计算机仿真技术基于大量的数据和相互关系，在计算机上建立系统化的模型，并设置调整参数，实现对不同场景、不同参数的动态仿真模拟，直观展示模型结果[1-2]。目前，计算机仿真技术已经被广泛运用于汽车制造、机械设计、医疗行业、化工生产、塑料工业等领域[3-4]。对于塑料工业领域，在模具设计、加工参数优化方面使用计算机仿真技术能够缩短开发周期、提高设计效率、提升产品质量[5]。本研究对计算机仿真技术在塑料加工的应用进行论述，总结计算机仿真技术的原理及常见的分析软件，并对计算机仿真技术在塑料模具设计、塑料加工参数调整、塑料性能检测情况进行概述，为计算机仿真技术在塑料工业的应用提供参考。1计算机仿真技术1.1计算机仿真技术概述计算机仿真技术是将仿真技术与计算机技术进行深度融合，实现虚拟设计、仿真模型建立、结果拟合、效果输出。计算机仿真技术软件有Pro/E软件、UG软件、Solidworks软件、Moldflow软件和CATLA软件等[6-9]。其中，Pro/E软件具有强大的参数设计功能，通常运用于塑料模具的仿真，且该软件能够加载不同的模块和功能，进行二次设计和优化；UG软件的优势是能够设计曲面塑料造型，并对注塑成型参数优化增加MoldWizard模块，能够提升仿真的便捷性；Solidworks软件不仅能够进行模具设计，也能够实现三维环境仿真，且软件运行速度快，精度高；Moldflow软件能够对塑料成型的流动、冷却、收缩等过程进行仿真模拟[10]；CATLA软件的优势是具有强大的数据库，能够减少仿真设计的平台搭建流程，其数据库为模型仿真提供参考建议。1.2计算机仿真技术优点计算机仿真技术可以分为面向对象的仿真、分布交互仿真、智能仿真以及人机和谐仿真等形式。主要原理是首先建立数据模型和系统分析模块，并对需要描述的内容进行系统模型设置，最终将系统模型转化为计算机仿真程序，生成三维图像展示仿真结果[11-12]。将计算机仿真技术与塑料工业领域结合，能够实现模拟塑料模具的制造，优化加工参数，实现塑料产品质量检测，最大程度地减少材料的浪费，缩短耗时，节约生产成本，提升塑料成品的质量。2计算机仿真技术在塑料加工中的应用2.1塑料模具设计的应用计算机仿真技术在塑料模具设计和优化方面发挥重要作用，许多研究人员利用仿真分析设计塑料模具的结构参数，并通过实验对仿真分析的有效性进行检验，进而提升模具设计的有效性，缩短开发周期，减少制作成本[13-15]。由于流延膜制品要求塑料具有均匀的厚度且表面光滑平整，对模具设计也要求较高，Polyflow分析软件能够实现对流延模具的模唇区长度、物料流速、流延膜厚度等参数进行仿真模拟[16]。孙全颖等[17]采用Polyflow软件对流延膜制品模具进行辅助设计。结果得出：当模唇区长度在3 cm时，流延膜不易发生变形，且表面质量较好。且实验验证结果与仿真模拟的正负偏差小于8%，满足生产要求。说明计算机仿真软件对复杂模具的设计起辅助作用。Rashid等[18]利用CAD/CAE模拟流延模具的类型对流延膜质量的影响，以聚丙烯(PP)为原材料进行仿真模拟。结果表明：衣架式流道加工更简便，且形成的膜厚度均匀。李西顺等[19]以车用塑料件的模具设计为研究对象，使用Moldex3D、Digimat和OptiStruct联合仿真的方法对汽车空调风门模具进行仿真。结果表明：当模具的长宽比值为9.5∶1时，PP和GF20复合材料的形变最小，不易发生断裂。该有限元模型还能够对模具的应力分布情况进行仿真，有利于汽车空调风门模具的二次开发。黄桂坚等[20]利用计算机仿真技术对塑料注塑模具进行设计，选择UG NX开发工具对模具结构及运动状况仿真设计。结果表明：塑料注塑模具结构不仅需要具备典型的直浇口结构、斜推杆抽芯结构外，还需要增加定模部件、动模部件。该仿真技术充分利用数据库发挥的作用，进一步说明计算机仿真技术数据库、模型库共享可以提升仿真效率，是未来的发展方向之一。刘鸿飞等[21]利用计算机仿真技术中的MATLAB软件实现对汽车塑料内饰件模具的设计优化。