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1、综合实验报告（计算机类）题 目: 台灯CAD建模及成型过程CAE分析学 院: 材料科学与工程 年级 、专业: 2011级材料成型及控制工程 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 教 师: 开 题 时 间: 2013 年 12 月 23 日完 成 时 间: 2014 年 1 月 3 日学习态度（15）技术水平与实际能力（25）创新（10）说明书（报告书、图纸）质量（50）总评目 录摘要 2引言 31实验目的 42.实验准备 4 2.1 实验平台简介4 2.2 实物选取 53 实物零件简介及设计要求54 CAD组件设计 5 4.1绘制底盖底座5 4.2绘制底座外壳6 4.3绘制台灯支架8 4.4绘制
2、插电线10 4.5绘制节能灯12 4.6绘制灯罩13 4.7装配零件165 成型过程CAE分析及讨论18 5.1 选择模型18 5.2选择模型材料18 5.3CAE分析前处理 18 5.4注塑成型CAE分析216 总结 27参考文献27中文摘要 本次综合实验台灯实物，建立台灯底座、灯罩底座、节能灯的三维pro/E模型，并最终在pro/E软件中装配为一整体，实现实物产品的数字化建模与装配。实验过程中应用了曲面的基本造型方法，利用边界混合将曲线构建成自由曲面，再把曲面结合在一起来并对其进行加厚处理来创建出底座。再利用Pro/ENGINEER的基本特征的创建方法，如利用拉伸、旋转、倒圆角等创建出台灯
3、的大部分的实体结构。保证装配精度和尺寸精度。创建好基本的主体后在根据设计尺寸创建各个零件，最后将各部分装配好。 Mold flow是一款能在电脑上模拟塑料成型的软件，多用于注射成型，其能准确反应塑胶制品在成型过程中的充填过程，体积收缩，熔接痕，冷却效果以及变形等情况，在模具设计初期以及改模阶段起着不可忽视的作用。关键词：台灯，三维数字化造型，曲面建模，边界混合，装配 ，Mold flow，网格划分，设置浇注口和冷却系统，结果分析引 言 随着计算机技术的迅猛发展，工业设计领域的三维设计软件也得到前所未有的发展，各种三维CAD/CAE/CAM软件系统应运而生，各具特色，其中PTC公司开发的Pro/
4、ENGINEER软件表现的非常突出，其中“参数化”及“单一数据库”的设计理念是产品的设计与更改简易、灵活。Pro/ENGINEER软件系统囊括了零件设计、产品装配、模具开发、NC加工、钣金件设计、铸造件设计、自动量测、机构仿真和应力分析等多种功能。它的出现彻底改变了传统的CAD/CAE/CAM作业方式，大大缩短了用户开发产品的时间。目前，Pro/ENGINEER已经广泛的应用于航空航天、机械和电子等各个领域。Pro/ENGINEERWildfire是PTC公司新近推出的突破性版本。新版本在操作环境及方式上都做了较大的改进，去掉原有的瀑布式层级菜单管理器，取而代之的是目前流行的“窗口式操作”及“
5、以对象为中心”的操作方式，这大大减少了鼠标的点击次数。据PTC官方统计，对同一零件的操作，野火版的整体建模时间比2001版减少了23%，极大减轻了工程师的负担。 计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）是一门多学科综合应用的新技术，是一种现代设计方法。CAD系统的工作过程是在计算机环境下完成产品的创建、分析、修改，以达到预期设计的目标，也就是说，在产品概念设计的基础上，定义产品的几何模型（包括装配模型）；然后根据后续工作抽取模型中有关数据进行处理，例如变成有限元网格数据，进而进行工程分析及计算；根据计算结果决定是否要对设计进行修改；修改满意后，编制全部设计文档，输出
