技术领域
[0001] 本
申请涉及包括填充腔、冷却结合
相变/
凝固以及随后的从腔中脱除部件的过程。具体地，本申请涉及对该过程的仿真。
背景技术
[0002] 注模过程或金属
铸造过程的真实的三维仿真涉及许多方程的复杂系统。过去做出的进步是改进仿真方法的效率以应对这些复杂的计算。利用优化的
软件和现代工作站或PC的处理能
力，这样的仿真能够在工作场所中进行，即足够快速地获得适合于纯科学研究领域以外的结果且该结果能够由研究和开发部
门、铸造车间中的工程师和注模物品的制造商来应用。
[0003] 这些过程的仿真的先进的软件版本能够计算部件的残余
应力、
翘曲和
变形，也能够计算在部件起模之后部件的残余应力、翘曲和变形。然而，在各种类型的过程中，在起模过程中施加到部件上的力是相当大的且导致对部件附加的变形和应力。已知的过程仿真软件还不能够将这些力对部件的影响考虑进去。因此，设计和开发工程师还不能够在没有在工作区上进行实际的试验运行的情况下精确地预测所开发的产品的性能。
发明内容
[0004] 在该背景下，
申请人认识到，提供一种工具将是有优势的，这种工具允许在对所导致的部件的应力、翘曲和变形的计算中包括将部件从腔起模的效果。
[0005] 该目的是通过提供用于对将部件从腔起模进行仿真、并基于该起模仿真来计算所导致的部件的应力和变形的方法来实现的。
[0006] 该目的还通过提供用于对将部件从腔起模进行仿真、并且基于该起模仿真来计算所导致的部件的应力和变形的设备来实现。
[0007] 该目的还通过提供带有用于对将部件从腔起模进行仿真的
软件代码、并且基于该起模仿真来计算所导致的部件的应力和变形的计算机可读介质来实现。
[0008] 该目的还通过提供用于对将部件从腔起模进行仿真的应用程序、并且基于该起模仿真来计算所导致的部件的应力和变形的
用户界面来实现。
[0009] 方法、设备、计算机可读介质和用户界面的进一步的优点、特征和性能将从详细说明而变得明显。
附图说明
[0010] 在本
说明书的以下详细部分中，将参考附图中所示的示例性
实施例来更详细地解释本文献的教导，在附图中：
[0011] 图1A是穿过包括处于第一状态的模具的注模机的图解表示的横截面图，[0012] 图1B是穿过处于第二状态的图1A注模机的图解表示的横截面图，[0013] 图1C是穿过处于第三状态的图1A注模机的图解表示的横截面图，[0014] 图2A是穿过处于第一状态的模铸机的图解表示的横截面图，
[0015] 图2B是穿过处于第二状态的图2A模铸机的图解表示的横截面图，[0016] 图2C是穿过处于第三状态的图2A模铸机的图解表示的横截面图，[0017] 图2D是穿过处于第四状态的图2A模铸机的图解表示的横截面图，[0018] 图3是概括了根据示例性实施例的仿真模具填充和部件冷却过程的基本工艺步骤的
流程图的第一部分，
[0019] 图4是图3过程的第二部分，
[0020] 图5是概括根据示例性实施例的仿真部件起模过程的基本步骤的流程图，[0021] 图6是根据示例性实施例的模具填充和部件起模仿真并示出选择仿真中将包括的起模过程的屏幕截图，
[0022] 图7是图6的仿真软件的屏幕截图，示出材料和起模杆的选择，
[0023] 图8是图6的仿真软件的屏幕截图，示出机械边界条件以及因此起模杆的控制(运动)的选择，
[0024] 图9是图6的仿真软件的屏幕截图，示出用于起模仿真的摩擦定义的选择，[0025] 图10是图6的仿真软件的屏幕截图，示出起模定义的选择，
[0026] 图11是图6的仿真软件的屏幕截图，示出输出结果的选择，
[0027] 图12至14是示出利用图5的仿真软件的模具填充和冷却/填密/凝固过程仿真的结果的屏幕截图，
[0028] 图15至17示意性示出从图12至14的模具填充和冷却/填密/凝固过程仿真所得到的部件的起模，
