中国机械工程第15卷第21期2004年11月上半月 基于成形模拟的注塑件熔接缝确定与评价 周华民李德群 华中科技大学塑性成形模拟与模具技术国家重点实验室,武汉430074 摘要:在塑料注射成形流动保压模拟结果的基础上,提出了基于节点特 征模型的熔接缝位置确定新算法,通过对熔接缝性能影响因素的深入分析 创建了基于人工神经网络方法的熔接缝性能评价模型,首次实现了满足工 程需要的熔接缝性能定量预测 关键词:塑料注射成形;CAE;熔接缝;人工神经网络 周华民副教授 中图分类号:TQ320.662文章编号:1004-132X(2004)21-1962-05 Loca tion and Evaluation of Meld Lines of plastics Based on molding simulation Zhou Huamin Li Dequn Huazhong University of Science Technology, Wuhan, 430074 Abstract With the predicted results of filling and post-filling simulation, a reliable and efficient algo- rithm to detect the location of meld lines has been presented. After analyzing the factors that affect the properties of meld lines amply, an eval uation model based on artificial neural network method was present- ed, which realized quantitative prediction of the properties of meld lines Key words plastic injection molding; CAE; meld line; artificial neural network 0引言 种基于流动模拟结果的熔接缝确定新算法,该算 注塑件的熔接缝多产生在多浇口或有嵌件的法最大的优点是准确、简单、高效。在此基础上 制品中,对制品的外观和力学性能有着重要影响,通过对影响熔接缝性能的因素进行深入的分析, 是塑料注射成形常见的缺陷之一。随着对塑料制尝试应用人工神经网络方法来对熔接缝的性能进 品质量的要求越来越高,熔接缝的分析与研究也行定量分析,建立熔接缝性能评价的经验“黑箱 受到越来越多的重视3。基于流动模拟的结模型,首次实现了满足工程需要的熔接缝性能定 果,文献[4]提出了一种简单的确定熔接缝的算量预测。 法但仅适合于多浇口制品;而文献5]则通过每1熔接缝位置确定方法 一时刻与下一时刻的流动前沿的对比分析来判断 流动前沿的聚散,以确定熔接缝的形成与发展,由 熔接缝的确定分两步:①确定两流动前沿最 于这种算法要计算每一时刻的流动前沿,计算效初合并的第一点(初合点);②由初合点扩展成熔 率十分低下并且存在不确定性。如何高效率准接缝 确地确定熔接缝的位置仍是注射成形模拟软件需 先详细分析初合点的确定。 要解决的难点之一。在熔接缝位置确定的基础 前提由于熔接缝的确定是基于注射成形流 上,对所有熔接缝的性能进行定量的分析与评价,动模拟的,因此假定有限元网格及熔体到达各节 预测其实际成形的质量具有重要的实际意义。与点的时间(流前时间)已知 熔接缝位置的确定相比,对熔接缝性能评价的研 定理一所有的初合点必定在有限元网格节 究目前还十分欠缺,一般也只是针对具体问题采点上。 用实验的方法9,还没有形成基于理论分析的 由于有限元数值计算所生成的流前时间都是 数学物理模型,也没有获得可在实践中采用的实基于节点的,所以定理一显然成立 用可靠算法。 定理二对于初合点,在熔体到达该节点之 本文通过对熔接缝形成特点进行深入分析,前且极其接近该节点的时刻,在该节点周边节点 建立了熔接缝初合点的节点特征模型,提出了一所形成的封闭多边形中(包容多边形),存在两条 不相交的流动前沿(见图1中的F1、F2)。 收稿日期:200402-25 基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 定理二由初合点的定义可得。 (20020487032) 推论一由定理二可知,对于初合点,熔体 到达该节点之前且极其接近该节点的时刻的流动 o1994-2007ChinaAcademicournalElectronicPublishingHousealrightsreservedhttp://nnw.cnki.ner
基于成形模拟的注塑件熔接缝确定与评价 周华民 副教授 周华民 李德群 华中科技大学塑性成形模拟与模具技术国家重点实验室 ,武汉 ,430074 摘要 :在塑料注射成形流动保压模拟结果的基础上 ,提出了基于节点特 征模型的熔接缝位置确定新算法 ,通过对熔接缝性能影响因素的深入分析 , 创建了基于人工神经网络方法的熔接缝性能评价模型 ,首次实现了满足工 程需要的熔接缝性能定量预测。 关键词 :塑料注射成形 ;CAE ;熔接缝 ;人工神经网络 中图分类号 : TQ320. 662 文章编号 :1004 - 132 Ⅹ(2004) 21 - 1962 - 05 Location and Evaluation of Meld Lines of Plastics Based on Molding Simulation Zhou Huamin Li Dequn Huazhong University of Science & Technology ,Wuhan ,430074 Abstract :With the predicted results of filling and post - filling simulation , a reliable and efficient algo2 rithm to detect the location of meld lines has been presented. After analyzing the factors that affect