基于空间直线插补算法和MATLAB进行PP汽车内饰模具设计，避免出现毛边和尖刺，从而影响塑料成品的美观和质量。结果得出：相比于人工设计的方式，计算机仿真技术对模具的设计效率提升34%左右，在实际生产运用中，将极大提升生产效率，节约生产成本。计算机仿真技术也被广泛运用于塑料齿轮的模具设计。李方初[22]运用计算机仿真技术模拟PP塑料齿轮的模具设计流程，使用BP神经网络及Pro/E软件建立玩具汽车用的塑料齿轮三维模具，并通过仿真模拟对模具的尺寸、拔模角度、浇口位置等参数进行调整。结果表明：齿轮的直径在20 mm，齿数20，齿顶与模具比值在0.85左右，浇注的齿轮模具效果最好，该研究为塑料齿轮模具生产加工提供参考。Tony等[23]采用计算机仿真模拟技术对直齿轮的3D模具进行优化设计，将Taguchi程序和Pro/E软件用作计算机仿真工具，并对影响塑料圆柱齿轮的收缩系数、冷却通道的位置进行仿真模拟。结果得出：模具的收缩系数控制在0.786，冷却通道的位置位于模具中心的上方时，直齿轮的模具表面缺陷最少。Chen等[24]利用计算机仿真技术对塑料圆柱直齿轮模具参数进行仿真模拟，利用响应面法和Pro/E软件建立三维模型。结果得出：模具的注射压力在105 MPa，锁模时间5 s左右，圆柱直齿轮模具的质量更高。陈静[25]运用计算机仿真技术对热塑性塑料齿轮固态成型模具进行辅助设计，采用Pro/E三维建模软件创建分型面及凹凸型腔模，并设计模具零件的结构、浇注系统及冷却系统，采用Autodesk Moldflow软件进行仿真优化。结果表明：Moldflow软件能够分析齿轮模具的流动性，预测塑料齿轮可能的缺陷，从而进行模具结构参数调整。2.2塑料加工参数调整的应用由于塑料加工过程中涉及的影响因素较多，如温度、压力、浇口位置、冷却时间等，这些因素对塑料的成品质量产生影响，且各影响因素之间还存在相互作用，如采用批量实验、人工测算对塑料加工的参数进行选择，需要耗费大量的时间、人力和物力。计算机仿真技术能够实现多参数的动态仿真，较准确的展示塑料加工的过程和结果，通常用于塑料加工参数的调整[26-28]。孟新宇[29]利用计算机仿真技术对塑料薄膜压延过程的加工参数进行仿真模拟，利用Visual Basic程序语言进行编程设计，并以PE塑料的薄膜压延过程的温度、转速及间距等参数进行仿真模拟。结果表明：最佳的间距为0.11 mm，定性温度在150 ℃，挤压温度在170 ℃，滚轮转速为40 r/min时，塑料薄膜厚度差异性更小，且分布更均匀。根据计算机仿真结果，通过压延实验进行仿真结果验证，最佳条件下塑料薄膜的厚度在0.09~0.093 mm之间，与仿真结果的误差在8.4%以内，进一步说明计算机仿真技术能够为塑料加工参数优化提供参考。刘锦武[30]对PP薄壁制品的生产加工参数进行研究，采用UG软件进行仿真模拟，以此确定最佳的浇注工艺条件，注塑工艺浇口数量、位置、口径等参数。结果表明：当薄壁的厚度控制在1.4 mm以下，可以减少翘曲变形的概率，提升产品质量。余海等[31]对塑料薄膜压延过程的加工参数进行仿真模拟，建立压延数学模型、物性数据库，并基于数据库对生产过程进行动态图像模拟、程序设计。结果得出：塑料薄膜压延过程生产仿真模拟能够实现对压延机启动、间距调节、温度设定、轴交叉补偿等过程的图像仿真。仿真结果显示，最佳的轴交叉补偿系数为1.75，定型温度为160 ℃，间距设置在0.1~0.2 mm之间，建立的计算机仿真参数模型能够为实际操作的参数进行打分，并给出相关的参数建议。由于精密制品需要保持相对较高的精度要求，因此注塑过程的工艺参数，如孔洞、盲孔需要进行精确定位，避免造成生产误差，且对注塑的均匀性的要求较高[32]。丁小锋等[33]对计算机仿真技术对塑料精密制品的应用情况进行研究，通过CATLA软件仿真模拟10 mL PP塑料瓶吹塑成型的工艺参数，建立3D模型并进行网格化的处理，将浇口控制在产品的正中间，管径在2 mm左右，能够保证吹塑成型的PP材料表面无缺陷。薄壁类塑料产品的成型过程容易出现收缩变形、翘曲变形等问题。