手機殼體的結構強度和外觀質量是手機的重要的考核部分。CAE模流分析不僅可以在手機殼體的設計過程中預測可能出現的缺陷，直觀地反映出產品設計模型上不合理的結構，而且可以通過模擬，優化手機殼體的結構強度，提高整機的可靠性。本文主要從以下幾方面來對手機殼體進行優化：澆口的位置優化分析；流動、填充、翹曲分析；實驗設計優化DOE(Design of Experiments)分析。

為了能預測和模型化描述在注塑成型中存在的復雜聚合物流動，必須了解CAE技術的核心數學物理模型及其由此帶來的求解難度、局限性。目前，尚無確切反映非牛頓塑料熔體本質的流變學公式，但可以用一些簡化模型來表示。

常用的粘度公式有冪律模型、二次冪律模型、Ellis模型、Bird-Carreau模型、Cross粘度模型五種形式。冪律模型可以描述高剪切速率下熔體的流變行為, 但無法描述低剪切時的熔體粘度, 特別是零剪切速率時的流變行為, 盡管如此, 在充模流動分析中仍被廣泛采用, 原因在于充模階段熔體通常有較高的剪切速率。二次冪律模型在一般情況下能較好地反映成型的流變行為，但過多的材料常數單憑流變學實驗數據往往無法得到。Eills模型在較低的低剪切速率下，可以預測零剪切粘度；在較高的剪切速率時接近于冪律行為。最為流行和被廣泛用于流動分析的是Cross粘度模型，Cross粘度模型不僅能描述高剪切速率時的冪律模型流變行為，而且可以描述接近零剪切速率時的流變行為。

Moldflow模流分析軟件

注塑CAE軟件的功能模塊主要有流動、保壓、冷卻、翹曲、DOE等部分，各個功能模塊有一定的關聯性。CAE 各功能模塊的應用，可以以最少成本，最短時間，最實際可行的方案優化目標。但是，由于所用的原理有差異，各個模塊在使用時有一定的區別。

根據注塑CAE軟件各功能模塊的特點及課題的研究方向，采用Moldflow軟件，首先分析優化澆口位置，確定澆口數量，然后對塑件進行流動和翹曲分析，在設計階段，評估設計方案的可行性與成型性，作為修改設計與產品壁厚分布的參考，避免潛在成型問題，如短射（欠充填）及氣穴，評估不同設計參數變更對產品成型的影響，以進行必要的設計變更及優化。最后利用Moldflow軟件的實驗設計優化模塊DOE(Design of Experiments)，以制件壁厚、熔體溫度和模具溫度為實驗參數, 確定出各個實驗參數對實驗目標的影響度大小，調節實驗目標影響最大的實驗參數取得更好的實驗結果，獲得各個實驗參數最佳水平組合。

可模塑性分析

主要研究注塑件的幾何尺寸和成型工藝對最終產品質量的影響，借助計算機輔助工程模擬流動分析軟件Moldflow，在綜合分析的基礎上對塑料件幾何尺寸和成型工藝進行優化，從而在設計階段有效地解決可能出現的質量問題。

◆ 澆口位置分析優化

選用GE Lexan EXL 1414 (PC)作為分析材料，Pro/E作為建模軟件，Moldflow作為模擬分析軟件。分析目標為手機前殼，殼體平均設計壁厚為1mm。網格化后的模型如下圖1：

圖1：網格化手機模型 圖2：最佳澆口位置范圍圖

優化結果如下：

圖2表示最佳澆口位置圖。從優化結果可以看出最佳澆口位置在LCD窗口左右。

根據優化結果和產品結構尺寸，采用兩個澆口進膠，進膠位置如圖3所示。

圖3：澆口位置圖 圖4：流動前沿溫度圖

◆ 充填分析

采用Moldflow默認澆注系統和注塑工藝設置，對模型進行流動分析，結果如下：

圖4表示流動前沿的溫度分布情況。從圖中可以看出流動前沿的溫度分布比較均勻，但是在圖中的圓圈標示處，溫度較低，澆口位置和大小還需要進行微調。

圖5表示了分子定向情況，表面分子定向值是2，核心分子定向值為1。

圖5：分子定向

圖6表示了熔接痕的分布情況。可以看出，在圖中圓圈標示處存在因熔接痕集中分布而使強度降低的危險截面。

圖6：熔接痕分布圖

從充填分析結果可以看出，采用兩個澆口后流動是平衡的，沒有出現短射等成型問題，同時注塑壓力、鎖模力也較低，降低了制件生產對注塑機的參數要求，但是，熔接痕分布不太理想，一些關鍵部位出現的熔接痕會削弱產品強度。