the properties of meld lines amply , an evaluation model based on artificial neural network method was present2 ed , which realized quantitative prediction of the properties of meld lines. Key words :plastic injection molding ;CAE ;meld line ;artificial neural network 收稿日期 :2004 - 02 - 25 基金项目 : 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 (20020487032) 0 引言 注塑件的熔接缝多产生在多浇口或有嵌件的 制品中 ,对制品的外观和力学性能有着重要影响 , 是塑料注射成形常见的缺陷之一。随着对塑料制 品质量的要求越来越高 ,熔接缝的分析与研究也 受到越来越多的重视[1～3 ] 。基于流动模拟的结 果 ,文献[ 4 ]提出了一种简单的确定熔接缝的算 法 ,但仅适合于多浇口制品 ;而文献[ 5 ]则通过每 一时刻与下一时刻的流动前沿的对比分析来判断 流动前沿的聚散 ,以确定熔接缝的形成与发展 ,由 于这种算法要计算每一时刻的流动前沿 ,计算效 率十分低下并且存在不确定性。如何高效率、准 确地确定熔接缝的位置仍是注射成形模拟软件需 要解决的难点之一。在熔接缝位置确定的基础 上 ,对所有熔接缝的性能进行定量的分析与评价 , 预测其实际成形的质量具有重要的实际意义。与 熔接缝位置的确定相比 ,对熔接缝性能评价的研 究目前还十分欠缺 ,一般也只是针对具体问题采 用实验的方法[6～9 ] ,还没有形成基于理论分析的 数学物理模型 ,也没有获得可在实践中采用的实 用可靠算法。 本文通过对熔接缝形成特点进行深入分析 , 建立了熔接缝初合点的节点特征模型 ,提出了一 种基于流动模拟结果的熔接缝确定新算法 ,该算 法最大的优点是准确、简单、高效。在此基础上 , 通过对影响熔接缝性能的因素进行深入的分析 , 尝试应用人工神经网络方法来对熔接缝的性能进 行定量分析 ,建立熔接缝性能评价的经验“黑箱” 模型 ,首次实现了满足工程需要的熔接缝性能定 量预测。 1 熔接缝位置确定方法 熔接缝的确定分两步 : ①确定两流动前沿最 初合并的第一点 (初合点) ; ②由初合点扩展成熔 接缝。 先详细分析初合点的确定。 前提 由于熔接缝的确定是基于注射成形流 动模拟的 ,因此假定有限元网格及熔体到达各节 点的时间(流前时间) 已知。 定理一 所有的初合点必定在有限元网格节 点上。 由于有限元数值计算所生成的流前时间都是 基于节点的 ,所以定理一显然成立。 定理二 对于初合点 ,在熔体到达该节点之 前且极其接近该节点的时刻 ,在该节点周边节点 所形成的封闭多边形中 (包容多边形) ,存在两条 不相交的流动前沿(见图 1 中的 F1 、F2 ) 。 定理二由初合点的定义可得。 推论一 由定理二可知 ,对于初合点 , 熔体 到达该节点之前且极其接近该节点的时刻的流动 · 2691 · 中国机械工程第 15 卷第 21 期 2004 年 11 月上半月 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
基于成形模拟的注塑件熔接缝确定与评价一周华民李德群 前沿与该节点的包容多边形存在4个交点/图1 Fs值愈小,熔接缝的性能愈差,对制品总体 中的P1、P2、P3、P4 性能的削弱程度愈大 定理三对于存在推论一所述交点的周边2.2熔接缝性能的影响因素 三角形(如图1中的阴影三角形Tu,它与初合点 针对熔接缝性能的影响因素,人们已经进行了 相连的两条边(如图1中的S1、S2)中的一条边应长期的实验研究-15这些研究主要是针对具体 与流动前沿还有一交点,而另一边一定没有交点。的塑料品种和模具结构。其影响因素可归纳如下 因为如果流动前沿穿过某三角形,应该有且仅有 (1)接缝类型并合缝的性能明显优于对 两个交点 接缝。 推论二由定理三可进一步得知,在与初合 (2)塑料材料无定型脆性材料的熔接缝使 点相连的两条边的两个节点中(图1中的C1、制品损害严重,无定型韧性材料的熔接缝对制品 C2),一点的流前时间要比初合点早,而另一点则损害较小,半结晶型材料的熔接缝也具有较高的 比初合点迟设C、C1、C2的流前时间分别为τ、接缝系数。无论哪种类型材料添加填料、增强剂 Tc、Tc,进一步应该有 之类虽然对塑料可以起到增强作用,但却会引起 Tc-Tc)(Tc·Tc)<0 接缝系数显著减小。 结论对于所有的有限元节点,若其周边的 (3)工艺条件一般而言,熔体温度越高、模 三角形中存在4个三角形满足式们1),则该节点为具温度越高、充填时间越短、保压压力越高,接缝 初合点。 系数也越高 制品与模具结构模具结构的可充填性 好,有利于顺利充模,熔接缝性能也较好,同时模 具的有效排气也有利于改善接缝系数 虽然现有的研究在熔接缝性能分析方面已经 积累了一定的实验数据,但是上述文献都没有得 出熔接缝性能的有效计算模型,也没有推导出 般性的评价准则。如果单从实验现象来看,成形 过程的每一个环节都对熔接缝有影响,有些甚至 得出了相反的结论6-18。但从微观的角度来 图1熔接缝确定示意图 看,熔接缝的性能下降是由下述的相互影响的环 通过上述分析可知,只要对所剖分的所有的节造成的(见图2):①熔接缝处的分子链没有充 有限元节点进行一次遍历,便可找出所有的初合分地熔合、缠结、扩散;②熔接缝处的分子链没有 点计算效率非常高。以初合点为起点熔接缝将形成平行于流动方向的分子取向(一般转向为平 沿着两个方向扩展如图1中的v1、V2因此,找行于接缝方向);③熔接缝处的流动应力没有获得 到初合点之后,以初合点为当前熔合点该熔合点充分的松弛;④熔接缝处的V形缺口引起了应力 的周边节点中沿扩展方向的流前时间最迟的两个集中。上述微观角度的影响因素实际上都直接或 节点即为下两个熔合点再以这两个熔合点为当间接地与形成熔接缝时的塑料分子流动性有关 前熔合点,依此扩展,就可生成整条熔接缝 (由粘度来表征),分子的流动性是影响熔接缝性 2熔接缝性能评价方法 能最根本的微观因素。