[0029] 图18至21示出图12至14中的模具填充仿真的部件的应力和位移形式的起模过程仿真的结果，
[0030] 图22和23示出当使用单个起模杆时，图12至14中的模具填充仿真和冷却以及相变的部件的应力和翘曲形式的起模过程仿真的结果，以及
[0031] 图24示出在带有较多数目的杆的更实际的情形中起模杆上的
接触压力的仿真结果。
具体实施方式
[0032] 在以下详细说明中，参考示例性实施例来详细说明根据本申请的教导的用户界面、方法和软件产品。
[0033] 图1A图解地示出注模机1。该注模机设置有螺杆2，布置在料斗3中的
聚合物球粒被供给螺杆2。聚合物球粒通过螺杆2和加热元件4的作用而被转变为粘性
块，该粘性块在高压力下被推入模具中模具半部6和7之间的模腔中。在图中模腔填充有待生产的部件5。起模杆8通过
致动器9的作用而移动。
[0034] 在部件已经被充分冷却之后，通过使模具半部6缩回来打开模具(图1B)。
[0035] 接下来，起模杆8在致动器9的作用下将部件5推出模腔。
[0036] 模制机和注模制造循环在本领域是众所周知的且在此不再进一步详细说明。
[0037] 图2A图解地示出模铸机10。该模铸机10具有由两个模具半部(固定的模具半部16和移动的模具半部17)形成的铸模(模具)、连接到
柱塞12的腔室14和通过致动器19的作用而移动的起模杆18。
[0038] 利用柄勺13来给模铸机10的腔室14填充液体金属。
[0039] 在接下来的步骤中，柱塞12将来自腔式14的液体金属推入到模腔中(图2B)。
[0040] 当待生产的部件15已经被充分冷却且凝固时，铸模通过缩回移动的模具半部17而打开(图2C)。
[0041] 此后，起模杆18在致动器19的作用下将部件15推出移动的模具半部17(图2D)。
[0042] 模铸机和模铸制造循环在本领域中是众所周知的且在此不再进一步详细说明。
[0043] 然而，由于部件5、15仍旧相对热，所以由起模杆8、18施加到部件5、15的力能够导致形变，例如由杆引起的印痕、凹痕以及部件5、15的局部材料应力。
[0044] 根据示例性实施例，能够利用图3和4示出的过程，在计算机上执行注模工艺或模铸工艺的数值仿真。
[0045] 已经检验的仿真的主要步骤大致如下：
[0046] 步骤20，提供仿真域的几何形状的数字表示；
[0047] 步骤21，网格剖分，其是将计算域细分成很多小的元件，该元件是使微分方程离散(利用不同的求解
算法)以及以这种方式找出待仿真的物理现象的解的
基础；
[0048] 步骤22，将用于不同材料域的必要的物理数据附加到仿真模型(
数据库或数据总库)；
[0049] 步骤23，
指定用于仿真方案的边界条件；
[0050] 步骤24，设定热物理材料性能、流动前沿、
温度等的初始条件；
[0051] 步骤25，利用
质量、
能量和动量方程的守恒来求解整个域的热方程和所有
流体单元上的流动方程；
[0052] 步骤26，在该步骤中，移动流动前沿且采用根据新的流动前沿的边界条件，并且计算如化学反应的额外量，并且验证单元是否凝固；
[0053] 在步骤27中，验证模具填充过程是否完成；如果没有，则仿真继续下次的步骤，且过程返回到步骤25；
[0054] 在步骤28中，在部件仍在腔中时开始冷却阶段。在冷却或填密阶段，转变/凝固发生且粘性块变为固体部件，在冷却和转变期间增进其典型的机械性能，受收缩效果、变形力的影响，导致局部应力和翘曲，
[0055] 在步骤28中，当部件仍在模具或铸模中时求解能量和平衡方程，[0056] 在步骤29中，预测相变、硬化现象、微结构、温度和机械场；
[0057] 在步骤30中，确定部件和铸模之间的接触界面的
位置；
[0058] 在步骤31中，更新边界条件；