6、工程图；将这些数据向CAPP、CAM系统传递，以实现数字化制造的全过程。 CAE指工程设计中的计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering)，指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。而CAE软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。 本说明书用Pro/ENGINEERWildfire5.0建立台灯的模型和moldflow5.1分析台灯底座的外壳，通过台灯对本说明书的阅读，能够基本的了解Pro/ENGINEER的三维造型理念、简单曲面及实体的建模和Mold flow对注塑件简单分析的基本方法
7、。1 实验目的 （1）以Pro/ENGINEER设计三维零件时，必须先将零件大体轮廓创建出来，再对此轮廓进行增加或削减材料的操作，以形成所要的三维实体造型。三维的实体可视为二维剖面在第三度空间的变化，因此创建三维实体时，必须先画出实体的二维剖面，再利用拉深、旋转、扫描、混合等方式创建出三维实体模型。本次课程设计继续巩固几何线条的绘制方式、几何线条的编辑、几何限制条件的设定、尺寸数值的更改等。 （2）创建零件的三维几何模型时，常利用平面、轴线、曲线、点、坐标系等做为参考几何，本次课程设计主要训练Pro/ENGINEER在创建具有自由曲面的零件的流程，结合理论知识，掌握各种基本造型方法的应用。 （
8、3）将创建好的零件装配完成，组装成完整的物体。 （4）将台灯底座导入moldflow5.1当中，通过划分有限元网格，检查模型网格缺陷，确定分析任务，选择聚合物材料，设置浇口位置，分析计算，观察分析结果，优化设计方案等过程得到外形和内部质量良好的注塑制件。2.实验准备 2.1 实验平台简介 (1) CAD平台CAD主要是指产品的几何建模及相关技术。目前比较流行的二维软件是AutoCAD，比较实用的三维软件UG、Pro/Engineer、Unigraphics NX等集二维、三维、CAD/CAM于一体的众多国外软件.此次实验选用的是Pro/E建模软件。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制
9、、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。（2）CAE平台 CAE指工程设计中的计算机辅助工程，指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。而CAE软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。CAE软件的主体是有限元分析）软件.常用的CAE软件主要有Ansys,ADINA,LS-DYNA,Moldflow.本次实验采用的是Moldflow分析软件。Moldflow仿真软件具有注塑成型仿真工具，能够验证和优化塑料零件、注塑模具和注塑成型流程。该软件能够通过仿真设置和结果阐明来展示壁厚、
10、浇口位置、材料、几何形状变化如何影响可制造性。从薄壁零件到厚壁、坚固的零件，Autodesk Moldflow的几何图形支持可以帮助用户在最终设计决策前试验假定方案。 2.2 实体选取 选取一个台灯，认真观察其外部结构，粗略地量的其外形尺寸 台灯图 图2.1-2.23 实物零件简介及设计要求 实物是一个台灯外部件共有六个零件组成，由下到上分别为（1）底座底盖、（2）底座外壳、（3）插电线、（4）台灯支架、（5）灯罩、（6）节能灯组成，各部分尺寸由直角尺粗略的测得，设计零件时各部件因注意考虑连接处尺寸大小以免安装时出现无法装配，设计的面、曲面尽量做到光滑均匀，这样可使在加厚的特征的时候顺利进行，