当然,分子的流动性反过 来又依赖于塑料材料与成形工艺等宏观因素。 2.1熔接缝的性能评价指标 综上所述,可将影响熔接缝性能的主要因素 熔接缝是注塑件的薄弱环节不但影响制品归纳为以下三点 的外观,而且易于产生应力集中,影响制品的总体 (1)材料的取向性系数如前所述熔接缝处 强度接缝对制品的损害程度可定量地用接缝的分子取向由平行于流动方向转向为平行于接缝 系数Fk来表示10),其定义如下 方向,取向性强的材料(如含有填料、增强剂等) 2)其取向效应更明显,对制品的机械性能影响也更 式中,P、P分别为含熔接缝的试样的性能值和无熔接大。取向性系数由塑料内各种成分(含本料、填 缝的试样的性能值,其中试样性能是指拉伸强度、断裂伸料、增强剂等)所占的比例与各成分的短长径比乘 长率等参数 积之和来计算 c1994-2007ChinaAcademicournaleLectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/hnww.cnki,net
前沿与该节点的包容多边形存在 4 个交点 (图 1 中的 P1 、P2 、P3、P4 ) 。 定理三 对于存在推论一所述交点的周边 三角形(如图 1 中的阴影三角形 T1 ) ,它与初合点 相连的两条边(如图 1 中的 S 1 、S 2 ) 中的一条边应 与流动前沿还有一交点 ,而另一边一定没有交点。 因为如果流动前沿穿过某三角形 , 应该有且仅有 两个交点。 推论二 由定理三可进一步得知 ,在与初合 点相连的两条边的两个节点中 (图 1 中的 C1 、 C2 ) ,一点的流前时间要比初合点早 ,而另一点则 比初合点迟。设 C、C1 、C2 的流前时间分别为 TC、 TC1 、TC2 ,进一步应该有 ( TC - TC1 ) ( TC - TC2 ) < 0 (1) 结论 对于所有的有限元节点 ,若其周边的 三角形中存在 4 个三角形满足式(1) ,则该节点为 初合点。 图 1 熔接缝确定示意图 通过上述分析可知 ,只要对所剖分的所有的 有限元节点进行一次遍历 , 便可找出所有的初合 点 ,计算效率非常高。以初合点为起点 ,熔接缝将 沿着两个方向扩展(如图1中的 V 1 、V 2 ) 。因此 ,找 到初合点之后 ,以初合点为当前熔合点 ,该熔合点 的周边节点中沿扩展方向的流前时间最迟的两个 节点即为下两个熔合点 , 再以这两个熔合点为当 前熔合点 ,依此扩展 ,就可生成整条熔接缝。 2 熔接缝性能评价方法 2. 1 熔接缝的性能评价指标 熔接缝是注塑件的薄弱环节 ,不但影响制品 的外观 ,而且易于产生应力集中 ,影响制品的总体 强度。熔接缝对制品的损害程度可定量地用接缝 系数 FKL 来表示[10 ] ,其定义如下 : FKL = PY PN (2) 式中 , PY、PN 分别为含熔接缝的试样的性能值和无熔接 缝的试样的性能值 ,其中试样性能是指拉伸强度、断裂伸 长率等参数。 FKL 值愈小 ,熔接缝的性能愈差 ,对制品总体 性能的削弱程度愈大。 2. 2 熔接缝性能的影响因素 针对熔接缝性能的影响因素 ,人们已经进行了 长期的实验研究[11～15 ] ,这些研究主要是针对具体 的塑料品种和模具结构。其影响因素可归纳如下: (1) 接缝类型 并合缝的性能明显优于对 接缝。 (2) 塑料材料 无定型脆性材料的熔接缝使 制品损害严重 ,无定型韧性材料的熔接缝对制品 损害较小 ,半结晶型材料的熔接缝也具有较高的 接缝系数。无论哪种类型材料 ,添加填料、增强剂 之类虽然对塑料可以起到增强作用 ,但却会引起 接缝系数显著减小。 (3) 工艺条件 一般而言 ,熔体温度越高、模 具温度越高、充填时间越短、保压压力越高 ,接缝 系数也越高。 (4) 制品与模具结构 模具结构的可充填性 好 ,有利于顺利充模 ,熔接缝性能也较好 ,同时模 具的有效排气也有利于改善接缝系数。 虽然现有的研究在熔接缝性能分析方面已经 积累了一定的实验数据 ,但是上述文献都没有得 出熔接缝性能的有效计算模型 ,也没有推导出一 般性的评价准则。如果单从实验现象来看 ,成形 过程的每一个环节都对熔接缝有影响 ,有些甚至 得出了相反的结论[16～18 ] 。但从微观的角度来 看 ,熔接缝的性能下降是由下述的相互影响的环 节造成的 (见图 2) : ①熔接缝处的分子链没有充 分地熔合、缠结、扩散 ; ②熔接缝处的分子链没有 形成平行于流动方向的分子取向 (一般转向为平 行于接缝方向) ; ③熔接缝处的流动应力没有获得 充分的松弛 ; ④熔接缝处的 V 形缺口引起了应力 集中。上述微观角度的影响因素实际上都直接或 间接地与形成熔接缝时的塑料分子流动性有关 (由粘度来表征) ,分子的流动性是影响熔接缝性 能最根本的微观因素。当然 ,分子的流动性反过 来又依赖于塑料材料与成形工艺等宏观因素。 综上所述 ,可将影响熔接缝性能的主要因素 归纳为以下三点 : (1) 材料的取向性系数 如前所述 ,熔接缝处 的分子取向由平行于流动方向转向为平行于接缝 方向 ,取向性强的材料 (如含有填料、增强剂等) , 其取向效应更明显 ,对制品的机械性能影响也更 大。取向性系数由塑料内各种成分 (含本料、填 料、增强剂等) 所占的比例与各成分的短长径比乘 积之和来计算 : · 3691 · 基于成形模拟的注塑件熔接缝确定与评价 ———周华民 李德群 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