[0059] 在步骤32中，确定腔中的冷却过程是否完成，如果腔中的冷却过程还没有完成则过程返回到步骤28，如果腔中的冷却过程实际上完成则过程移动到步骤33，[0060] 在步骤33中，决定起模过程是否被仿真，如果决定仿真起模过程，则过程移动到步骤50，参考图5来更详细描述起模仿真的细节；以及
[0061] 当起模没被仿真时，过程移动到步骤34以储存并在用户选择时以诸如PC或工作站的计算机显示器上的图形或数值表示的方式显示仿真结果。
[0062] 当仿真起模过程时的步骤50的细节参考图5的流程图的示例性实施例示出。在过程的该部分，利用数值算法求解静态平衡方程：
[0063] 步骤51，设定热物理材料性能的初始条件；优选地使用模具填充/冷却仿真的结果。这些结果可以是早先的模具填充和/或冷却/填密/相变/凝固仿真的储存结果，即起模仿真不必作为模具填充仿真的整体部分来进行；可替选地，起模仿真的初始条件基于均匀温度分布的假设，
[0064] 在步骤52中，去掉已经被打开/去除的铸模/模具部件的约束；
[0065] 在步骤53中，更新起模杆的位置，
[0066] 在步骤54中，求解整个域或域的部分的静态平衡方程。可选地，也通过求解用于整个域或域的部分的热方程来确定冷却和收缩，
[0067] 在步骤55中，确定系统的变形，
[0068] 在步骤56中，确定部件和起模杆中的内应力；
[0069] 在步骤57中，更新接触状态和试验应力；
[0070] 在步骤58中，确定接触状态是否稳定，如果接触状态不稳定，则过程返回到步骤54，如果接触状态稳定则过程继续到步骤59；
[0071] 在步骤59中，检验起模过程是否完成；如果起模过程没有完成，则仿真继续下次步骤且过程返回到步骤53以更新杆的位置；
[0072] 如果起模过程已经完成则仿真继续到步骤60，以利用从注模、冷却、填密、相变/凝固仿真和起模仿真得到的信息来计算部件在模具或铸模外情况下的温度和机械场，例如温度、收缩、翘曲等，以及
[0073] 随后过程移动到步骤61以显示仿真结果作为诸如PC或工作站的计算机显示器上的图形或数值表示的方式(如果起模仿真是模具填充、冷却/填密、相变/凝固仿真的整体部分，则这将返回到图4的步骤34)。
[0074] 在步骤58中的收缩和翘曲计算是
固体力学计算，其中控制方程是静态平衡方程，即计算域中的力平衡。
[0075] 在实施例中，起模仿真还包括对起模杆的固体力学计算且提供关于杆的所得到的应力和扭曲的信息。
[0076] 在这种类型的计算中，通过来自作为时间的函数的温度差的热应变加上例如来自相变或
固化的体积变化来加载材料。由于域中的不均匀的收缩/膨胀或由于来自例如周围铸模的边界条件或由限定的起模杆给定的施加的边界条件，应力在材料域内积聚。如果材料不受收缩/膨胀限制，则其将变形而不是积聚应力。典型地，当部件在模具/铸模内并冷却时，其将围绕内模具部分收缩。如果部件在模具/铸模内冷却太长时间，则其将开始粘着。因此，变得很难去除部件，且因此起模部件所需的力将由于增加的摩擦而增加。
[0077] 除控制方程(平衡方程)之外，利用接触算法来求解部件和模具/铸模之间的界面问题。该算法能确保当部件材料在模具的封闭区域上收缩时加强来自模具/铸模的约束。还确保在部件材料收缩离开模具/铸模处在部件材料和模具/铸模之间形成间隙。
[0078] 为了对起模过程进行模型化，接触算法包括在算法已经检测到接触的界面处的摩擦，即在接触压力被积聚的界面处。该接触压力与部件和模具内芯/芯之间的摩擦有关，该摩擦可以例如通过库伦摩擦定律来进行模型化。
[0079] 材料对加载的响应，即，当材料受到加载/变形时在材料中积聚的内应力的
水平通过基本定律来描述。对于模型化的该部分，软件利用非线性材料模型，该非线性材料模型对于描述全负荷历史以及更精确地预测短暂的和残余的应力和变形来说通常是必要的。
[0080] 在实施例中，可以选择以下的应力结果来进行计算：
[0081] ·位移
[0082] ·法向应力
