B04 塑料产品工程分析整合技术

一、前言

随着科技的创新，信息产业正以快速的脚步，推出更新奇、便利的产品。此外，大部份的厂商，也同时采取降低成本的策略（Cost Leadership），以追求更高的总体利润。为了以最低的成本达到客户的所要求的条件，传统的CAE分析流程势必面临严峻的考验。因此，为了在模拟计算中得到更好的成效，我们所要考虑的变因必须更周详，模拟的过程也必须涵盖整个产品的生命周期。

二、现阶段CAE模拟过程

理论上，各种工程问题的仿真都可以透过有限元素法的技巧来实现，但早期碍于计算器的运算能力有限，科学家在有限元理论上做了十分多的假设，这也造成早期CAE技术备受到各界的质疑。但在科技发达的今日，计算器的高度发展使得CAE计算上的”瓶颈”逐步解决。并且，更复杂的理论，弹塑性、黏弹性、黏塑性、接触演算甚至破坏预测等非线性问题能够得到更进一步的应用。虽然硬设备的提升使CAE使用者看到了曙光，但所面临的问题却也更为复杂棘手。

工程问题所面临的物理现象往往不是单纯的固体或是流体问题而已，但工程师进行CAE分析时，为了简化模拟条件以及加速得到模拟结果，因此甚少进行流固耦合的运算。虽然就固体或是流体力学个别的理论而言，学理上已经可以解决大部分的问题，但面对真正的工程问题时，所需要的却是将流体、固体耦合计算，这所面临的又是另一个艰深的难题。尽管现阶段已有流固耦合计算的应用理论，但仍无法有效解决各种工程问题。因此，改进现阶段的分析流程将会是最符合经济效益的一条通路。

三、整合式CAE模拟分析

弹性力学的基本假设是物体材料为线弹性、并且是均质、等向性的。就塑料制造业而言，物体加工成型时所面临的是高温、相变化、黏弹性、黏塑性等高度非线性问题。但是进行结构强度分析时，所应用的假设条件却是无法将复杂的成型条件考虑周详的。为了弥补这个瑕疵，只能提高产品的强度安全系数，造成成本的提升。因此，执行CAE模拟分析时，唯有对整个产品的生产周期有更详细的考虑，才能得到更低的生产成本。换言之，制品加工成型时所产生的物理现象，如热效应、流动纤维排向分布、翘曲、几何缺陷等现象，在进行结构分析时亦需加入考虑。这也就是我们所谓的CAE整合式分析。

四、应用结果与讨论

为了得到更真实的模拟结果，模拟时必须考虑更多的变量。针对塑料产品而言(图一)，进行结构分析时，所要考虑的即是塑料产品加工过程中所产生的各种物理问题，翘曲(图二)、残留应力或几何瑕疵等。

以结构分析中的模态提取问题为例，为了得到物体本身固有的自然频率，进行传统分析的步骤为建立FE模型，给定边界条件，随之进行模态提取。但真正的情形却并非如此单纯，零件在产生的过程中，时常会因模具设计不良而造成产品的翘曲，因而无法真实反映出物体本身的固有频率（表一，图三）。透过Moldex3D/Solid-I2将FE模型及模流分析结果输出至ABAQUS进行模态运算，提取固有频率后，设定适当的时间增量，我们可以再接续进行结构撞击分析。进行撞击分析之前，首先加入模流分析结果并设订为撞击分析的初始条件，本例题材料并未含有纤维，因此并不考虑纤维的流动分布，而仅考虑物体的翘曲变形以及残留应力分布效应。加入模流分析结果后，对物体施加一60 km/hr的撞击初速（图五），向倾斜20度的刚性墙进行冲撞分析。从图六、图七可以看出有考虑模流分析效应的撞击应力分布和传统的分析结果有明显的不同。从这个例子，我们可以了解进行结构分析时，适当的考虑产品因制程中所引发的各种物理现象，如纤维、翘曲及残留应力等，才能使分析结果更接近真实。

五、结论

使用Moldex3D/Solid-I2将Moldex3D模流分析后的各种结果输出，再藉由ABAQUS应力分析软件进行接续的分析工作，此分析流程能将传统应力分析法无法得知的实际状况列入考虑，得到更符合现实的分析结果。

六、参考文献

1. Moldex3D User’s Manual

2. ABAQUS6.7 User’s Manual