中国机械工程第15卷第21期2004年11月上半月 [熔接 缺回 ⊥_⊥℃-1 式中,(为熔体到达的时刻:t为熔体冷却到玻璃化温 度的时刻;n为熔接处沿壁厚方向的平均粘度;b为型腔 半壁厚;z为壁厚方向的坐标 份分子链缠结不充分 子定向转 2.3基于人工神经网络的熔接缝性能评价 扩散、合 格性切 虽然我们对熔接缝的形成有了一定的微观认 分流动性 识,但是还不清楚其确切的机理,更谈不上进行定 □局部应力了 量描述和建立数学模型。Km等尝试采用扩 散模型对熔接缝进行研究并开发了关于无定型塑 图2影响熔接缝的因素 料的熔接缝强度理论模型,但是建模时采用了 3)些尚无法确认的假定,与实际情况有差距。同时 式中,p、n分别为第i种成分所占的比例及其各成分的由于该模型引入了许多与材料有关的常数,因此 短长径比;n为材料的成分总数。 在实际应用中很难推广。人工神经网络方法 2)汇合角熔接缝的汇合过程见图3汇(ANN)是解决这类“黑箱”问题的有效途径。 合角是指两流动前沿在熔接处的夹角(如图3b中 反向传播(BP)神经网络是进行函数逼近的 的汇合角可以用来粗略地区分对接缝和并合最有效模型, Kolmogorov定理2已经证明了对 缝C二者在此统称为熔接缝。般而言,汇合角小于任意给定的连续函数都可以精确地用一个三 于135°将产生对接缝,大于135°则产生并合缝。层的BP神经网络实现。BP神经网络一般采用S 对接缝的明显特征是接缝形成处有明显的可目视型的对数或正切激活函数和线性函数,并利用误 的接缝线,接缝区多数情况下都存在着可以用显差的反向传播算法来修正权值21 微照相观察到的ⅴ形缺口,当然其性能也明显劣 本文采用BP型神经网络来实现熔接缝性能 于并合缝汇合角对熔接缝的性能有重要影响因的评价。BP网络采用一个S型的隐含层和一个 为它影响了熔接后分子链熔合缠结扩散的充分线性输出层,其结构见图4。网络输入层的节点 程度,汇合角越大,熔接缝性能越好。 数为三个,分别为材料的取向性系数、汇合角和粘 度影响系数输出层为熔接缝的接缝系数。 (a)汇合(b)对接缝形成(c)并合缝形成(d最终结果 1.并合缝2.对接缝 图4BP型神经网络的结构 图3汇合角对熔接缝的影响示意图 网络隐含层中第j个神经元的输出为 (3)熔接缝处的熔体粘度历史如前所述, 影响熔接缝的各因素都直接或间接地与熔接缝处 y=f(乙w14x+b 的塑料粘度有关,材料、结构、工艺的变化最终都式中,w1g、b,为隐含层节点参数/为传递函数,采用对 反映在熔体的粘度上。熔接缝的性能不仅与汇合数sgmd函数,J=1+e,(x+b1;b为偏差 时的熔体粘度有关,还与汇合后熔体的粘度历史 网络输出为 有关,熔体充填后其温度从充填温度逐渐冷却到 weiyi+ b2 玻璃化温度,这一时间历程也是分子链在熔合处式中,w2y、b为输出层节点参数;s为隐含层节点数。 扩散、缠结和应力松弛的过程,熔体在玻璃化温度 网络训练精度的提高,可以通过增加隐含层 之上的时间愈长、粘度愈低熔体熔合的效果愈节点数的方法来获得合适的隐含层节点数应该 好根据粘度在流体动力方程中的作用粘度影响根据具体的问题和不同的方案对比来确定11。 系数Cn可计算为 为提高网络训练的速度和避免收敛到局部最小 值,网络的训练应采用结合了附加动量法和自适 应学习速率的反向传播改进算法201,网络的具体 c1994-2007ChinaAcademicournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://nnw.cnki,ner
图 2 影响熔接缝的因素 B = 6 n i =1 ( pir) (3) 式中 , pi 、ri 分别为第 i 种成分所占的比例及其各成分的 短长径比; n 为材料的成分总数。 (2) 汇合角 熔接缝的汇合过程见图 3。汇 合角是指两流动前沿在熔接处的夹角(如图 3b 中 的θ) 。汇合角可以用来粗略地区分对接缝和并合 缝(二者在此统称为熔接缝) 。一般而言 ,汇合角小 于 135°将产生对接缝 ,大于 135°则产生并合缝。 对接缝的明显特征是接缝形成处有明显的可目视 的接缝线 ,接缝区多数情况下都存在着可以用显 微照相观察到的 V 形缺口 ,当然其性能也明显劣 于并合缝。汇合角对熔接缝的性能有重要影响 ,因 为它影响了熔接后分子链熔合、缠结、扩散的充分 程度 ,汇合角越大 ,熔接缝性能越好[2 ]。 (a) 汇合 (b) 对接缝形成 (c) 并合缝形成 (d) 最终结果 1. 并合缝 2. 对接缝 图 3 汇合角对熔接缝的影响示意图 (3) 熔接缝处的熔体粘度历史 如前所述 , 影响熔接缝的各因素都直接或间接地与熔接缝处 的塑料粘度有关 ,材料、结构、工艺的变化最终都 反映在熔体的粘度上。熔接缝的性能不仅与汇合 时的熔体粘度有关 ,还与汇合后熔体的粘度历史 有关 ,熔体充填后其温度从充填温度逐渐冷却到 玻璃化温度 ,这一时间历程也是分子链在熔合处 扩散、缠结和应力松弛的过程 ,熔体在玻璃化温度 之上的时间愈长、粘度愈低 , 熔体熔合的效果愈 好。根据粘度在流体动力方程中的作用 ,粘度影响 系数 Cη 可计算为 Cη =∫ t vit t fill 1 ηm d t (4) 1 ηm = 1 b∫ b 0 1 η( z) d z (5) 式中 , tfill 为熔体到达的时刻; tvit 为熔体冷却到玻璃化温 度的时刻;ηm 为熔接处沿壁厚方向的平均粘度; b 为型腔 半壁厚; z 为壁厚方向的坐标。 2. 3 基于人工神经网络的熔接缝性能评价 虽然我们对熔接缝的形成有了一定的微观认 识 ,但是还不清楚其确切的机理 ,更谈不上进行定 量描述和建立数学模型。Kim 等[19 ]尝试采用扩 散模型对熔接缝进行研究并开发了关于无定型塑 料的熔接缝强度理论模型 ,但是建模时采用了一 些尚无法确认的假定 ,与实际情况有差距。同时 , 由于该模型引入了许多与材料有关的常数 ,因此 在实际应用中很难推广。人工神经网络方法 (ANN) 是解决这类“黑箱”问题的有效途径。 反向传播 (BP) 神经网络是进行函数逼近的 最有效模型 , Kolmogorov 定理[20 ]已经证明了对 于任意给定的连续函数 ,都可以精确地用一个三 层的 BP 神经网络实现。BP 神经网络一般采用 S 型的对数或正切激活函数和线性函数 ,并利用误 差的反向传播算法来修正权值[21 ] 。 本文采用 BP 型神经网络来实现熔接缝性能 的评价。BP 网络采用一个 S 型的隐含层和一个 线性输出层 ,其结构见图 4。网络输入层的节点 数为三个 ,分别为材料的取向性系数、汇合角和粘 度影响系数 ,输出层为熔接缝的接缝系数。 图 4 BP 型神经网络的结构 网络隐含层中第 j 个神经元的输出为 yj = f ( 6 3 i =1 w1 ij xj + b1 j ) (6) 式中 , w1 ij 、b1 j 为隐含层节点参数; f 为传递函数 ,采用对 数 Sigmoid型函数 , f = 1/ (1 +exp [ - ( x + b) ] ; b为偏差。 网络输出为 y = 6 s 1 j =1 w2 jyj + b2 (7) 式中 , w2 j 、b2 为输出层节点参数; s1 为隐含层节点数。 网络训练精度的提高 ,可以通过增加隐含层 节点数的方法来获得 ,合适的隐含层节点数应该 根据具体的问题和不同的方案对比来确定[21 ] 。 为提高网络训练的速度和避免收敛到局部最小 值 ,网络的训练应采用结合了附加动量法和自适 应学习速率的反向传播改进算法[20 ] ,网络的具体 · 4691 · 中国机械工程第 15 卷第 21 期 2004 年 11 月上半月 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