11、分清倒圆角与抽壳的先后顺序以免出现错误的特征。本实验中主要描述台灯的外形结构，台灯当中的内部件及台灯开关等作简化处理。4 CAD组件设计4.1绘制零件底盖底座 1.以旋转为基础草绘出底座底盖的剖面的罗廓线，如图4.0 2.以底座底盖地面的平面为基础拉伸圆柱脚架，通过轴线阵列的方式得到四个脚架如图4.1和图4.2 图4.0 图4.1 图4.2 3.到圆角，最终成形如图4.3，保存副本 图4.34.2绘制第二零件底座外壳 1.以旋转为基础草绘出底座外壳的剖面轮廓线，如图4.4 2.以底面为基础连续拉伸两个实体作为支架和插电线的插入部位，如图4.5和图4.6 图4.4 图4.5 图4.6 3.先倒圆
12、角在抽壳如图4.7 4.通过两次不同的拉伸去除材料的到插线孔和支架插孔如图4.8 图4.7 图4.8 5.用两次不同的拉伸处理创建台灯开关的模型，如图4.9和图4.10 图4.9 图4.10 6.成形如图4.11，并保存副本 图4.114.3绘制台灯支架 1.草绘台灯支架的扫描轨迹，如图4.12 2.插入扫描绘制扫描截面得到扫描后的图形，如图4.13 图4.12 图4.13 3以FRONT为基准平移得到DTM1如图4.14，在拉伸得到附着在扫描件上的实体环如图4.15 图4.14 图4.15 4.复制图4.12轨迹线在DTM1内将轨迹线打断保留上部分轨迹线，如图4.16 5.将4.15图中实体
13、环特征沿着轨迹线阵列，如图4.17 图4.16 图4.17 6.以如图4.12的扫描终端作为参照建立DTM3如图4.18，以DTM3作为基准拉伸灯罩与支架的连接部位，如图4.19 7.以FRONT作为基准拉伸底座外壳与支架的连接部，如图4.20 图4.18 图4.19 图4.20 8.成形如图4.21，并保存副本 图4.214.4绘制插电线 1.草绘插电线与底座外壳的接触端,如图4.22，再把它拉伸为实体如图4.23 图4.22 图4.232.在4.23的剖面上拉伸一个圆柱作为底座的插入端，如图4.243.利用造型的方法画出不同面不同方向的曲线作为电线的轨迹线，如图4.25。再利用可变截面扫描
14、把曲线扫为实体如图4.26。4.在插电线的终端建立面DTM2，在DTM2上草绘出一个与扫描终端大小相同的圆作为边界混合的起始端，再以DTM2为基准平移DTM3和DTM4，分别在DTM3和DTM4上草绘如图4.27。 图4.24 图4.25 图4.26 图4.275. 插入边界混合把如图4.27的三个草绘图形用边界混合的方式组合起来，再在图形填充为实体，如图4.28.6. 在终端面上，以拉伸的形式得到插头的金属插干部分，如图4.297. 最终成形，如图4.30 图4.28 图4.29 图4.304.5.绘制节能灯 1.以TOP为基准拉伸两个圆柱，如图4.31 2.以FRONT面为基准草绘如图4.
15、32所示的剖面，旋转去除材料得到实体如图4.33 3.建立一个过FRONT面且与FRONT面成45的面DTM2，在平移得到DTM3如图4.34，在DTM3上草绘出如图4.35所示的草绘轨迹线 图4.31 图4.32 图4.33 图4.34 4.插入扫描，选取如图4.33所示的轨迹线，在轨迹线的起始端草绘出扫描图形得到灯管实体图形如图4.35 5.选取扫描得到的灯管图形通过绕轴为阵列的方式得到节能灯的最终图形,如图4.36，并保存副本。 图4.35 图4.364.6绘制灯罩 1.在TOP平面上草绘出灯罩底部的边界线的一半，再通过镜像完成边缘线，在边缘线上建立基准点PNT0，PNT1，PNT2，P
16、NT3，PNT4如图4.37 2.在RIGHT上草绘出灯罩上表面曲线，在曲面终端创建基准点PNT5，如图4.38 图4.38 图4.39 3.以FRONT为基准平移的到DTM1面，连接基准点草绘出灯罩中部的剖面线，如图4.40 4.以以FRONT为基准平移的到DTM2、DTM3、DTM4、DTM5、DTM6，在这些面上创建基准点，分别在这些面上连接基准点草绘出台灯壳照的外形曲线，如图4.41 图4.40 图4.41 5.以这些所草绘的曲线为基准，插入边界混合得到一半的台灯壳体外形，再以镜像的形式得到真个灯罩的外形，如图4.42 6.将所的到的壳体合并为一个整体，通过加厚的特征使壳体变厚得到实体
