陈开源
(佛山职业技术学院机电工程系，广东 佛山 528137)
摘要： CAE技术可以辅助工程师解决产品注塑成型过程中出现的各种问题，从而大大缩短生产周期，降低生产成本，提高产品质量。然而，模型的有限元前处理一直是CAE技术应用的关键环节，将直接影响到结果的准确性。本文从有限元网格的优化出发，讲述了基于Midplane网格单元的Hypermesh与Moldflow软件的数据交换，从而大大地提高了划分Midplane网格生成的速度和质量，为获得准确的分析结论作保证。
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关键词 ：Midplane；Hypermesh；Moldflow；网格；CAE
作者简介：陈开源，男，汉族，广西钦州人，1980年生，博士，讲师，主要从事机械设计及模具CAD/CAE的教学和研究工作。
1. 引言
目前， 世界塑料成型CAE 软件市场由Moldflow 软件主导。利用CAE 技术可以在模具加工前，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件结构和模具设计，而不是等到试模以后再返修模具。这不仅是对传统模具设计方法的一次突破，而且对减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等，都有着重大的技术经济意义。
2. Moldflow 和Hypermesh 软件介绍
作为优秀的一款塑料成型CAE 软件，Moldflow在注塑模拟分析方面有着强大的功能；然而要获得准确的模拟分析结果，模型的前处理非常关键；而网格的划分又是前处理中极为关键的一步，网格质量划分的好坏直接影响到模流分析结果的优劣。
Moldflow 在网格处理方面有着一定的功能，在该软体环境下，可以对模型进行网格的自动划分，用各种方法编辑网格，合并接点，选择不同的单元类型以优化网格质量，满足了大部分用户的需要。然而，Moldflow 不是专业的网格前处理软件，在网格处理方面存在一些不足。当模型较为复杂，小特征众多时，网格生成速度很慢，网格修改烦琐，时间很长，影响了工作效率。
Hypermesh 软件是一款世界领先的、功能强大的CAE 应用软件。HyperMesh 具有强大的前后处理功能，它能让CAE 分析工程师在高度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。与其他的有限元前后处理器比较，HyperMesh 的图形用户界面易于学习，特别是它支持直接输入已有的三维CAD几何模型(UG、Pro/E、CATIA 等) 已有的有限元模型，并且导入的效率和模型质量都很高，可以大大减少很多重复性的工作，使得CAE 分析工程师能够投入更多的精力和时间到分析计算工作上去。
在处理几何模型和有限元网格的效率和质量方面，HyperMesh 具有很好的速度，适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制。其他很多有限元前处理软件对于一些复杂的，大规模的模型在读取数据时候，需要很长时间，而且很多情况下并不能够成功导入模型，这样后续的CAE 分析工作就无法进行；而如果采用Hypermesh，其强大的几何处理能力使得Hypermesh 可以很快的读取那些结构非常复杂，规模非常大的模型数据，从而大大提高了CAE 分析工程师的工作效率，也使得很多应用其他前后处理软件很难或者不能解决的问题变得迎刃而解。
3. Moldflow 与Hypermesh 的数据交换
目前，Moldflow 软件支持midplane，fusion和3D 三种网格类型，而后面两种是在midplane的基础上发展起来的。但目前为止，Hypermesh主要是用于midplane 网格的划分。主要原因是hypermesh 软件划分fusion 网格没有考虑到匹配率， 所以， 尽管使用hypermesh 划分得到的fusion 网格质量很好， 但不能输出导入到moldflow 中进行分析，因为网格匹配率实在是过低。
由于在moldflow 软件中，3D 网格是在fusion网格的基础上生成的，而hypermesh 的fusion 网格划分时没有考虑到网格的匹配率问题，因此，moldflow 不支持hypermesh 的3D 网格。
根据前面分析，两软件的网格数据交换就只支持midplane 类型的网格了，但由于hypermesh强大的中性面提取能力和高效的网格划分质量，因此，使用hypermesh 来做midplane 的网格前处理，无疑会大大提高网格的划分速度和质量，从而节省前处理时间并保证分析结果的准确性。
下面介绍如何使用hypermesh 来划分
midplane 网格，从而实现两者的数据交换的。
（1）加载mpi 模块
要使hypermesh 划分的网格能使用在moldflow 中进行分析，首先，要在hypermesh 加载模型前加载mpi 模块，如图1 所示是加载面板。
（2）加载模型
加载mpi 模块后，需要加载模型。Hypermesh支持多种格式的产品模型，可以根据需要直接导入相关的几何模型。模型导入后可以根据实际的需要来对模型作一些修改，比如，为了提高划分网格的质量，可以删除模型中的一些小特征，如圆角、小孔等特征。
（3）抽取中性面和划分网格
处理好模型后，接下来就要使用hypermesh的中性面提取功能提取出产品的中性面，如图2所示是中性面提取面板。Hypermesh 具有强大的中性面提取功能，可以迅速提取出高质量的产品模型中性面。
中性面提取完后，可以使用hypermesh 的2D网格划分功能划分中性面的网格。图3 所示分别是hypermesh 和moldflow 所得的相同产品的网格，但划分网格过程中，hypermesh 更加迅速，而且，从图可知，hypermesh 所得的网格更加规整。
因此，使用hypermesh 作moldflow 的网格前处理是一个非常适用的方法。
（4）提取中性面厚度
产品模型都具有一定的厚度，而模型的中性面代表一个产品的模型信息，因此，需要定义中性面的厚度，通过如图4 所示对话框可以自动抽取中性面的厚度，在抽取中性面厚度的同时可以定义模腔的数目，抽取算法，以及公差等参数。
（5）导出数据
接下来就可以导出midplane 的网格数据，导入moldflow 中使用，导出格式为.udm 格式，导出对话框如图5 所示。导入moldflow 后，系统可识别出相关的网格数据，然后根据网格进行相应的模流分析计算。
从以上两个软件在相同条件下所作的有限元前处理的整个过程可以看出：
1. Hypermesh 具有强大的数据接口功能，能直接接收和输出各种格式的数据。
2. Hypermesh 具有更强大的几何清理功能。
3. Hypermesh 具有更强大而便捷的网格编辑功能。
4. 在相同条件下，Hypermesh 划分的网格更加完整有序。
5. Hypermesh 在网格质量控制指标方面有更完整的数据，因此，所得的网格更加趋于合理。
因此，在进行注塑成型CAE 分析时，推荐使用Hypermesh 进行前处理，对Midplane 网格进行划分和修改，再将所得的网格数据导入Moldflow中进行CAE 分析，可以节省网格划分和优化的时间，提高工作效率。
4. 结语
模型的有限元前处理一直是CAE 技术应用的关键环节，前处理占用整个CAE 过程约80% 的时间，而且它直接影响到结果的准确性。Hypermesh软件作为一款优秀的CAE 前处理软件，网格划分功能强大。本文从有限元网格的优化出发，基于Midplane 网格单元， 实现了Hypermesh 与Moldflow 软件的数据交换，从而大大地提高了划分Midplane 网格生成的速度和质量，为获得准确的分析结论作保证。
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参考文献
[1] 于开平. Hypermesh 从入门到精通[M].北京: 科学出版社，2005
[2] 李楚琳. Hyperworks 分析应用实例[M].北京: 机械工业出版社，2008