基于成形模拟的注塑件熔接缝确定与评价一周华民李德群 实现可采用 Matlab神经网络工具箱。根据试验性能和没有熔接缝的试样性能之比来计算接缝系 和参考文献提供的数据并结合流动模拟软件的计数),试样切取位置如图6中的虚线所示,试样尺 算结果,可以整理得到一系列的样本,应用样本对寸见图7(厚度为2mm)。所切下的试样通过拉 建立的网络模型进行训练,获得了很好的收敛速 度和精度 3实验验证 3.1熔接缝位置确定的实验验证 实验所采用的制品为一100mm×00mm的 平板,上半侧壁厚为2mm,下半侧壁厚为1mm,在 两半侧的中心位置各设置1个浇口(见图5)。实 图6实验制品及流道系统的结构 验材料为由北京燕山石油化工有限公司出品的高 密度聚乙烯(HDPE),对应于五参数 CROSS模型 中的(n,r',B,Tb,β)参数为(0.35 36540.44Pa,0.0123Pa·s,5696.05K.4.50 108Pa1),其中,n为剪切变稀系数,r’为剪切 图7试样尺寸(单位:mm) 系数,B为零剪切粘度系数,T为温度敏感系数,伸试验机来测定其拉伸强度。实验材料为PM B为压力敏感系数。主要工艺参数如下:注射时 MA PL EXIGLAS8N注射时间为1.26s模具温 间1.0s,注射温度200℃,模具温度34℃。图5度为50℃,实验中通过改变注射温度来分析不同 中显示的为熔体流动前沿分布情况,黑色实线位成形参数对熔接缝性能的影响。由于PMMA 置为软件预测的熔接缝黑色虚线位置为成形制 PL EXIGLAS8N没有添加各向异性的填料,所以 品实测的熔接缝。由图可以看出,计算结果与实材料的取向性系数为1,应用CAE软件对实验采 际情况吻合较好,微小的误差是由网格离散和流用的成形条件进行模拟分析,根据模拟结果计算 动分析误差造成的。 神经网络输入参数中的汇合角与粘度系数。神经 熔体到达时间(s) 网络的输出与实验测定值的对比见表1,从表中 可以看出,神经网络预测值与实测值吻合较好,最 大相对误差为7.6%,达到了工程许可的误差范 围,并且二者的分布趋势是一致的 表1神经网络的输出与实验测定值的对比 到神经网输入長审 接缝系数对比 台粘度系数含熔接无嬸接神经网实验相对 221600031430|57606l[o666% 图5实验模具熔接缝对比图 2121600844635760.70s38% 325011160.00469 51.057.6 0.85 3.2熔接缝性能评价的实验验证 p7hdb02dss5690096.3% 文献[2对一个中间带孔的矩形平板进行了 熔接缝性能的测试实验,通过与该实验数据的对参考文献 比来验证本文所建立的神经网络模型的正确性。[1]张克惠注塑件熔接缝结构、性能评价及影响因 如图6所示,实验制品为一壁厚为2mm的80mm 中国塑料,1996,10(3):64~69 ×100mm的平板,采用厚度为1mm的膜状浇2] Dairanieh I s, Haufe a, Wolf H J,etal. Computer 口,接近浇口的位置设置了一直径为12mm的孔 Simulation of Weld Lines in Ingjection Molded Poly 塑料熔体遇到该孔时分成两股,经过孔后重新汇 Methyl Methacrylate) Polymer Engineering and Sci- 合形成熔接缝,图6中的实线为软件模拟的熔接 ence,1996,36(15):2050~2057 缝位置。从每个成形后的制品上分别在孔前和孔3] Valguarnera S C. Weld Lines in polymer Processing 后位置切下一条试样(以便根据有熔接缝的试样 Polymer Plastics Techology and Engineering 982,18(1):1~45 o1994-2007ChinaAcademicournalElectronicPublishingHousealrightsreservedhttp://nnw.cnki.ner
实现可采用 Matlab 神经网络工具箱。根据试验 和参考文献提供的数据并结合流动模拟软件的计 算结果 ,可以整理得到一系列的样本 ,应用样本对 建立的网络模型进行训练 ,获得了很好的收敛速 度和精度。 3 实验验证 3. 1 熔接缝位置确定的实验验证 实验所采用的制品为一 100mm ×100mm 的 平板 ,上半侧壁厚为 2mm ,下半侧壁厚为 1mm ,在 两半侧的中心位置各设置 1 个浇口 (见图 5) 。实 验材料为由北京燕山石油化工有限公司出品的高 密度聚乙烯( HDPE) ,对应于五参数 CROSS 模型 中 的 ( n , τ3 , B , Tb , β) 参 数 为 ( 0135 , 36 540144Pa , 0. 0123Pa·s , 5696. 05 K , 4. 50 × 10 - 8Pa - 1) ,其中 , n 为剪切变稀系数 ,τ3 为剪切 系数 , B 为零剪切粘度系数 , Tb 为温度敏感系数 , β为压力敏感系数。主要工艺参数如下 :注射时 间 1. 0 s ,注射温度 200 ℃,模具温度 34 ℃。图 5 中显示的为熔体流动前沿分布情况 ,黑色实线位 置为软件预测的熔接缝 ,黑色虚线位置为成形制 品实测的熔接缝。由图可以看出 ,计算结果与实 际情况吻合较好 ,微小的误差是由网格离散和流 动分析误差造成的。 