17、的台灯灯罩，如图4.43 图4.42 图4.43 7.通过一系列拉伸和加厚创建台灯的内部特征，如图4.44 8.以RIGHT面为基准平移的到面DTM9，以DTM9为基准拉伸得到灯罩与台灯支架的连接部的实体，选择拉伸到面，如图4.45 图4.44 图4.45 9.得到灯罩的最终实体图，如图4.56 图4.564.8.装配零件 1.打开 图标，在类型中选择“组件”子类型为“设计”，使用缺省模版，点击确定后进入，模版选择“mmns-asm-design” 2.进入组件界面后点击 调入底座底盘，将零件固定，得到如图4.57所示的图形 3.用同样的载入底座外壳，通过轴对齐和面匹配将底座外壳装配到底座底盘
18、上，如图4.58 图4.57 图4.58 4.用同样的方法导入电插线，通过轴对齐和面匹配将电插线装配到底座外壳上，如图4.59 5.导入台灯支架，通过面面匹配将台灯支架装配在底座外壳上，如图4.60 图4.59 图4.60 6.用同样的方法导入台灯的灯罩，通过与台灯支架面面匹配将支架与灯罩装配起来，如图4.61 7.导入节能灯，通过轴对齐面匹配，将节能灯与灯罩装配起来，如图4.62 图4.63 图4.64 8.最终的装配图，如图4.65。装配完成，得到台灯的实体图 图4.655 成型过程CAE分析及讨论5.1 选择模型 5.1.1在本次课程设计中我将对台灯底座的外壳进行分析，如图5.1。5.2
19、 选择模型材料 5.21通过查阅资料可知台灯底座材料类型是聚对苯二甲酸丁二醇酯，英文名polybutylene terephthalate（简称PBT），属于聚酯系列，是由1.4-pbt丁二醇(1.4-Butylene glycol)与对苯二甲酸(PTA)或者对苯二甲酸酯(DMT)聚缩合而成，并经由混炼程序制成的乳白色半透明到不透明、结晶型热塑性聚酯树脂。与PET一起统称为热塑性聚酯，或饱和聚酯。如图5.2可知PBT材料的加工条件。 图5.1 图5.25.3CAE分析前处理 5.31 对底座外壳的CAE前处理，先将存为PRT格式的底座外壳三维图转换为IGS格式导入moldflow中，如图5.3
20、 5.32 进行网格划分选择默认值划分完毕后，进行网格诊断认真阅读网格的诊断报告如图5.4，对不符合要求的网格单元要进行修改，使整个上壳的网格匹配率达到85%以上，使最大纵横比不超过6，如图5.5 图5.3 图5.4 图5.5 5.33 网格划分好后，选择分析类型为充填、保压分析，由系统分析出最佳浇口位置如图5.6 5.34然后选择外壳材料，台灯底座外壳的材料多为PBT，如图5.7 图5.6 图5.7 5.35 再通过镜像得到两个型腔，通过手动建立浇道口，建立流到分流道，建立主流道，使分型面选择在制品的最大截面处，让制件的边缘处在分型面的位置这样更有利于排气穴，如图5.8，建立好浇注系统后检查
21、浇注系统与模腔的连通性如图5.9 图5.8 图5.95.36 建立冷却系统，由于零件直径比较大，所以在建立冷却系统是采取3向通道，通道的间距设为30mm，,采用的冷却剂为水，入口温度为25，是冷却系统均匀的分布在磨具的两端，如图5.10，最后设置好工艺参数采用默认参数如图5.11，即可进行分析 图5.10 图5.11 5.37 点击保存，同时可复制以上步骤，对复制品进行工艺分析，以便后来的工艺参数的优化对比，如图5.12 图5.125.4 注塑成型CAE分析 5.41 根据以上方案的设计，在MPI软件中进行模拟分析，验证此种设计方案的可行性，以及分析在注射成型过程中可能发生缺陷的原因，并提出在
22、模具设计和注射生产工艺过程的改善措施，来得到满足要求的塑件。在MPI中设置好相应的工艺参数，分析类型选择为“填充”，进行分析。1）.充填时间：该塑件完成充型的注射时间如图5.13所示，时间为1.077s2).速度/压力切换：注射/保压切换应该在注射完成95%99%，之间，如果注射量小于塑件体积的95%，可能导致保压不足，塑件某些部分因充填不足导致缩痕和缺料等缺陷。此外不平衡的压力使材料收缩不一致，产生更高的残余应力，使塑件发生变形。 图5.13 图5.14从图5.14中可以看出，两型腔压力分布平衡、对称，不会导致产生更高的残余应力；查看分析日志，充填/保压切换发生在体积充填到97%完成，故能够
