流動平衡分析的案例
Moldex3D模流分析之怎樣改善單穴閥式熱澆道之流動不平衡及型蕊偏移現象
大綱
本案例為生產消費性家庭用之易撥罐，如圖一所示，主要功能為盛裝食物或原料的食品儲存用容器，由于產品為狹長型罐身，決定了公模仁的結構與剛性，在射出過程中模壁易形成模內壓，以及因流動不平衡導致公模仁翹曲，進而產生產品肉厚偏移及嚴重的包封和結合線問題。在本研究中，飛綠股份有限公司使用 Moldex3D，優化模具設計與射出成型制程，改善狹長形罐身問題所造成的成型缺陷，提升產能與質量的穩定度。
挑戰
? 改善縫合線、包封…等外觀缺陷
? 降低產品肉厚偏移的問題
解決方案
飛綠股份有限公司使用 Moldex3D Advanced 和型芯偏移模塊進行流固耦合分析來診斷公模仁位移的問題，使用雙流閥針式熱流道改善流動平衡，另外也透過變更產品肉厚、公母模溫等設計，來改善產品結合線與優化流動平衡問題。
效益
? 有效優化流動平衡，控制公模仁型芯偏移問題
? 消除結合線，預防產品破裂
? 符合產品外觀質量要求
? 生產良率由0% 提升至99.7%
案例研究
本案例藉由模流分析結果解析熱流道形式對流動平衡與模具鋼材、公模仁平移量，及利用正反操作側模具溫差觀察公模仁翹曲效應，進而評估各項差異并找出最佳組合參數，克服狹長幾何之公模仁所造成的潛在缺陷。第一部分，如圖三所示，分別以兩種熱流道形式觀察轉角溫度效應造成的流動不平衡，結果發現使用TypeA單流閥針，會導致內外兩側溫度分布差異，使熔膠在流道內發生轉角效應，導致流動并非完全平衡。而使用Type B雙流閥針式平衡度即獲
得改善，成功改善流動不平衡缺陷。
圖三 不同流道形式之溫度與流動波前比較
在第二部分，為了解決公模仁翹曲現象，團隊分別觀察模具鋼材、公模仁平移與正反操作側模溫對型芯偏移之影響。
展開 Moldex3D模流分析之如何應用熱流道穩態分析改善多模穴成型流動平衡
Moldex3D 針對熱流道系統仿真量身打造的解決方案──熱流道穩態分析(Hot Runner Steady, HRS)，可支持復雜熱流道和進階熱流道模塊的快速分析，并協助使用者優化多模穴的熱流道設計，評估該熱流道系統的流動行為，例如流率及流動平衡比。熱流道穩態分析不需模擬模穴內流動，即可提升迭代計算效率，達到改善熱流道設計的目的，因此可大幅減少分析時間。以下將深入說明如何應用熱流道穩態分析。
應用一：在不須模擬模穴的情況下，使用熱流道穩態分析優化熱流道設計：
步驟1：新增射出成形項目，網格模型必須含有進澆點、模穴與熱流道。雖然熱流道穩態分析會忽略模穴的計算，但使用者仍必須在項目中提供模穴。
注：用戶必須擁有進階熱流道模塊的授權，才可在計算參數內設置熱流道穩態功能與啟動相關計算
步驟2：在計算參數內的熱流道穩態分析下指定入料口流率、收斂精度及各澆口壓力。
注：在CAE模式下，入料口流率的默認值為模穴體積除以填充時間；在機臺模式下，入料口流率的默認值則為模穴體積除以行程時間。
注：熱流道澆口壓力代表該澆口所受到的外部流動阻力(預設為0MPa)，建議使用者可先試行一組單模穴分析(不需包含流道系統，只需指定進澆點)，取得澆口壓力結果后代入熱流道穩態分析的澆口壓力設定。這種做法可獲得更精確的預測，并節省分析時間。
步驟3：于分析順序設定內選擇熱流道穩態分析，開始分析。
步驟4：開啟熱流道穩態結果記錄文件，檢查各澆口流率與流動平衡比，根據這兩項結果進一步修改熱流道幾何與配置，例如更改特定區域熱流道直徑或流道長度，以獲得更為平衡的流動。
注：熱流道穩態分析提供多種分析結果，對于此做法來說，較為關鍵的結果是流率與流動平衡比
步驟5：修改熱流道設計后重復步驟1至4。