[0084] ·机械法向应变
[0086] ·法向应变率
[0087] ·冯米塞斯(von Mises)应力
[0088] ·主应力
[0089] ·基准应变
[0090] ·总应变
[0091] ·剪切应变率
[0092] ·基准应变率
[0093] ·主应变
[0094] ·主应变率
[0095] 注意，位移结果表明铸造或模制组件的翘曲或扭曲。
[0096] 也可以限定模具插入件。插入件在填充/冷却/填密/相变/凝固期间的变形可以被考虑进去。
[0097] 在填密和冷却阶段，模制的物品朝向模具损失热并开始收缩。然而，模具阻碍物品的自由收缩。在某些区域中，模制的物品将失去其与模具壁的接触；这里，模制的物品更自由收缩。在其他区域中，收缩紧缩对于模具的接触压力；模制的物品在模具细部上收缩，例如在芯或杆上。与模具的该强接触明显地限
制模制物品的自由收缩；因此内应力被积聚。
[0098] 此外，高的填密压力能够在肋形状的区域中导致相似的效果。当肋被过填密时，热收缩不足以使模制物品在肋区域中收缩以离开模具壁。结果是增加的内应力。
[0099] 起模仿真软件自动地检测模制物品(部件)和腔壁之间的相互作用。界面被限定为接触表面并用于将约束施加到模制物品(部件)。
[0100] 在仿真中，这意味着：
[0101] 模制物品能够局部地收缩离开模具壁，在该情形下，去除相应的界面区域的约束，或者
[0102] 模制物品收缩到模具壁上，在该情形下，在与接触表面(垂直于模具壁)的
正交方向上相应的界面/接触表面将被约束。由于该约束，模制物品不被允许穿透接触表面或收缩超过模具壁。
[0103] 在实施例中，以下的数据被附加到该仿真且能够通过仿真软件的用户来确定。
[0104] 工具(铸模/模具)：
[0106] -冷却
[0107] -材料
[0108] -热性能
[0109] -摩擦性能/表面粗糙度
[0110] 部件(模制物品)：
[0111] -壁厚度
[0112] -横截面
[0113] -平面投影
[0114] -底切
[0116] -摩擦性能
[0117] -机械性能
[0118] -热物理数据
[0119] -收缩特性
[0120] 工艺参数：
[0121] -压力曲线
[0122] -温度发展
[0123] -接触温度
[0124] -起模杆移动
[0125] 在工作站或PC上运行的仿真软件的用户界面允许用户改变工艺参数，例如起模杆布置、起模杆直径和起模杆(控制)移动条件。
[0126] 这参考图6至11的仿真软件的示例性实施例的屏幕截图来示出。
[0127] 图6示出给予用户选择模具填充和冷却/填密仿真中包括或不包括起模仿真的可能性的屏幕截图。
[0128] 图7是示出用户如何选择材料和起模杆的屏幕截图。
[0129] 图8是示出用户如何编辑才能够限定起模杆的运动的机械边界条件，即杆运动的输入参数的屏幕截图。
[0130] 图9是示出摩擦限定的选择的屏幕截图。
[0131] 图10示出限定何时/如何开始起模过程的屏幕截图。示例是例如自动地(“当最后模具打开时”＝默认输入)或者用户能够限定时间(“之后与时间有关的”)，这与冷却阶段的开始有关。在该屏幕截图中，起模过程的开始被限定为模具的最后部分打开时。
[0132] 图11示出关于在仿真过程的结尾处记录/示出的结果的选择的屏幕截图。
[0133] 图12至14是示出模具填充和冷却/填密/相变/凝固仿真的结果的屏幕截图。图12示出模具填充过程开始时的模具填充。如所看到的，流动仍非常靠近内浇口。在图13中，来自内浇口的流动移动近似一半且在图14中腔被完全填满。在填充阶段的结尾处，存在材料由于部件(模制物品)和模具之间的热传导而改变其相状态的局部区域。冷却阶段跟随热从部件传递到模具。材料根据局部冷却条件而改变其相状态。材料由于材料上的外部压力而被填密。粘性块改变成固体材料。在该过程期间，典型的机械性能建立。在冷却和相变期间，材料典型地收缩。在收缩受到模具壁阻碍的区域，材料收缩到模具上。
