注塑机模板的优化设计研究（一）

发布日期：2014/9/3 14:48:13

        模板是注射机合模系统中的重要零件,具有固定模具和运动导向的作用,模板结构和刚度都将影响到整机的使用性能。传统设计中,将模板简化为简支梁进行强度及刚度力学计算,对于接近应力值或有严格要求时,还需按粗短梁进行挠度计算,计算结果偏于保守,误差也较大。虽然近年来采用带平面应变修正的简支梁方程计算挠度,可以获得较好的近似值,但最为精确的方法还是使用有限元程序,而拓扑优化是实现此目的的有效手段之一。有限元分析能准确获得机械零部件中的应力分布,从而提高计算精度及设计质量;拓扑优化将“校验设计”变成主动地寻佳探优,为进一步改进模板的受力情况和结构设计提供了理论依据,同时为整个合模系统的优化设计奠定了基础。
        本文以移动模板为例,首先用有限元方法分析传统设计存在的不足,再利用优化准则算法,求解变密度法的SIMP模型,对注塑机移动模板进行拓扑优化,以此说明整个拓扑优化过程。
1    移动模板的有限元分析
        移动模板的主要作用是与模具相连,用于支撑模具,它通过模具开合油缸来打开和关闭模具。移动模板四角孔处与导向拉杆相连,正面安装模具,背面支撑上下肘杆机构,在肘杆机构的作用下来回运动,完成开合模动作。移动模板在合模力的作用下,主要承受弯曲变形,从等强度观点出发,移动模板的形状通常设计成带有筋板的截面。
        塑料注射成型机移动模板,按传统计算方法,设计成带有加强筋的箱式结构,产品在实际工作中产生了裂纹。针对这一情况,首先用Hyperworks进行有限元分析。
1.1    预定义
        模板材料,屈服强度R=350MPa,弹性模量E=1173@106MPa;泊松比013,密度718@103kg/m3。
1.2    基本假设
        由于移动模板结构和受力状态十分复杂,要考虑所有因素的影响是十分困难的。因而,为了突出主要矛盾,忽略次要因素的影响,对模板及其受力情况作如下简化假设[5]:(1)模板的温度应力与合模力引起的应力相比显得很小,可以忽略不计;(2)为了简化计算模型,以减少计算时间和容量,忽略安装螺孔、细微倒角等小孔的影响以简化结构形状;(3)模板的载荷为均布载荷。
1.3    约束
        (1)移动模板安装在床身上,底部固定处看作垂直方向的位移约束;(2)在移动模板的模具安装面加全位移约束(约束完6个自由度)。
1.4    加载
        锁模时,由肘杆机构推动移动模板,夹紧模具,故在肘杆机构的支座安装处,向移动模板均匀施加压力,载荷为5200kN(LFB-4000的合模力为4000kN,取安全系数系数113)。
1.5    结果分析
        应用Hyperworks,按位移求解方式,对模板进行线性静力分析,得到移动模板的应力和变形云图。从云图可看出,按压力F=5200kN加载时,应力最大区域分布在模具安装正面和背面的加强筋处,局部应力高达208MPa,这与实际应用的模板产生的裂纹位置非常接近,肘杆支座安装处变形最大,为01516mm。可以判定按照传统设计的模板确实存在一定的误差和缺陷。
        移动模板的水平筋对力的贡献并不大,但移动模板中央要受到模具及肘杆作用力,故这个部位的材料对力的贡献比较大,而原设计该处加强筋过于单薄。

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