展開 Moldex3D模流分析之飛綠產品的流動不平衡改善了99%！
圖六 透過流道翻轉設計，通過閥針后的溫度差異減少(左)，進而改善流動平衡(右)
圖七 設計優化后，流動平衡明顯改善(右)
飛綠團隊透過Moldex3D的分析及一系列低成本的實際驗證，找出造成產品問題的根本原因，并藉此改善了閥針設計，使得流動不平衡不良率從100%降低至0%；實際生產總不良率降至0.05%，避免無效的生產和成本的浪費。
結果
透過Moldex3D的流動及Hexa-based網格技術，飛綠工程師能夠仿真產品的流動不平衡現象、找出引發轉角效應的原因，并呈現高解析的溫度分布情形。此外經由比對模擬分析和實驗結果，也證實閥針的設計是造成流動不平衡的關鍵。Moldex3D協助飛綠團隊優化流道設計，降低熔膠通過閥針后的溫度差異，進而改善流動平衡。
展開 Moldex3D模流分析之一次解決電子零件的流動不平衡、縫合線及包封問題
圜達團隊使用Moldex3D分析并設計變更出解決方案，使充填產品流動平衡及縮短成型周期，并改善包封、結合線、缺料等外觀缺陷，應用模流分析來提升產品之良率及降低成本。
挑戰
改善包封、結合線、缺料等缺陷
改善流動不平衡之流道
縮短周期時間
解決方案
圜達團隊藉由使用Moldex3D分析來幫助改變并設計流道位置，使產品充填時流動平衡，并降低殘留應力及縮短成型周期。后又藉由增加溢流區及變更產品外型等設計，來改善包封、縫合線、缺料等外觀缺陷。最終應用Moldex3D將整體良率提升了39.68%，生產周期也降低16%。
效益
有效控制縫合線位置
流動平衡
減少澆道料頭節省材料
縮短成型周期
提升良率
案例研究
本案例之T3C輕觸零件尺寸為3mm * 2mm * 0.6mm，模具為八個模穴的設計(圖一)，內側模穴的平均厚度為0.06~0.09mm，使得制造技巧難度較一般產品高。
圖一 本案例產品之原始設計
經由Moldex3D模擬，發現確實有流動不平衡的問題。由于魚骨型的流道設計，造成內側的塑料會流動得比外側還要快(圖二)。
圖二 分流道區域有流動不平衡的情形
此外因流道區域的最大冷卻時間過長，使得成型周期也連帶拉長，達到7~8秒(圖三)。
圖三 仿真顯示冷卻時間過長
進一步觀察到縫合線(圖四紅線處)集中在產品背部凹孔處，此將導致流體容易滲入，使產品導通不良。
圖四 潛在的縫合線位置
此外，最大剪切應力(圖五)約為6MPa也過高，將使塑料產生裂解及過多殘余應力。
圖五 產品有過高的剪切應力
仿真結果及實驗都清楚顯示，流道設計為影響流動不平衡的主因。因此根據Moldex3D的分析及多次實際驗證結果，設計了新的流道以取代原始方案。
展開 
流動平衡案例?。?！
產品流動平衡問題是最簡單的，同時也是最基礎的，很多人都了解也很熟悉。下面就簡單介紹一下流動平衡的案例：
來源：模流分析Moldflow
決定多模穴射出件的流動平衡性
一模八穴短射樣品的重量平均數據作圖
多模穴模具在設計上的先決條件是需要設計成幾何平衡，也是在流道的lay-out 設計上，由豎澆道(sprue)到達各模穴的澆口距離，需要設計成流動長度是一樣的，所以幾何平衡在理論上如果各分流的熔膠質量相同，那在射出過程中到達各模穴，甚至到達射出充填結束時，各模穴的射出狀況與條件都應該是相同的。所以流道的幾何平衡設計對于多模穴模具是首要的設計準則。
決定多模穴平衡性的實驗程序
將飽壓壓力條件設定為0
將飽壓作用時間條件設定為0
將螺桿塑化后退延遲時間設定成預估的保壓時間近似值
設定冷卻時間約為此產品足夠冷卻可頂出的時間
將射出速度條件設成由塑料黏度曲線研究上所得到的射出速度值