[0134] 在屏幕截图中，参考屏幕截图右侧上的比例以彩色示出材料的各个部分的温度。在本黑白/灰度级版本中，因
专利或专利申请的限制，这相对于彩色表示会难以识别。
[0135] 在该示例中，模具填充和冷却/填密/相变/凝固仿真的结果用于起模仿真。图15至17示意性地示出部件5的起模过程，部件5的模具填充仿真的结果在图12至14的屏幕截图中给出。通过起模杆8将部件5从可移动模具半部7中起模。在该示例中，为了示出的目的，仅有两个起模杆8。然而，在实际模具中，诸如注模中，可以具有大量的起模杆。
在图15中，具有附图标记77的区域表明部件5收缩到模具半部7上的区域，而具有附图标记66的区域表示在部件5和模具半部6之间存在间隙的区域。在图16中，模具半部6被缩回，以及在图17中起模过程即将进行。
[0136] 图18至21以屏幕截图形式示出起模过程仿真的结果，所述屏幕截图示出部件和起模杆的位移。部件在各个方向上的局部应力、应变或局部位移可以通过
颜色变化来
可视化。在这些图中，以颜色显示图的顶部到底部方向上的应力，这能够通过图中的灰度级变化来识别。此外，组件的相对位移通过夸大的扭曲而可视化。尤其是在图21中，能够看到与起模杆接触的组件的
角部比其他两个角部被向上推得更远。
[0137] 图22至23示出屏幕截图形式的起模过程仿真的结果，其示出当使用单一中心
定位的起模杆时部件中的应力。部件上的应力水平通过屏幕截图中的颜色变化来示出，这能够作为图中的灰度级变化来识别且与部件右侧上的标尺40有关。在图22中，能够看到中心定位的起模杆关于组件中的米塞斯应力的效果。在图23中，再一次可视化部件中的应力。此外，通过夸大的变形可视化由于起模杆引起的组件的局部位移。对于此情况，起模杆导致盒状组件的中心的明显变形。
[0138] 图24示出屏幕截图形式的起模过程仿真的结果，其示出在起模过程期间的时间点期间一组起模杆上的接触压力。利用该信息，能够估计所需的起模力且能够确定在起模期间作用在部件上的局部力。
[0139] 能够单独地或以各种组合来利用上述本文献的教导的各个方面。本文献的教导优选地通过
硬件和软件的组合来实现，但是也能够以硬件或软件来实现。
[0140] 该文献的教导具有很多优点。不同的实施例或实现方式可以产生以下一个或多个优点。应该注意，这没有详尽列举且可能有此处没有描述的其他优点。本文献的教导的一个优点是其提供改进针对模制物品的仿真结果的工具。本文献的教导的另一优点是其提供允许在仿真中考虑在模具/铸模内的模具填充和冷却之后部件的起模的效果的方法。本文献的教导的又一优点是其提供允许在仿真中考虑在模具填充、冷却、填密、相变/凝固之后部件的起模效果的设备。本发明的进一步的优点是其提供用户界面并允许输入部件从模腔的通常起模过程的仿真所需的参数。
[0141] 尽管为了示出目的而对本文献的教导进行了详细描述，但是应理解，这样的细节仅是为了该目的且在不偏离本教导的范围的情况下本领域技术人员能够对此进行改变。
[0142] 例如，尽管本教导在注模过程和模铸过程方面进行了描述，但是应该理解，本教导也可适用于例如吹塑的其他类型的模具填充过程。
[0143] 前面说明书中描述的特征可以以除了明确描述的组合以外的组合而被使用。
[0144] 尽管在前述说明书中尽力引起对本文献的教导的那些被认为特别重要的特征的注意，但是应理解，申请人要求关于附图中示出和/或以上参考附图的任何专利特征或特征组合的保护，而不管是否对其进行了特别的强调。
[0145]
权利要求中使用的术语“包括”不排除其他元件或步骤。权利要求中使用的术语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元也可以实现权利要求中引用的多种装置的功能。
