Moldex3D模流分析之应力分析模组

Moldex3D 中国 2023年11月2日浏览：1328

应力分析是CAE应用中最重要的模拟分析之一。材料与结构中的应力与应变是在一些边界条件（Boundary Condition, B.C.）下计算，例如：力、负载及位移。使用应力分析，可了解在一定的外力如温度或位移等情况下，产品机械行为如变形或强度等，将如何变化。塑料产品的机械行为不仅取决于材料的机械性质，也大幅受到制造过程的影响。在射出成型塑件中，因射出过程而产生的一些现象或缺陷，应在后续的应力分析中加以考虑与估算。这些现象或缺陷包含所谓的流动残留应力（例如：纤维配向效果、分子配向效果等）、热残留应力、缝合线、翘曲等等。塑料产品的应力分析若不考虑制程引发的因素，将无法产生正确的分析结果。

Moldex3D提供Moldex3D应力分析模块，能考虑与计算上述由制程引发之因素，也提供型芯偏移与模座变形分析，能模拟塑件嵌件（或模具嵌件）与模座组件在充填时因压力不平衡所造成的偏移。由于同时考虑型芯偏移、模穴与模座网格的变形结果，因此能准确预测在成型制程中嵌件的偏移问题，更全面评估具塑件嵌件的模型充填条件设定。这些分析结果能决定最佳浇口位置与射压，以减少模仁的移动并强化型芯偏移的控制。当应力与变形的分析结果是在不同的成型条件下，模座组件将会列入考虑之中，进而能改善模具结构以减少变形程度。

Moldex3D应力分析模块功能导览

Moldex3D应力分析模块能让用户在射出成型分析之前或之后立即执行线性应力分析。应力分析不需要其他分析结果即可执行。然而，如果有其他分析结果，一些数据如流动残留应力等能在应力分析中被考虑为初始内应力。Moldex3D应力分析模块提供三种稳态边界条件的类型：力、压力及位移。

针对型芯偏移，Moldex3D能让使用者快速且准确分析不同组件的交互行为，进而优化产品设计。如要分析型芯偏移问题，有两种计算方法：一是单向，另一则是双向（FSI，流固耦合），能模拟真实的型芯变形情形。此外，嵌件与熔胶之间的接触区域、嵌件与流动路径的配置皆能进行评估，以衡量变形结果。注意：如要执行双向流固耦合分析，必须有应力分析模块的授权。

针对模座变形，Moldex3D协助用户建立所有模具组件，并准确分析不同塑件的影响。此模块能从不同的成型条件与模具的结构设计，考虑充填阶段时模穴压力的影响以及冷却结束时的模具温度分布。

Moldex3D应力分析模块能执行线性与黏弹性分析，预测一般案例经退火过程后的翘曲行为与应力松弛现象。对于芯片封装成型，后熟化分析（Post Mold Cure (PMC)）也能适用退火分析，考虑硬化程度与热的影响并分析翘曲行为。

注意：Moldex3D应力分析模块支持solid与eDesign网格模型。此外，支持塑件、塑件嵌件及模具嵌件的分析。模座变形分析只支援stand cool分析。

下述将介绍应力分析的一般步骤。

1. 前处理 (Prepare Analysis)

其前处理阶段的步骤与基本模块的相似：

步骤1：产生网格模型

步骤2：建立新项目

步骤3：建立新组别

步骤4：执行分析

在Moldex3D，应力分析模块支持两种分析类型：一是应力类型，另一则是退火类型。而且，能模拟型芯偏移与模座变形现象。以下将针对每种分析类型分别列出特定步骤的操作说明。

注：对于应力类型分析(Stress Type)，翘曲分析的信息并不能被存取，所以网格变形的影响并不会被纳入应力分析，除非使用退火类型分析(Annealing Type)。

2. 应力类型分析 (Stress Type Analysis)