其余的射出條件設定與另一文件- 黏度研究所使用條件相同，開始進行射出實驗
調整切換VP位置，以得到射出短射樣品，若有不平衡現象則以最大量模穴樣品產生短射件的條件進行樣品射出 取樣
以所決定的條件進行樣品射出 ，取得三模樣品將各模穴樣品重量平均后作成數據表格。
如何使用實驗信息
檢查多模穴充填實驗各模穴樣品的重量偏差值的最大值與最小值，在大部分多模穴模具案例中一般偏差值不會超過5%。對于精度要求較嚴格的產品一般偏差值會要求在3% 以內，但如果成品沒有精度要求那偏差值超過5% 有時也是可以接受的。
下列事項需要加以考慮
非結晶性塑料比結晶性塑料較能忍受流動不平衡性
模具精度越高多模穴的流動不平衡性會越小模穴的排氣溝設計與精度，對塑料充填影響很大，由其對于多模穴充填的平衡性也有很大影響。雖然流道尺寸與澆口大小尺寸精度已達要求，但是若排氣機構的精度有誤差，也會影響到各模穴的流動平衡性，所以也須嚴格檢查各模穴的排氣溝尺寸精確性。
展開 Flownex管網系統設計軟件
典型應用
Flownex軟件在石油化工領域應用十分廣泛：
給水系統泵汽蝕余量（NPSH）問題分析、熱管破裂問題分析、流動空化/相變現象的檢測等；
冷卻水循環系統流動平衡分析、泵及管路設計、熱負荷計算及熱交換器設計、水網系統設計、水錘現象分析與預防、環境-冷卻塔-工廠整體系統匹配；
自然循環鍋爐中網狀率和蒸汽產量計算，并預測干涸情況；過熱設備和蒸汽管道金屬溫度和換熱率的計算；
蒸汽渦輪及其輔助系統啟動和關閉過程仿真；
單程流通式鍋爐流動平衡計算及沸騰穩定性評估等。
Flownex還能計算非牛頓流體的壓降及其管網系統流動平衡分析，并進行瞬態壓力脈動評估。
應用Flownex能快速模擬不同熱交換器，如翅片管熱交換器、管殼式熱交換器、管-管熱交換器及盤式熱交換器的換熱和壓降，計算加熱或冷卻設備中的蒸發、冷凝、溫度控制等不同過程，可以計算瞬態金屬溫度變化率等。
Flownex軟件在能源動力領域應用也十分廣泛：
能夠模擬余熱蒸汽發生器（HRSG）穩態及瞬態過程，計算氣體與水蒸汽的熱交換過程，模擬整個HRSG系統，包括過熱換熱器、蒸發器、泵及透平等，并輔助設計最優的操作環境，檢測各材料的溫度變化并設計最優的控制策略，確定功率輸出等，同時，FLownex能夠計算非設計工況或者緊急情況下的參數，計算啟動過程的溫度梯度，模擬系統啟動、關閉過程及負載變化過程，并對系統進行穩定性分析等。
Flownex軟件能夠對給水系統泵汽蝕余量、熱管破裂問題以及空化/相變問題進行分析；對冷卻水循環系統中的管路、閥門和泵進行分選，設計熱交換器，分析水錘現象、冷卻塔響應，并對水網系統進行流動平衡分析及效能優化；Flownex也能計算蒸汽渦輪及其輔助系統的啟動、關閉及各種變化過程，還能模擬油封系統及輪滑系統等。
展開 MoldFlow一模多穴平衡結構分析不平衡解決方法總結
進行運算；
所以在此筆者建議對于個別產品需要使用專業的第三方網格工具生成2D或者3D網格，這樣可以大幅度提高生成網格的效率以和網格質量；
業界通用的網格生成工具都可以，比如HyperMesh、ANSYS等等；
關于使用第三方工具生成網格的問題，筆者會專門寫一篇文章詳細陳述，再此就不一一展開了；
3.填充末端壓力不平衡
假如充填過程和V/P都沒有問題了，但是填充末端壓力結果仍然出現問題，比如下圖：
上圖所示的，各個產品的網格（流道+產品）已經完全一致，之所以還出現這種問題，本質上就是求解器穩健性的問題了，MoldFlow還需要繼續改進，如果報告需要抓取此類結果，建議可以適當的更改一下充填時間（變大變小都可以），再次分析，一般就會解決；
總結：
