸壓力、和/或所述仿真包括部件的冷卻的仿真、和/或所述仿真包括起模桿上的機械負載。
7.根據權利要求1所述的部件起模仿真方法，還包括所述結果的可視化。
8.根據權利要求1所述的部件起模仿真方法，還包括允許用戶選擇起模桿的數目和/ 或起模桿的布置和/或起模桿的速度和/或起模桿的尺度。
9.根據權利要求1所述的部件起模仿真方法，包括對起模桿上的負載的計算。
10.根據權利要求1所述的部件起模仿真方法，包括對起模桿上的固體力學計算、且優選地提供關于對所述桿產生應力和形變的信息。
11.根據權利要求1所述的部件起模仿真方法，其中， 起模仿真的初始條件是基于均勻溫度分布的假設。
12.—種設備，包括處理器、用戶界面和用于對通過起模桿將部件從模腔起模進行仿真的應用程序，所述應用程序將所述設備配置成獲取或限定用于限定了解域的幾何形狀的三維計算機模型， 指定邊界條件，對解域進行網格剖分或引入網格剖分， 附加所涉及的材料的物理數據， 獲取起模過程開始時的初始條件， 求解解域的一部分的靜態平衡方程，以及計算起模過程對部件的影響。
13.一種計算機可讀介質，包括至少計算機程序代碼，所述計算機程序代碼用于對通過起模桿將部件從模腔起模進行仿真，所述計算機可讀介質包括軟件代碼，以獲取或限定用于限定了解域的幾何形狀的三維計算機模型，指定邊界條件，對解域進行網格剖分或引入網格剖分，附加所涉及的材料的物理數據，獲取起模過程開始時的初始條件，求解解域的一部分的靜態平衡方程，以及計算起模過程對部件和起模桿的影響。
14.一種應用程序的用戶界面，所述應用程序用于對利用起模桿將部件從模腔起模進行仿真，所述用戶界面被配置成允許用戶限定起模桿的數目， 所述用戶界面被配置成允許用戶限定起模桿的布置， 所述用戶界面被配置成允許用戶限定起模桿的幾何形狀，以及所述用戶界面被配置成允許用戶限定起模桿移動的速度。
15.一種用于對填充模具并借助于起模桿將部件從模腔起模的過程進行仿真的方法， 所述方法包括提供限定了解域的幾何形狀的三維計算機模型， 指定邊界條件，基于所述模型使解域離散化，以形成帶有多個單元的網格， 附加用于材料的物理數據， 求解解域的至少一部分的能量和流動方程， 計算各個單元中作為時間的函數的流動和溫度條件， 利用模具填充仿真的結果作為起模仿真的啟始條件， 求解用于解域的至少一部分的靜態平衡方程，以及計算起模過程對所述部件的影響。
16.根據權利要求12所述的用戶界面，所述用戶界面還被配置成允許用戶限定所涉及的材料、和/或限定邊界條件、和/或限定摩擦定義、和/或允許用戶限定起模定義、和/ 或允許用戶限定結果選擇。
全文摘要
用于仿真在模具填充和冷卻與相變/凝固之后部件的起模的方法、設備和軟件產品。提供了限定解域的幾何形狀的三維計算機模型且指定了邊界條件。對解域進行網格剖分并附加用于材料的物理數據。求解靜態平衡方程并且計算起模過程對部件的影響。
文檔編號B29C45/76GK102395972SQ201080016346
公開日2012年3月28日 申請日期2010年4月22日 優先權日2009年5月7日
發明者米夏埃爾·海策爾, 約爾格·克林克哈默, 耶斯佩爾·圖爾堡 申請人:馬格馬鑄造工藝有限公司