在应力类型下，能够设置的计算参数有四类：应力边界条件 (Stress boundary condition, Solver parameters)，重力（Gravitational force）, 流动导致残留应力分析（Consider flow-induced residual stress in stress analysis, 在缝合线强度考虑缝合角的影响（Consider welding angle effect for weld line strength）, 考虑纤维配向影响（Consider fiber orientation effect）。

1. 设定应力边界条件 (Setting of Stress Boundary Conditions)

在选项 (Options) 中的应力边界条件 (Stress boundary condition) 点击编辑 (Edit)，Moldex3D Designer 将立即启动。在Moldex3D Studio中设定边界条件。

在负载与边界条件 (Loads and B.C.) 栏旁有四个图示，分别代表在作用力上设定节点 (Set nodes on which the force is applied)、在作用压力上设定面 (Set face on which the pressure is applied)、在作用位移上设定节点 (Set nodes on which the displacement is applied)、删除现有的边界条件 (Delete existing B.C.)。在设定边界条件之后，点击返回 Moldex3D Studio主页。

Moldex3D Studio将储存边界条件的数据并自动关闭。在Studio 主页目录中双点击分析 (Analysis)以执行应力分析，选择应力分析 (Stress－S) 或在分析顺序中加入应力分析。

负载与边界条件的编辑界面在Moldex3D Studio中的左栏。如下图所示，负载应用提供两个选项：在作用力上设定节点 (Set nodes on which the force is applied) 与在指定面上设定作用压力(Set face on which the pressure is applied)。

注：位移边界条件也能设定在节点上。

在节点上设定力 (Set Forces on Nodes)

如下图所示，点击在作用力上设定节点 (Set nodes on which the force is applied)，并选择施力的节点。已选择的节点将会以黄色标示。

在编辑边界条件的对话框中点击打勾（Check），确认选择。

请设定力的名称与x、y、z方向分别施力的大小。

施力负载将在窗口中以红色箭头显示。

在表面上设定压力 (Set Pressure on Face)

设定表面压力的步骤与在节点上设定力的几乎相同。点击设定作用压力的面 (Set face on which the pressure is applied) 并选择表面网格来施加压力，而设定压力后的网格会被标以红色。

具有压力负载的面将会在窗口中以棕色显示。

在节点上设定位移边界条件 (Set Displacement Boundary Conditions on Nodes)

设定位移边界条件的步骤与在节点上设定力的几乎相同。点击在作用位移上设定节点 (Set Displacement Boundary Conditions on Nodes)，并选择截点来施加位移而被选择的节点会被标以青蓝色向量。

删除或储存现有的负载或位移边界条件 (Delete or Save Existing Loads or Displacement B.Cs.)

用户能删除不想要的负载或边界条件。选择该负载与边界条件之后，点击删除 (Cancel) 。

2. 在Moldex3D Studio中检查边界条件 (Check Boundary Conditions in Moldex3D Studio)

在Moldex3D Studio树状目录中检查边界条件与应力边界条件 (Stress BC)。边界条件的设定将在窗口中显示。

3. 考虑流动残留应力 (Consider Process Induced Effect in Stress Analysis)

流动残留应力

勾选此选项以考虑流动残留应力对应力分析的影响，翘曲分析将会读取充填/保压分析输出的流动残留应力结果 (由VE模块启用)。

缝合角输出

如果要纳入缝合角的影响至分析，点击缝合角输出 (Consider welding angle effect for weld line strength)，然后指定各角度对缝合线强度的影响因子。

纤维配向输出

最后成品的机械性质相当程度的被当中的纤维分布所影响。纤维的排向在充填当中会因为射压、几何、尺寸及螺杆等因素有所影响。也因此，正确地预测出塑建的纤维排向对于成型制程的设计非常重要。三个纤维模型可以被应用在这个功能：传统的复合模型、Halpin-Tsai 模型、 Mori-Tanaka model，用户可以依需要自行选择。