◆ 翹曲分析

采用Moldflow默認澆注系統和注塑工藝設置，對模型進行翹曲分析，結果如下：X向最大翹曲值為0.16毫米；Y向最大翹曲值為0.2毫米；Z向最大翹曲值為0.2毫米。

從翹曲分析結果可以看出，Y向和Z向翹曲較大，這是由于大的LCD窗口使料只能沿兩條狹長區域流動造成的。

分析流動和翹曲結果，制品設計和模具需要進行以下幾點變更：

1. 從熔接痕分布圖可知，在制品LCD窗口右上角和左下角，存在危險區域。在產品設計和模具設計時，修改產品局部壁厚并調節澆口位置，使熔接痕分布于非危險截面，提高產品強度和外觀質量。

2. 翹曲分析結果中，Y向和Z向翹曲較大，在模具設計時，調節冷卻系統，使制品均勻收縮。

3. 增加LCD窗口左右壁處的加強筋數量，使熔體在此處的流動加強，這樣不僅能使流動前沿的溫度更加均勻，熔接痕分布更加合理，而且減少因收縮不均勻在LCD窗口左右壁處產生的翹曲量。

◆ DOE(Fill)和DOE(Flow)分析優化

Moldflow中的DOE提供了兩種實驗設計方法：Taguchi和Factorial實驗設計。Taguchi方法通過運行數目較少的一組優化實驗，確定出對實驗目標的影響最大的實驗參數。Factorial方法運行的實驗數目要大于Taguchi方法中運行的實驗，它用以確定實驗參數的最佳實驗水平組合。

本課題首先使用Taguchi方法確定出對實驗目標的影響最大的實驗參數，然后使用Factorial方法確定實驗參數的最佳實驗水平組合，分別對Fill 和Flow進行優化。

DOE(Fill)和DOE（Flow）的優化目標為確定手機殼體的最佳壁厚，保證設計的強度和經濟性，提高設計質量。設計變量為注射時間（Injection time）、膨脹/壓縮注射情況（Expand/compress injection profile）、增厚（Thickness multiplier）。設計變量的值如下表：

因為優化目標是確定手機殼體的最佳壁厚，所以設定“注射時間”和“膨脹/壓縮注射情況”為自動，增厚值為在40%范圍內變化。優化的結果如下：

當壁厚為1.15毫米左右時，流動前沿溫度值最高，熔體流動性最好。壁厚大于或小于1.15毫米時，流動前沿的溫度值都低于1.15毫米左右時流動前沿的溫度值。當壁厚為1.3毫米左右時，體積收縮變量最小，當壁厚大于或小于1.3毫米左右時，體積收縮變量都增大。這表示當壁厚為1.3毫米左右時，產品的收縮最均勻。當壁厚為1.2毫米左右時，收縮指數最大。當壁厚為0.95毫米左右時，剪切應力最大，當壁厚大于0.95毫米后，剪切應力逐漸減小。
由分析優化結果可以看出制件的平均壁厚為1.25mm時，流動前沿溫度、體積收縮變量、收縮指數以及剪切應力得到最佳水平。所以制件的最優壁厚為1.25mm。同傳統的實驗方法相比，DOE不僅節省了時間和精力，而且利用最少的實驗獲得覆蓋面非常廣泛的實驗結果，得到了產生最佳效果的實驗參數組合。

結論：計算機輔助技術已經成為現代設計方法的主要手段和工具，而其中的CAE技術又成為現代設計流程的核心。文章針對手機產品的特點，研究了將澆口位置分析、充填分析、翹曲分析和DOE分析優化（實驗設計分析）相結合的優化設計方法，在設計前期避免將來成型時產品可能出現的缺陷，利用Moldflow的DOE技術，優化了制件的結構和平均壁厚，在保證制件性能和功能的前提下，節省了材料，從而提高了產品設計的質量和效率。