假如模型本身是平衡結構，在分析過程的填充不平衡或者壓力不平衡基本上可以通過調整網格解決，但是如果是2D雙層面和3D網格溫度場不一致的問題（如下圖所示），那么就只能通過第三方工具使用更加專業的網格處理工具進行網格化才能解決，這個方面MoldFlow可能需要對前處理3D網格生成部分做更多的工作。
展開 Moldex3D模流分析之流動分析Flow
流動分析 Flow
Moldex3D Flow(流動分析)可仿真實體熔膠在流動過程中巨觀及微觀的特性，如噴泉流、慣性效應、重力效應等。Moldex3D Flow的強大性能可幫助用戶了解并可視化熔膠流動過程，精確定位縫合線位置，并檢測短射、包封等潛在缺陷，進而評估優化產品、模具設計與制程條件。
功能
? 預測3D噴泉流現象，慣性現象，剪切生熱效應等等
? 預測縫合線/包封位置，除去或最小化此流動問題
? 預測射出壓力及評估鎖模力之需求
? 評估流道配置設計及類型，以達成流道平衡
? 優化澆口位置與大小，避免產生縫合線并達到充填平衡
? 優化充填階段的加工條件，如射出時間、熔膠溫度、螺桿速度數據…等等
? 支持模擬多穴模具(Multi-mold)或成套制品模具(Family-mold)的充填過程
? 支持模擬多材質射出成型(Multi-component Molding)，包含嵌入射出(Insert Molding)及多射依序射出成型(Multi-shot Sequential Molding)等。
展開 Moldex3D模流分析之SYNC for SOLIDWORKS的流動分析
?Solid模型流動分析的基本功能 (Basic Functions of Flow Analysis for Solid Model)
Solid/eDesign 模型流動分析的基本功能如下。
-能力：解決充填相關問題，例如：
?短射(short-shot) (不完全填充)
?縫合線(weld line)
?包封(air-trap)
?流動問題(flow problems)
?燃燒表面缺陷(burning surface defects)
?流道/流量平衡(runner/flow balance)
-分析結果(Result analysis): 分析結果可以藉由控制項目工作區(Project Workspace)、顯示設置工具欄(Display Toolbar)和動畫工具欄(Animation Toolbar)在展示窗口(Display Windows)上查看流域分布圖標，或是顯示XY圖( XY Curve)。
展開 ADAMS平衡懸架載荷分析
商用車平衡懸架主要結構有：推力桿，中后橋，板簧，平衡軸。推力桿主要是限制橋的位移，直推一般限制橋的縱向位移，而V推可以限制縱向和橫向的位移。平衡軸的主要作用就是保證中、后橋行駛在不平路面時，輪胎能時刻接地。因為平衡懸架的平衡桿多為等長結構，因此中、后橋的垂向載荷能時刻相等。
Adams中提供了_MDI_TASA_TESTRIGS懸架試驗臺，可以幫助我們搭建平衡懸架裝配模型，如下圖所示。
平衡懸架靜載荷計算與仿真分析：
垂向工況下，垂向力主要作用于板簧和車橋連接處a，且中、后橋垂向載荷基本一致。
縱向工況下，縱向力主要作用于推力桿，根據力矩平衡，可以計算得到推力桿與車橋連接處b載荷。理論計算與仿真值相當。
通過理論計算與仿真間接驗證了模型的可信度。
注意點：在搭建模型時，硬點的位置尤為重要。例如垂向工況下，如果中后橋的載荷相差較大，可以是由于平衡軸的中心到中后橋的距離不相等導致；上下推力桿到輪心的位置要與實際一致，否則縱向工況下，計算與仿真得到的載荷誤差較大大。
來源：有限元探索
展開 
CFD學習：流體中的蠕動流動示例與分析
