1、本科毕业论文（20 届）精密注塑机的结构优化设计模板的有限元分析及结构优化设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I摘要模板是注塑机整机中钢材消耗最多的部件，属于注塑机中的关键部件。目前阶段，注塑机模板的设计通常凭借经验进行类比设计，由于这种设计方法重于经验，使得设计出来的模板存在变形，材料浪费，应力分布过于集中甚至在工作中失效等问题。结合计算机，运用相关软件对注塑机模板进行有限元分析并结构优化，是当今较为可靠的方法，可以较大程度解决上述问题，对工厂实际效益具有重要意义。本文的研究工作是针对注塑机模板的强度分析及结构优化进行
2、的研究。课题的实际背景是浙江金鹰塑料机械有限公司提供的GE360K-0202注塑机前模板、拉杆及注塑GE360K-0202调模板注塑机模板作为三维构件，主要研究工作如下：1，利用SolidWorks软件建立实体模型2，基于SolidWorks对模板进行有限元分析，确定模板上的应力分布和变形情况3，利用SolidWorks软件对注塑机的模板进行结构优化本文在对GE360K-0202注塑机的前模板进行有限元分析过程中发现，前模板上的最大应力在模具安装区四角上，在模板注塑机周期性动作工作过程中，必须考虑模板上的应力分布趋于合理的问题，否则疲劳强度将对对机器寿命造成影响；同时对于前模板，在不牺牲其刚度
3、的情况下，从减少模板的体积，材料配置方面考虑优化方案。 关键词：注塑机；模板；有限元；结构优化本科生毕业论文IIAbstractA template is a injection in most machine parts, steel consumption of key components. At present stage, the design of injection molding machine template usually based on the experiences logic analog design, because the design method on
4、experience, make design out template exists deformation, the material waste, the stress distribution is too centralized even work in failure. Combined with the computer, using the related to injection software template finite element analysis and structural optimization, is now relatively reliable m
5、ethod, can solve the above problems, large degree of factory real benefits to have the important meaning. The research in this paper has been focused on strength analysis and optimization of the platens of injection molding machine. The practical background of the project was the front platen of mod
6、el GE360K-0202F manufactured by Zhejiang jinying plastic machinery Co., LTD. The research include the following aspects: 1，Use Solidworks software to built solid model. 2，Try to do FEM analysis on the platens by using Solidworks. To determine the template of stress distribution on and deformation.3，
7、Using the template for injection Solidworks software for structure optimizationIn this paper, the GE360K - before 0202 injection process of template finite element analysis, found that the maximum stress on the template before in the mold installation area four corners, in the template injection pro
8、cess of periodical actions work, must consider templates of stress distribution on more reasonable, or fatigue strength will affect the rightness machinery life; As for, without sacrificing the template before its stiffness, the volume of from reducing template, materials configuration into consider