图 5 实验模具熔接缝对比图 3. 2 熔接缝性能评价的实验验证 文献[2 ]对一个中间带孔的矩形平板进行了 熔接缝性能的测试实验 ,通过与该实验数据的对 比来验证本文所建立的神经网络模型的正确性。 如图 6 所示 ,实验制品为一壁厚为 2mm 的 80mm ×100mm 的平板 ,采用厚度为 1 mm 的膜状浇 口 ,接近浇口的位置设置了一直径为 12mm 的孔 , 塑料熔体遇到该孔时分成两股 ,经过孔后重新汇 合形成熔接缝 ,图 6 中的实线为软件模拟的熔接 缝位置。从每个成形后的制品上分别在孔前和孔 后位置切下一条试样 (以便根据有熔接缝的试样 性能和没有熔接缝的试样性能之比来计算接缝系 数) ,试样切取位置如图 6 中的虚线所示 ,试样尺 寸见图 7 (厚度为 2 mm) 。所切下的试样通过拉 图 6 实验制品及流道系统的结构 图 7 试样尺寸(单位 :mm) 伸试验机来测定其拉伸强度。实验材料为 PM2 MA PL EXIGLAS 8N ,注射时间为 1. 26 s ,模具温 度为 50 ℃,实验中通过改变注射温度来分析不同 成形参数对熔接缝性能的影响。由于 PMMA PL EXIGLAS 8N 没有添加各向异性的填料 ,所以 材料的取向性系数为 1 ,应用 CAE 软件对实验采 用的成形条件进行模拟分析 ,根据模拟结果计算 神经网络输入参数中的汇合角与粘度系数。神经 网络的输出与实验测定值的对比见表 1 ,从表中 可以看出 ,神经网络预测值与实测值吻合较好 ,最 大相对误差为 7. 6 % ,达到了工程许可的误差范 围 ,并且二者的分布趋势是一致的。 表 1 神经网络的输出与实验测定值的对比 方案 注射 温度 ( ℃) 神经网络输入 实验测试的 试样拉伸强度 (MPa) 接缝系数对比 取向 性系 数 汇合 角 (°) 粘度系数 ( Pa - 1) 含熔接 缝试样 无熔接 缝试样 神经网 络输出 实验 结果 相对 误差 1 220 1 116 0. 003 14 38. 0 57. 6 0. 61 0. 66 7. 6 % 2 230 1 116 0. 003 81 46. 3 57. 6 0. 77 0. 80 3. 8 % 3 250 1 116 0. 004 69 51. 0 57. 6 0. 85 0. 89 4. 5 % 4 270 1 116 0. 009 26 55. 5 57. 6 0. 90 0. 96 6. 3 % 参考文献 : [1 ] 张克惠. 注塑件熔接缝结构、性能评价及影响因素. 中国塑料 , 1996 , 10 (3) : 64～69 [2 ] Dairanieh I S , Haufe A , Wolf H J , et al. Computer Simulation of Weld Lines in Injection Molded Poly (Methyl Methacrylate) . Polymer Engineering and Sci2 ence , 1996 , 36(15) : 2050～2057 [3 ] Malguarnera S C. Weld Lines in Polymer Processing. Polymer - Plastics Technology and Engineering , 1982 , 18 (1) : 1～45 · 5691 · 基于成形模拟的注塑件熔接缝确定与评价 ———周华民 李德群 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
中国机械工程第15卷第21期2004年11月上半月 [4]袁中双塑料注射成形流动和保压过程的计算机模 Line Structure in Amorphous PolymerPolymer Er 拟及实验验证:[博士学位论文].武汉:华中理工大 neering and Science, 1986, 26(17): 1200--1207 学,1993 20]王士同.神经模糊系统及其应用.北京:北京航空 [5]鲁晓梅,赵文彦,申长雨,等.塑件熔接线计算机模 航天大学出版社,1998 拟及实验验证模具工业,2000(2):13~1 21]从爽.面向 MAILAB工具箱的神经网络理论与应 [6]张克惠,寇开昌.注射参数对尼龙1010收缩率的影 用合肥:中国科技大学出版社,1998 响.工程塑料应用,1985(4):17~21 (编辑卢湘帆) 7]张克惠.注射成形用试验模具.模具工业,1987 作者简介:周华民,男,1974年生。华中科技大学塑性成形模拟 [8] Merhar C F, Beiter K A. IshIi Kos.weld·line与模具技术国家重点实验室副教授、博士。主要研究方向为塑料 Strength in Injection Moulded PVC Parts. Engineering模 CAD/ CAE。获中国高校科学技术一等奖和国家科技进步二等 Plastics,1994,7(2):81~95 奖各1项。发表论文40余篇。李德群,男,1945年生。华中科技 19 Malguarnera S C. Weld Lines in Polymer Processing 大学塑性成形模拟与模具技术国家重点实验室教授、博士研究生 Polymer Plastics Technology and Engineering 导师。 