23、保证塑件充型完全，不会发生缩痕和缺料等缺陷。 3）.流动前沿温度：在注射成型中，流动前沿温度小于12度为比较合理不会产生较大的收缩，此方案的流动前沿温度差为4.6度，如图5.15 图5.15 4).熔接痕：该塑料制品为外观件，应尽量避免熔接痕，减少熔接痕长度，避免出现在制品的受力部位。从图5.16熔接痕的分析中可知，熔接痕主要在外壁塑件中央处，严重影响制件的外观，在注塑件中是不被允许的，所以必须修改工艺参数消除熔接痕。 图5.16 5).气穴：气穴的存在使产品不能完全填充而存在气孔，应避免在产品表面产生气穴，尽量分布在边缘，通过排气系统增加模具的排气，减少气穴。从图5.17的气穴分析可知，此处
24、气穴离分型面很近，可利用分型面排气，所以此方案比较合理。注塑工艺上，可以利用减小熔体温度，提高模具温度，减少气穴；充分干燥原料，消除水分，适当降低熔体温度，也可防止气穴的产生。 图5.17 5.42针对减少熔接痕的改进方案设计1）由初始分析方案所得的分析结果可以看出，初始分析方案还是比较合理的，熔接痕的数量也较少，为进一步减少熔接痕的数量，长度等，需要对注塑工艺参数进行修改。2）熔接痕产生原因：熔接痕的产生有很多影响因素，比如，塑料流动性不佳，制品壁厚太薄或壁厚差异太大，模具温度太低，流道、浇口位置不当或太小太长，注射速度、保压、物料温度太低，射压或射速太低等等，这些因素都会影响熔接痕强度3）
25、方案改进 a.原方案 上面分析的结果均是按照默认工艺参数如图5.18 图5.18 模温默认值为 64 熔温默认值为250 注射机最大注射压力为180Mpa 速度/压力切换的压力为 78.83Mpa 根据影响熔接痕的各因素来改变工艺参数，设计了以下两个方案。b.方案一如图5.19 图5.19将注射压力有120Mpa增加到130Mpa得到的熔接痕结果分析图，如图5.20 图5.20 方案b将模温和熔体温度提高后可以看出熔接痕已经很不明显了。这说明适当的增加注塑压力对减少熔接痕是很有效的 c.方案一如图5.21 图5.21 修改工艺参数将模温增加到80 ，再将熔体提高到260 ，重新分析，得到制件熔
26、接痕的结果分析图，如图5.22 图5.22 方案c将模温和熔体温度提高后可以看出熔接痕已经很不明显了。这说明适当将模温和熔体温度提高可减少熔接痕是很有效的。6 总结 通过两周的课程设计我收获不小，这次课程设计对proe三维建模又有了更大的提高，特别是在曲面建模方面有了很大的进步。但是也存在着很多需要改进提升的地方，还需要自身加强对曲面建模的熟悉理解。在moldflow分析方面也有一定的提高，加深了对建立浇注系统，冷却回路系统的操作，重新掌握了对网格单元的修改。通过此次课程设计，让我进一步提高了对曲面建模的了解，也更加熟练掌握了moldflow软件的操作.在实际操作的过程中也遇到了许多困难，但通
27、过自己查阅资料和向同学请教，让自己把这些困难都一一处理解决了，同时在一步步操作Pro/E和moldflow的过程中是我更加了解它们界面的操作，大大地提高了画图的速度和操作的速度，这次课程设计让我自己的动手插操作力有了很大的提高。在最后非常感谢老师对这次教学和对我们的严格要求，使我在这次课程设计的过程中收获很大。【参考文献】【1】关兴举,杜智敏. Proe/ENGINEER塑料产品设计.人民邮电出版社. 2006.1【2】王培,王刚. moldflow模具分析应用实例.清华大学出版社. 2004.3【3】 陈立亮. 材料加工CAD/CAE/CAM技术基础。机械工业出版社. 2008.7【4】 何满才. 三维造型设计Pro/ENGINEER Wildfire。人民邮电出版社. 2005.1【5】 王定标. CAD/CAE/CAM技术与应用。化学工业出版社. 2005.6