9、ation optimization scheme.KEYWORDS：Injection molding machine ，Platen ， FEM(Finite Element Method)，Structure optimization，Solidworks本科生毕业论文III目 录第一章：概述 .11.1 注塑机的发展与应用概况 .11.2 注塑成型原理与过程 .11.3 注塑机合模装置概述 .21.3.1 合模装置简介 .21.3.2 注塑机模板断裂原因分析 .31.4 本课题来源背景、内容 .41.4.1 本课题来源背景 .41.4.2 本课题研究工作概述 .4第二章：结构有限元分析
10、方法 .52.1 有限元及优化技术 .52.2 有限元分析的基本思路 .52.3 有限元分析的基本构架 .62.4 有限元分析的力学基础 .62.5 有限元分析的基本步骤及表达式 .82.6 有限元分析过程 .10第三章：注塑机模板的实体建模及有限元分析 .113.1 模板模型分析 .113.2 注塑机 .SolidWorks 软件建模.113.2.1 Solidworks 建模软件概述 .113.2.2 运用 Solidworks 软件对前模板进行实体建模 .123.3 注塑机前模板的有限元分析 .173.3.1 Solidworks 软件 simulation 功能简介 .173.3.2
11、用 Solidworks 对模板进行有限元分析 .173.4 注塑机前模板的网格划分 .193.5 求解运算及结果分析 .20第四章：注塑机模板的优化设计 .234.1 优化设计概述 .234.2 ANSYS 软件与优化技术 .23本科生毕业论文IV4.3 注塑机前模板优化分析 .244.4 注塑机前模板重新建模 .254.5 注塑机前模板有限元分析过程 .274.6 模板优化前后比较 .30小结 .31致谢 .32参考文献 .33附录 .34本科生毕业论文1第一章：概述1.1 注塑机的发展与应用概况注塑成型是将受热融化的材料由高压射入模腔，经冷却固化后，得到成形品的方法。该方法适用于形状复杂
12、部件的批量生产，是重要的加工方法之一。注塑机是随着塑料工业的发展而兴起的。最初的注塑机是参照金属压铸机的原理设计的，1872 年，Hyaat 兄弟推出了首台金属压铸机，主要用来加工醋酸纤维二类的塑料。直到1932 这一年，德国弗兰兹、布劳恩（Franz、Braun）厂生产出全自动柱塞式卧式注射机，各国开始推广这种全自动的卧式注塑机，初步具备了现在柱塞式注塑机的基本形式。1947 年，第一台液压驱动式注塑机在意大利被制造。1956 年，世界上第一台往复螺杆式注射成型机的正式诞生,这是注射成型工艺技术方面的重大突破，逐渐成为注射聚合物制品的首选工艺 1。从此，注塑机的注射成型运用到各种塑料制品上，
13、生产效率和制品的质量也大程度上提高，从 1956 年诞生至今的几十年的时间里，往复螺杆式注射成型机一直是比较理想的加工设备。近年来，随着电子工业的发展，促进了注塑机的发展，如为提高注塑机动作的准确性将计算机控制引入到注塑机的控制系统中；再比如先进的有限元及优化设计软件避免了经验改进的不足，提高了整机优化能力。现代注塑机的发展，从基本结构方面进行大的改造的可能性很小，主要将朝着高速、高校、高精度、高质量、低噪音、自动化、节能，以及降低生产成本的方向发展。随着生产实践经验的积累和研究工作的发展，我国部分注射成型机设计制造技术已接近和达到国际先进水平 2。但在特大型、各种特殊、专用、精密注塑机的多数
14、品种方面，差距还很大，有的产品尚属空白。注塑成型是塑料制品加工最重要的工艺过程之一。它可以一次成型出外形复杂、尺寸精确或带有嵌件的塑料制品，随着塑料制品的发展普及，注塑机生产被广泛用于国防、汽车、航空、仪表、电信、家电、医疗、建筑及日用品等各个行业。迄今，全世界注塑机的年产量为塑料加工机械总产量的 50%以上，在我国，注塑机的年产量约占整个塑料机械的 40%3。1.2 注塑成型原理与过程注射成型是指将粒状或粉状塑料从注塑机的料斗送入高温的料筒内加热熔融塑化，使其成为粘流念，然后在注射螺杆的高压推动下，以很大的流速通过喷嘴，注入模具型腔，经一定时间的保压冷却定型后，开启模具便可从模腔中脱出具有一
15、定形状和尺寸的塑料制件 4。注 射 成 型 是 一 个 循 环 的 过 程 ， 每 一 周 期 主 要 包 括 ： 加料、加热塑化、闭模、加压注射、保压、冷却定型、启模、顶出制件等工序。注射成型过程如图 1.1 所示。本科生毕业论文2图 1.1 注塑过程1.3 注塑机合模装置概述一台通用型注塑机主要包括注射装置、合模装置、液压传动系统和电器控制系统。图 1.2 通用型注塑机如图 1.2 所示，注 射 装 置 是 注 塑 机 最 主 要 的 组 成 部 分 之 一 ， 一 般 有 柱 塞 式 、 螺 杆 式 、螺 杆 预 塑 柱 塞 注 射 式 3 种 主 要 形 式 。 目 前 应 用 最 广
16、 泛 的 是 螺 杆 式 。 其 作 用 是 ： 在 注 塑料 机 的 一 个 循 环 中 ， 能 在 规 定 的 时 间 内 将 一 定 数 量 的 塑 料 加 热 塑 化 后 ， 在 一 定 的 压 力 和 速度 下 ， 通 过 螺 杆 将 熔 融 塑 料 注 入 模 具 型 腔 中 。 注 射 结 束 后 ， 对 注 射 到 模 腔 中 的 熔 料 保 持定 型 。 合 模 装 置 的 作 用 ： 是 保 证 模 具 闭 合 、 开 启 及 顶 出 制 品 。 同 时 ， 在 模 具 闭 合 后 ， 供给 予 模 具 足 够 的 锁 模 力 ， 以 抵 抗 熔 融 塑 料 进 入 模 腔
