英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
精密注塑机固定台的结构方案优化设计
REN Bin1, 2, *, ZHANG Shuyou1, and TAN Jianrong1
摘要：目前精密注塑机的发展主要集中在如何节省材料和提高精度，但是两个目标相互矛盾。对于夹紧单元，夹紧精度提高取决于固定压板的设计质量。 与固定式压板的参数化设计相比，结构方案设计可以获得双目标和多约束的优化模型。 在本文中，选择具有1600 kN夹紧力的SE-160精密注塑机作为研究主题。在模具关闭和打开运动期间，SE-160的固定压板经受循环负载，这将导致连杆在周期性的长期运行中发生疲劳断裂。 为了减少固定压板的偏转，引入了FEA方法以优化固定压板的结构。首先，通过变量密度法建立了最优拓扑模型。 然后，固定压板的结构拓扑优化用50％，60％至70％的可拆卸材料完成。 其次，给出了另外两个推荐的优化方案，并将其与原始结构进行了比较。 性能比较的结果表明，压板的方案II是最好的。 通过选择最佳选择，可以减少压盘的体积和局部最大应力，节省成本的材料和获得更好的机械性能。 本文提出了一种结构优化设计方案，可以节省材料，提高精密注塑成型机的夹紧精度。
关键词：有限元分析，注塑机，固定压板，拓扑优化
1 绪论
注塑机的制造是伴随着世界塑料生产应用的增长最快的行业之一[1-2]。 精密注塑技术的发展越来越受到重视。 精密注塑技术包括注塑工艺和注塑机。注塑工艺和模具设计对塑料部件的质量具有关键影响。 WANG等[3]研究了薄壁注射成型的残余应力。 研究了工艺条件对注射成型塑料制品变形的分析和测量的影响[4]。 选择注塑成型工艺的适当设置对于影响聚合材料成型的行为是重要的[5]。DING等[6]提出了一种新的多目标优化算法KSVC-SPEA来解决HT160X1N高速注塑机整体性能优化问题。KWAK等[7]利用基于模拟结果的神经网络程序优化了注塑条件。 CHEN等[8]应用实验设计方法确定注塑成型的最佳参数设定。 LEE等[9]在并行工程环境中建立了注塑模具设计的系统方法论和知识库。 FOLGADO等[10]根据生命周期成本模型对两种模具制造方案进行了比较。注塑机可以将熔融的塑料注入模具中以生产塑料制品。 许多研究人员专注于注塑机的设计。 已经开发了一个同步系统来支持互联网上注塑机的概念设计[11]。 注塑机由注塑单元，夹紧机构，注塑模具，液压系统和控制系统组成。TSAI等[12]提出了超高速注塑机的机电一体化设计和注塑速度控制的实用技术。 BULL等[13]已经开发了一种新型的磨损试验机来模拟涂层和表面处理选择的磨损条件。JACHOWICZ [14]讨论了夹紧单元的工作特征和功能特性的因素。
夹具单元在确定注塑机设计的精度方面发挥重要作用。 每个夹具单元都需要符合某些要求。 它在注射和保压阶段保持模具有效关闭。因此有必要详细研究夹具单元的结构。 内部循环双压板夹紧装置的设计需要高成型精度[15]。具有优异性能的肘杆夹单元相对较为经济。一个五点双肘杆夹具具有产生大夹紧力的能力。 它广泛应用于注塑机。 HUANG等[16]探讨了关键设计参数的影响，采用遗传算法获得了夹紧机理的最优解。SUN [17]引入了自组织方法来优化固定压板的拓扑结构。 SASIKUMAR等人[18]分析了1500 kN塑料注射成型机中连杆的过早失效，并得出结论，连杆在根部失效。 LIN等人[19]研究了注塑机五点双肘夹紧机构针销接头处的摩擦效应。
为了满足高精度和节省成本的要求，注塑机制造商已经改进了SE-160精密注塑机，它具有1600 kN夹紧力的五点双肘杆夹紧装置。 夹紧单元包括四个连杆，固定和可移动的压板，其中固定压板是夹紧单元的关键结构。
SE-160精密注塑机中的五点双肘杆夹具具有780mm长和735mm宽的固定压板，640mm长和640mm宽的移动压板，以及四个连杆 直径73毫米，长2.21米。 固定压板和移动压板之间的距离为470 mm，肘节行程为420 mm。 肘节型夹紧单元如图1所示。