而成型的效果不仅与材料的性质有关，也与模具的结构，工艺参数有关。邢继军[34]运用计算机仿真技术对PP材料手机背壳的注塑仿真工艺进行优化设计，基于有限元理论，采用Moldflow软件模拟塑料薄壁的浇口尺寸、位置。结果表明：经过27次计算机仿真模拟，模具温度控制在50 ℃左右，熔体温度在255 ℃，浇口尺寸为薄壁厚度较大的位置，可以提升塑料薄壁的冷凝效果，使材料分布更均匀，且体积收缩率在0.93 mm。Kalpakjian等[35]采用计算机仿真技术对汽车空调排气管的塑料薄片浇注位置进行优化调整，使用CATIA和Moldflow软件建立有限元仿真模型，并利用融合网格、三维网格方式对浇注位置进行调整。结果得出：浇口位置在排气管薄片的顶部和侧面时，塑料排气管表面无瑕疵，且浇口压力在7.24 MPa，填充时间在2.16 s时塑料薄壁性能更好，更符合生产要求。2.3塑料性能检测的应用由于计算机仿真技术能够实现无损检测，且不需要进行特定的实验环境，仅通过建立相关的模型参数、设置分析数据能够完成复杂场景的检测，但仿真精度问题一直是研究的难点。近年来，有许多研究者尝试将计算机仿真技术运用于测试塑料产品的性能，并通过模型来优化仿真精度[36-37]。手工建立有限元分析模型效率低，采用计算机仿真技术能够提升工作效率，从而实现二次开发作用[38]。吴昊等[39]利用VA One仿真软件对汽车引擎隔音隔热垫塑料的吸声特性进行研究，基于biot理论和仿真模型编程，可以建立塑料厚度、密度、空气流阻、孔隙率等与吸声率之间的参数模型。仿真模型结果表明：空气流阻、孔隙系数越大，隔热垫塑料吸声系数越大；而塑料材料密度越大，吸声系数越小。该仿真模型能够对塑料的吸声性能进行模拟，有利于帮助研发塑料隔音板。刘淼[40]通过计算机仿真技术对玻纤增强PP塑料的性能进行仿真模拟，选择动力学显式计算软件LS-DYNA，并根据IDS理论引入DIEC失效模型对玻纤增强PP塑料的材料性能进行模拟。结果得出：当速度为12.6 km/h时，玻纤增强PP塑料会出现断裂、裂纹问题，而冲击速度继续增加会出现碎裂问题，但改性的PP塑料性能相比于改性前提升21.87%左右。该研究建立玻纤增强塑料材料性能测试仿真模型，并有效提升仿真的精度。赵鹏等[41]利用计算机仿真技术分析聚氨酯塑料轮胎胎体结构对轮胎性能的影响，由于有限元理论能够减少网格扭曲变形对分析结果的影响，基于有限元分析软件建立塑料轮胎材料模型、单元模型和边界条件，并设置静载条件下塑料轮胎胎体的等效应力、胎面接地应力的仿真模拟实验。结果得出：结构形式为辐条式的轮胎具有更强的耐磨性能，但抗疲劳性较差，而辐板式轮胎具有较好的抓地性能和抗疲劳性，但会出现耐磨不均匀的问题。该研究为轮胎的结构测试、结构设计提供参考。张振强等[42]利用计算机仿真技术模拟超声波塑料焊接黏弹性热性能，由于传统的实验法对聚合物黏弹性热分析会产生较大的实验误差，利用计算机技术引入动态模量，并基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)二维模型实现对塑料黏弹性热有限元仿真模拟。研究表明：黏弹性热主要集中于导能筋上，且黏弹性热在110~150 ℃之间会急剧上升，而在这个温度范围外则呈现缓慢上升的趋势。该研究表明，计算机仿真技术能够用于复杂塑料性能的仿真模拟。徐克非等[43]对塑料包装薄膜热封进行计算机仿真模拟研究，采用有限元方法建立聚乙烯塑料包装薄膜的数学模型，并研究薄膜厚度对热封性能的影响。结果得出：厚度为1 mm的聚乙烯塑料包装薄膜热封性能最佳，并且最优的热封温度为140 ℃，热封时间为0.7 s以及热封压力为0.2 MPa。3结论计算机仿真技术为塑料工业领域的系统分析、预测、规划提供更高效、准确的支撑，能够为塑料加工在模具设计、加工参数优化、性能测试等方面提供辅助作用，并实现缩短开发周期、提升设计效率、提升产品质量等功能。目前，计算机仿真技术正向技术网络化、虚拟制造的方向发展，未来计算机仿真技术将进一步实现数据资源共享，节约开发成本，虚拟制造新技术对塑料加工具有更有效的辅助作用。