1982,18(1):1~4 [10 Nadkarni V M, Ayodhya SR. Influence of Knit (上接第1922页) lines on the Tensile Properties of Fiberglass Reir 表1滚刀1刀刃各点的压下量单位:mm forced Thermoplastics Polymer Engineering and Sci- dn0.111032 0.094879 ence,1993,33(6):358~367 d[0.016241d01425dx_0.087834 [11 Rallis A, Piccarolo S. Titomanlio G Nylon 6 Weld Line Strength Compared to Bulk in Injection Mould- 916dx0.06127 ed Samples. Plastics and Rubber Processing and ap- i ds o078 578 di o.113544 dz t o.03922 plications,1988,9(3):181~186 [12] Sanschagrin B, GauvinR, Fisa B, et al. Weldlines in Injection Molded Polypropylene: Effect of Filler a Shape. Journal of Reinforced Plastics and Compos- tes,1990,9(2):194~208 6小结 [13 Malguarnera S C, Manisali A. Weld Line Structures 本文用解析法设计出了一种新型螺旋切纸滚 and Properties in Injection Molded Polypropylene Polymer Engineering and Science, 1981, 21(17) 刀的理论廓线及实际廓线,推出了滚刀各几何参 1149~115 数的计算公式,作为实例设计了十二齿滚刀并成 141 Selden R. Effect of processing on Weld Line功用于生产实践中。其他齿数的滚刀如八齿十 Strength in Five Thermoplastics. Polymer Engineer四齿滚刀目前也己成功用于生产中。此外根据 ing and Science, 1997, 37(1): 205-218 实际需要适当改变滚刀结构和刀片的材料,螺旋 [15] Boukhili r, Gauvin R. Investigation of Weld·ine切纸滚刀也可在其他行业推广应用 Fracture of Plastics Injection Mouldings. Plastics and Rubber Processing and Applications, 1989, 11(1) 参考文献 [1]孙恒,傅则绍.机械原理,北京:高等教育出版社 [16 Gardner G, Malloy R. Moving Boundary Technique to Strengthen Weld Lines in Injection Molding. AN-[2]刘宏增,黄靖远.虚拟设计.北京:机械工业出版 EC Technical Papers, 1994, 40: 626-630 社,1999 7 Worden E, Cushion s. Weld Line Integrity of P[3]杨文茂,李全英.空间解析几何湖北:武汉大学出 ABS Engineering Blends. AN TEC Technical Papers 版社,1997 (编辑卢湘帆) 1991,37:2653~2655 8] Wenig W, Stolzenberger C. Influence of molecular作者简介:迟毅林,男,1953年生。昆明理工大学机电工程学院 Weight and Mould Temperature on the Skin·core院长、教授。研究方向为机械 CADI CAE、机电产品及设备故障诊 Morphology in Injection- moulded polypropylene断。发表论文10余篇。袁名松,男,1975年生。昆明理工大学 Parts Containing Weld Lines. Journal of materials机电工程学院硕士研究生。董为民,男,1965生。昆明理工大学 机电工程学院院长助理副教授。 [19] Kim S G, Suh N P Performance Prediction of Wele c1994-2007ChinaAcademicournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://nwwcnkiner
[4 ] 袁中双. 塑料注射成形流动和保压过程的计算机模 拟及实验验证 :[博士学位论文 ]. 武汉 :华中理工大 学 ,1993 [5 ] 鲁晓梅 ,赵文彦 ,申长雨 ,等. 塑件熔接线计算机模 拟及实验验证. 模具工业 , 2000 (2) : 13～15 [6 ] 张克惠 ,寇开昌. 注射参数对尼龙 1010 收缩率的影 响. 工程塑料应用 , 1985 (4) :17～21 [7 ] 张克惠. 注射成形用试验模具. 模具工业 , 1987 (12) : 29～30 [8 ] Merhar C F , Beiter K A. Ishii Kos. Weld - line Strength in Injection Moulded PVC Parts. Engineering Plastics , 1994 , 7(2) : 81～95 [9 ] Malguarnera S C. Weld Lines in Polymer Processing. Polymer - Plastics Technology and Engineering , 1982 , 18 (1) :1～45 [10 ] Nadkarni V M ,Ayodhya S R. Influence of Knit - lines on the Tensile Properties of Fiberglass Rein2 forced Thermoplastics. Polymer Engineering and Sci2 ence , 1993 , 33(6) : 358～367 [ 11 ] Rallis A , Piccarolo S. Titomanlio G. Nylon 6 Weld Line Strength Compared to Bulk in Injection Mould2 ed Samples. Plastics and Rubber Processing and Ap2 plications , 1988 , 9(3) : 181～186 [12 ] Sanschagrin B , Gauvin R , Fisa B , et al. Weldlines in Injection Molded Polypropylene : Effect of Filler Shape. Journal of Reinforced Plastics and Compos2 ites , 1990 , 9(2) : 194～208 [13 ] Malguarnera S C , Manisali A. Weld Line Structures and Properties in Injection Molded Polypropylene. Polymer Engineering and Science , 1981 , 21 (17) : 1149～1155 [ 14 ] Selden R. Effect of Processing on Weld Line Strength in Five Thermoplastics. Polymer Engineer2 ing and Science , 1997 , 37(1) : 205～218 [15 ] Boukhili R , Gauvin R. Investigation of Weld - line Fracture of Plastics Injection Mouldings. Plastics and Rubber Processing and Applications , 1989 , 11 (1) : 17～22 [16 ] Gardner G , Malloy R. Moving Boundary Technique to Strengthen Weld Lines in Injection Molding. AN2 TEC Technical Papers , 1994 , 40 : 626～630 [17 ] Worden E , Kushion S. Weld Line Integrity of PC/ ABS Engineering Blends. AN TEC Technical Papers , 1991 , 37 : 2653～2655 [18 ] Wenig W , Stolzenberger C. Influence of Molecular Weight and Mould Temperature on the Skin - core Morphology in Injection - moulded Polypropylene Parts Containing Weld Lines. Journal of Materials Science , 1996 , 31(9) : 2487～2493 [19 ] Kim S G , Suh N P. Performance Prediction of Weld Line Structure in Amorphous Polymer. Polymer En2 gineering and Science , 1986 , 26(17) : 1200～1207 [20 ] 王士同. 神经模糊系统及其应用. 北京 :北京航空 航天大学出版社 ,1998 [21 ] 丛爽. 面向 MA TLAB 工具箱的神经网络理论与应 用. 合肥 :中国科技大学出版社 ,1998 (编辑 卢湘帆) 作者简介 :周华民 ,男 ,1974 年生。华中科技大学塑性成形模拟 与模具技术国家重点实验室副教授、博士。主要研究方向为塑料 模 CAD/ CAE。获中国高校科学技术一等奖和国家科技进步二等 奖各 1 项。发表论文 40 余篇。李德群 ,男 ,1945 年生。华中科技 大学塑性成形模拟与模具技术国家重点实验室教授、博士研究生 导师。 (上接第 1922 页) 表 1 滚刀 1 刀刃各点的压下量 单位 :mm d0 0 d11 0. 111 032 d21 0. 094 879 d1 0. 016 241 d12 0. 114 225 d22 0. 087 834 d2 0. 031 199 d13 0. 116 126 d23 0. 079 871 d3 0. 044 895 d14 0. 117 049 d24 0. 071 011 d4 0. 057 348 d15 0. 116 916 d25 0. 061 272 d5 0. 068 569 d16 0. 115 741 d26 0. 050 668 d6 0. 078 578 d17 0. 113 544 d27 0. 039 222 d7 0. 087 392 d18 0. 110 341 d28 0. 026 949 d8 0. 095 026 d19 0. 106 152 d29 0. 013 870 d9 0. 101 503 d20 0. 100 911 d30 0 d10 0. 106 831 6 小结 本文用解析法设计出了一种新型螺旋切纸滚 刀的理论廓线及实际廓线 ,推出了滚刀各几何参 数的计算公式 ,作为实例设计了十二齿滚刀并成 功用于生产实践中。其他齿数的滚刀如八齿、十 四齿滚刀目前也已成功用于生产中。此外 ,根据 实际需要适当改变滚刀结构和刀片的材料 ,螺旋 切纸滚刀也可在其他行业推广应用。 参考文献 : [1 ] 孙恒 , 傅则绍. 机械原理. 北京 :高等教育出版社 , 1990 [2 ] 刘宏增 , 黄靖远. 虚拟设计. 北京 :机械工业出版 社 ,1999 [ 3 ] 杨文茂 , 李全英. 空间解析几何. 湖北 :武汉大学出 版社 ,1997 (编辑 卢湘帆) 作者简介 :迟毅林 ,男 ,1953 年生。昆明理工大学机电工程学院 院长、教授。研究方向为机械 CAD/ CAE、机电产品及设备故障诊 断。发表论文 10 余篇。袁名松 ,男 ,1975 年生。昆明理工大学 机电工程学院硕士研究生。董为民 ,男 ,1965 生。昆明理工大学 机电工程学院院长助理、副教授。 · 6691 · 中国机械工程第 15 卷第 21 期 2004 年 11 月上半月 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net