图1 SE-160注塑机中的五点双肘夹
SE-160精密注塑机中的固定压板在模具闭合和打开运动期间经受循环载荷。通过连接杆的高应力集中弯曲。 为了减少固定台板的偏转，可以引入拓扑优化。结构拓扑优化作为广义形状优化问题近来受到相当大的关注。 多种结构拓扑优化方法已经得到广泛的开发，如遗传算法和蚁群优化算法[20-21]。 Rong等[22]提出了一种有效的结构拓扑优化方法，以获得具有多位移约束的良好定义的最终设计。
SE-160精密注塑机中的固定压板可以视为固定在框架上的大型铸铁块。 拓扑优化设计为固定压板提供了高刚性和均匀的应力分布。优化的铸造设计降低了运动惯量，提高了所有机器操作的响应速度。 此外，给出了拓扑优化的两种推荐方案，以延长固定压板的使用寿命，提高1600 kN塑料注塑机的位置重复精度。
本文的其余部分组织如下：第2节介绍了SE-160精密注塑机固定压板结构拓扑优化的FEA方法。 第3节给出了固定压板的两个推荐的优化结构，并将其与原型压板进行比较。 第4节提供了样品原型的讨论。 第5节是结论。
2 SE-160精密注塑机固定压板的拓扑优化
夹持单元的固定压板在注射和保压阶段期间具有不良的力条件。 固定压板的刚度和强度对模具寿命和塑料部件的质量有很大的影响。 因此，我们可以使用成熟的连续体拓扑优化方法的有限元分析法（FEA）来优化固定台板的结构。 FEA的优化目标是在结构限制下减少固定台板的变形和提高刚度。图2显示了SE-160精密注塑机中固定压板结构拓扑优化的过程。
结束
对优化后的固定压板压力测试
通过比较两个方案确定最佳方案
给出拓扑优化方案2
计算优化方案2的固定台板的体积
计算固定压板的节点最大位移
计算固定压板的局部最大应力
计算优化方案1的固定台板的体积
给出拓扑优化方案1
根据拓扑优化结果得出结论
与材料去除50％，60％，70％结构拓扑优化
建立SE-160型注塑机的固定式FEA模型
给出固定压板的力条件的基本假设
开始
图2 SE-160注塑机固定压板的拓扑优化工艺
2.1固定压板力条件的基本假设
固定压板的拓扑优化设计可以在夹紧力1600 kN的SE-160精密注塑机中进行。固定压板的材质为QT450-10，其中各元素的杨氏模量为1.69，泊松比为0.3。 由于压板的结构和负载条件的对称性，我们选择了压板的1/4结构作为研究对象，如图3所示。
图3 固定压板的1/4结构
为了节省计算资源，突出了成形精度的影响，我们对固定压板的力条件进行了以下基本假设：
- 固定压板在注射和保压阶段受到最大弯曲。 因此，我们可以在注射和保压阶段分析和优化固定板，以确保固定压板的刚度和强度。
- 四个连杆具有固定压板的移动引导功能，对保持压力阶段固定压板的变形影响较小。 结构拓扑优化主要涉及对固定压板的刚度和强度的计算，因此连杆的影响可以忽略不计。
- 在注射和保压阶段，夹紧缸的内部压力为16MPa。 考虑到成形精度的影响，在优化过程中，夹紧缸的压力可以转换为夹紧缸壁处的Z位移约束。
- 固定台板固定在框架上。 与1600 kN的夹紧力相比，固定压板的重力可以忽略不计。
- 我们以固定板为铸铁结构。 螺钉孔和其他小孔可以忽略，以简化固定压板的结构。
2.2固定压板的有限元模型
根据上述假设，我们可以建立固定式压板的三维模型，将其1/4结构作为有限元分析的对象。 有限元分析（FEA）的过程如图4所示。
图4 固定压板的有限元模型
步骤1：可以建立固定压板的3D模型。 它可以作为parasolid格式导出（文件后缀X_t）。 然后，它可以导入到ANSYS的软件中。
步骤2：设定固定压板的材料特性，包括弹性模量和泊松比。 采用SOLID92的四面体有限元采用啮合模型，有限元大小为0.015 m。
步骤3：根据简化和假设，约束和载荷如下加到固定式压板上：
- 向夹紧缸的活动表面添加Z位移约束。