17、 产 生 的 模 腔 压 力 ， 防 止 模 具 开 缝 ， 造 成制 品 的 不 良 现 状 。 液压传动系统和电器控制系统则是为了保证注射成型机按工艺过程预定的要求和动作程序，准确无误地进行工作而设置的动力和控制系统 5。1.3.1 合模装置简介合模装置是一种锁模装置，作为成型制品的工作部件。其作用保证成型模具可靠地闭合和实现模具启闭动作。主要由模板、拉杆、合模机构、制品顶出装置和安全门等组成。前模板、动模板、后(调)模板三者以拉杆相连，模板是做固定模具和运动导向的定位基准之用，模具固定在动模板与前模板上。定模板固定于床身，动模板则通过肘杆及油缸在床身导轨上来回运动，如图 1.3 合模装置
18、示意图所示 6。 闭模 整进 注射 保压 顶出 开模 预塑 整退本科生毕业论文3图 1.3 合模装置示意图1-油缸 2-调模板 3-动模板 4-拉杆 5-制品 6-前模板 7-固定螺盖1.3.2 注塑机模板断裂原因分析在注塑机合模装置中，由于合模力的作用，在合模过程中承担着大载荷、大弯矩，存在着失效断裂的问题，所以模板和拉杆断裂是最常见的现象 7。模板、拉杆一旦断裂，注塑机就会停工待修，同时模板的成本是注塑机成本的重要组成部分，现主要来分析注塑机各模板断裂的原因。1. 模板受力分析先说明：一、前模板底部通过螺钉固定在机架导轨末端，简化为固定支座结构，能够约束结构的转动和移动；二、注塑机处于高压
19、锁模状态时，力的传递方向使前模板固定于拉杆螺母，简化成铰支座结构。所以，前模板是固定不动的，主要受到模具合紧后传递 和来自拉杆顶端的螺母 两2F1F个力。我们可以观察到期受力情况好像用手帕包东西一样，如图1-4所示。 应力：模板中心孔以外的方形区域安置模具，模具合紧后将最大负载 传递于此，产生压应力。与应力 平衡的力：拉杆顶端的螺母负载 。2F1所以：中间挖空如果太大或者在轴对称线附近存在铸造缺陷或有螺钉孔、销孔等，就有发生断裂的危险。图 1.4 前模板受力分析图本科生毕业论文4注塑机的模板属于中厚板，而厚板的弯曲问题一直是力学的一大难题。中厚板的解是复杂的，实际应用起来很困难。中厚板的解析仅
20、仅具有理论价值，并不能直接应用在工程设计上。1.4 本课题来源背景、内容 1.4.1 本课题来源背景本课题的实际背景是浙江舟山金鹰塑料机械有限公司提供的 GE360K-0202F 注塑机前模板、拉杆及注塑机调模板和注塑机模板作为三维构件，其受力和结构较复杂，工程上采用的近似计算误差很大，导致模板在使用过程中出现了不同程度的裂纹。针对这一情况，可利用有限元分析法对注塑机一系列模板进行分析及结构优化。1.4.2 本课题研究工作概述利用 Solidworks 对注塑机模板模型进行分析处理以得到所需的各类数据分布情况，及直观的应力和变形的分布云图，在此基础上实现目标的结构优化设计。然后模型重建，以重建
21、后的模型为基础，根据研究结论最终对原模板设计提出切实可行的整体优化方案。优化后的结构在刚度和强度上将有很大提高，从而解决了如上所述的工程实际问题。本课题研究工作如下：1、 选定浙江金鹰塑料有限公司 GE360K-0202F 为研究目标机型2、 学习注塑机相关知识，尤其是搞懂合模装置的工作原理，运动情况，力学原理3、 利用 Solidworks 软件对目标机型前模板进行实体建模4、 利用 Solidworks 软件中 Simulation 功能进行前模板的有限元分析5、 根据计算结果分析进行结构优化本科生毕业论文5第二章：结构有限元分析方法有限元分析的思想实质是把具有无限多个自由度的弹性连续体，
22、理想化为只有有限个自由度的单元集合体，从而使待解问题简化为适合于数值计算的结构型问题。 2.1 有限元及优化技术用较简单的问题代替复杂问题后再求解的新型方法被成为有限元法（FEA，Finite Element Analysis） 。将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件 (如结构的平衡条件） ，从而得到问题的解。由于实际问题被较简单的问题所代替，大多数实际问题难以得到准确解，所以这个解不是准确解，而是近似解。而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元广泛地应用在工程
23、设计领域，解决了很多传统复杂而无法分析的问题，提高了设计精度，为研究机构和企业带来了巨大的效益。电子计算机技术的发展，带动了有限元发展的同时，优化设计已逐步形成为一门新兴的独立的工程学科，并在生产实践中得到了广泛的应用。随着优化设计应用的广泛，已经开始引入工程设计，使所设计的产品结构更合理、性能更好、质量更高、成本更低，缩短了设计时间，使得设计出来的产品具有市场竞争能力。优化软件问世之后综合处理并最大限度地满足从不同角度提出的技术问题。但相对于有限元单元法，结构优化设计的发展比较缓慢。究其原因，其应用广度和实际成效远落后于优化理论的进展，客观上理论与方法还不够成熟，与传统的工作习惯不一致，致使
24、较难为广大工程设计人员所接受。此外，优化设计领域发表的文章和出版的书籍，大多以面向研究工作者为主，兼顾实际工程要求的较少。 2.2 有限元分析的基本思路有限元的概念：先把一个原来是连续的物体剖分成有限个单元，且它们相互连接在有限个节点上（连续体离散化） ，承受等效的节点载荷，并根据平衡条件来进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合起来，成为一个组合体，再综合求解。由于单元的个数有限，节点的数目也有限，所以这种方法称为有限元法。具体做法如下：一、将物体假想地分割(离散化)成众多小单元，单元联接节点。对于每个单元，用节点未知量通过插值函数近似地表征单元内部的各种物理量，并使它们在单元内部以积分的形式满足问题的控制方程，从而将每个单元对整体的影响，转到各自单元的节点上；二、将这些单元总装成一个满足求解域的边界条件和连续条件的整体；三、建立节点未知量的联立方程，并得出解；四、用插值函数和有关公式，求得物体内部各点所要求的各种物理量 8。