以蠕動運動傳播的流體流動是時間可逆的。
納維-斯托克斯方程和蠕流
準確地說，雷諾數為零時的蠕動流就是我們所說的斯托克斯流。微流體裝置中的雷諾數很小，可以歸類為蠕動流。流體中的蠕動流是粘性流，可以使用納維-斯托克斯方程進行數學表達。
在微流體裝置中觀察到的蠕動流中，納維-斯托克斯方程的左側項（給出流體動量的變化率）被忽略。蠕動流體的納維-斯托克斯方程中的動量項是非線性的，忽略這些項會使方程線性化。當給定蠕變流體流動的雷諾數較小時，需要考慮納維-斯托克斯方程中的對流項。
蠕動流的例子
利用蠕動流的應用之一是流體動力潤滑。流體動力潤滑利用高粘性流體的特性及其通過小通道的流動來帶來有效的潤滑。潤滑液通過軸承和座圈之間的間隙的流動由粘性摩擦和壓力梯度之間的平衡控制。施加在軸承間隙中的重壓有助于防止表面相互摩擦，從而有效地產生流體動力潤滑。
有趣的事實：動物身上也存在流體動力潤滑。在動物中，滑液限制在骨骼表面之間的小間隙中，防止關節接觸、磨損和撕裂。
基于流體蠕動流動的應用不限于：
高粘度流體的流動，例如油漆、重油和食品加工材料
熔體擠出
沙子或巖層中的滲漏
粉塵顆粒沉降
任何在液體中移動的小物體
微生物在流體中的運動
地下水或石油通過小通道或裂縫的流動
與一般流體流動相比，由于不存在非線性或平流項，蠕動流更容易用數學方法求解。Cadence 的軟件套件可以幫助您找到蠕動流以及復雜的一般流體流動的解決方案。借助這些工具，可以更輕松地在復雜的流體相關系統中運行 CFD 仿真，從而促進流體流動建模。
展開 基于ISPH方法的油液流動和冷卻分析
Lead R&D Engineer
視頻鏈接：基于ISPH方法的油液流動和冷卻分析
技術校對：王強， Ansys高級應用工程師；整理編輯：俞琴
Moldex3D模流分析之充填過程中的流動行為
而藉由流動波前可以探查的充填問題如下：
?了解充填與包壓時的流動行為
?檢查是否有不完全充填(短射)的問題
?檢查是否存在流動不平衡
?偵測縫合線與包封的潛在位置
?檢查各澆口與流道的充填分配是否平衡
?尋找適合的澆口位置并預期縫合線的生成
充填過程的示意圖 (a) 遲滯現象 (b) 賽馬現象 (c) 包封 (d)未平衡的流道 (e)及 (f)多模穴的未平衡流道系統
利用充填分析來研究充填過程，可幫助我們了解自流道到模穴的充填問題，更可以幫助我們將材料、幾何上的設計及制程條件等因素聯系在一起來研究這個過程。這也提供了我們應用科學化方式了解這些問題、它是如何發生、會發生于何處。 有了這些結果，我們可以更專注于制程的條件、材料的選擇或原產品設計的修正上，并找出解決之道。
?Pm: 為射出螺桿之計量區壓力分布設定。
?Pn: 為射出噴嘴口的壓力分布設定，會隨模穴壓力變化而改變。
?Pg: 此為流道盡頭之進澆點壓力分布，即模穴入口的壓力。通常模穴壓力變化將落后于設定壓力值，主要因壓力傳遞及摩擦損耗所造成。
?Pc: 模穴末端的壓力。模穴內壓力會小于進澆點壓力，主管因模穴內壓力損耗所造成。
在充填過程中，高分子材料會在預設的壓力下經由噴嘴口進入螺桿、進澆點、流道、閥門等等而被填入模穴中。一般而言，充填過程可以分為以下兩個階段：
1.tf to tf1: 充填控制階段，此時塑料開始填入模穴，并維持穩定的流速，模穴壓力會逐漸地上升。
2.tf1 to tp: 壓力控制階段，熔融高分子固化的過程中，模穴壓力會迅速的上升且充填開始縮小其可充填體積，接著模內壓力被轉移至模穴末端。
射出充填中壓力變化的紀錄
展開 Moldflow-注塑流動分析視頻教程
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