- 对固定压板的两个截断面添加对称约束。
- 将均匀的载荷施加到模具加载表面，表面压力等于16 MPa。
SE-160精密注塑机的固定压板体积约为0.012983m3。 固定压板的有限元分析结果如下：
（1）节点的最大位移为0.186 mm，发生在固定台板中心的喷射孔附近。
（2）节点的位移值从中心向外减小，如图5所示。
（3）固定压板的最大应力为324MPa，满足强度要求。
（4）最大应力分布发生在夹紧圆柱的拐角处，如图6所示。它来自夹紧缸内的流体压力。
图5 固定压板的节点位移云图（mm）
图6 固定压板节点应力云图（MPa）
2.3静态压板的拓扑优化设计
拓扑优化设计的目的是通过提高强度和刚度以及节省材料来获得固定压板的合理结构。 基于FEA的方法，拓扑优化设计通过设计变量给出每个单位的伪密度值，并将边界条件作为约束函数。
拓扑优化的数学模型通过可变密度法建立，可以描述为Minimize：G(rho;)
其中：G(rho;)- 压板的能量，
rho;j - 第j个元素密度，
k - 去除材料的百分比，
V - 用于拓扑优化的压板原型结构，
Vj - 第j个元素体积，其中N是总数，
rho;min - 元件密度的极限。
材料密度是拓扑优化的设计变量，因此可以通过使用ANSYS软件的变量密度法解决拓扑优化问题作为材料最优分布。 结构的变形能被作为满足结构约束的优化目标，即需要增加结构刚度。
在节省材料50％，60％和70％的情况下，拓扑优化的结构如图7-9所示用迭代计算。 总之，我们需要将更多的材料从锁芯的轴线保持到注入孔的中心。 同时，我们在固定压板上的注入孔的中心附近保留更多的材料。
图7. 具有可拆卸材料的固定压板的拓扑优化50％
图8. 具有可拆卸材料的固定压板的拓扑优化60％
图9. 具有可拆卸材料的固定压板的拓扑优化70％
3固定台板结构拓扑优化的两种设计方案
根据拓扑优化结果，可以通过减小局部应力集中度，优化大位移区域，节约多余材料，获得固定压板的改进方案。
3.1固定压板结构拓扑优化方案一
固定压板的方案I如图10所示。.从拓扑优化推导出来，具有与原型不同的加强肋。 在注射和保压阶段，固定压板的方案I的结构可以通过有限元分析。 该结构的变形和应力如图1所示。 节点的最大位移为0.185 mm，靠近固定平台的中心孔，节点位移值从中心向外减小。 压板的最大应力为298MPa。 满足强度要求。 最大应力分布在夹紧缸的拐角附近。
图10. 固定压板的方案一
图11. 方案一的结构变形与压力
由此可以获得固定压板的方案I的性能，并与原型台板进行比较，如表1所示。
表1.两种结构的性能比较
|
固定压板的性能参数 |
方案一的结构 |
毕业生 |
|
体积V/m3 |
0.011685 |
0.012983 |
|
节点最大位移d / mm |
0.185 |
0.186 |
|
局部最大压力sigma; /MPa |
298 |
324 |
与方案I和原型结构相比，固定平台的方案I将体积减小了10％，节点最大位移量减少了0.54％，局部最大应力减小了8％。 因此，固定压板的方案I可以节省材料，显著提高固定压板的性能。
3.2静态压板结构拓扑优化方案二
固定压板的拓扑优化方案II如图12所示。 它具有与原型和方案I不同的加强肋。我们可以通过FEA方法获得固定压板方案II的变形和应力。 最大位移为0.184 mm，靠近固定台板的中心孔处。 压板最大应力为256 MPa，满足强度要求。 最大应力分布在夹紧缸的拐角附近。 方案II和原型之间的结构性能比较如表2所示。
图12. 固定压板的方案二
表2.方案二和原型结构之间的性能比较
全文共9913字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[142774]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
