塑料产品具有加工难度低、材质轻、成本低廉、稳定性强等优势，因此，应用较为广泛，但随着各行各业不断转型升级，对塑料产品的要求也逐渐提升，生产质量更轻、品质更优、精度更高的塑料产品成为未来的趋势。将CAE技术运用于塑料产品的设计中，能够提升产品质量，缩短开发周期，降低成本等[1-2]。基于此，本研究以CAE技术为研究对象，综述CAE技术的发展背景、技术原理及优化塑料设计的应用。结合国内外最新的研究成果，对CAE技术在塑料模具设计、优化注塑成型、优化加工设计进行概述，得出最新的研究进展，为CAE技术在塑料工业领域的进一步应用提供参考。1CAE技术概况1.1CAE技术的研究背景随着计算机技术、数据库和有限元理论的进一步发展，CAE技术进入成熟发展期，其可靠性、广泛性及处理效率得到显著提升[3-4]。目前，CAE技术广泛应用于塑料加工、仪器仪表、电子技术、化工制造等领域[5]。CAE技术通过计算机编程、信息集成、工程设计、数据库演算、仿真模拟等方式[6-7]，实现对复杂工艺流程和产品结构的深度分析，进而能够预先发现工程中的设计问题，从而采取优化手段提升产品的质量。1.2CAE技术原理通过CAE技术生成数字化模型，基于有限元理论、边界元法、有限差分法对模型进行模拟，克服塑料构件在冷却过程、压力传导、参数等方面的困难[8]。1.3CAE技术对塑料设计的意义在设计塑料模具方面，模具设计不合理时，可能造成塑料产品的精度不准确，难以满足工程需要。浇筑系统设计不合理，导致塑料成品存在表面缺陷、翘曲变形问题；顶出装置、排气结构设计不当，导致塑料成品脱模困难，造成产品损伤，影响成品的形貌及性能；冷却系统设计缺陷，可能导致成品出现熔接痕问题[9]。另外，筛选塑料原料耗时耗力，若选择不合理，直接影响塑料成品的质量[10]。CAE技术应用于塑料设计，在模具设计阶段可以帮助建立合理的尺寸模型以及设计参数；在注塑成型阶段对浇注系统、冷却、压力控制合理性进行调整；在加工阶段，尽可能辅助原材料的筛选，缩短加工时间。2CAE技术在塑料设计优化的应用2.1模具设计优化的应用塑料模具的质量很大程度上影响塑料成品的质量，模具设计不合理，使塑料注塑成型过程中容易产生尺寸收缩、毛刺、孔洞、熔接痕、翘曲变形等问题[11-12]；且模具的流道类型、尺寸、浇口位置等参数，会对塑料流动场、应力场产生影响，进而影响塑料成品的力学性能。传统的工艺需要经过多次试模、修模；而CAE技术能够进行3D建模，高效地实现塑料模具的优化[13]。黄结荣[14]研究CAE技术在设计塑料模具的应用情况，以汽车的保险杠模具为例，采用CAE技术能够分解保险杠结构；利用网格优化模型参数，进而提升模具设计的精确性，优化尺寸和结构分布，减少熔接痕和翘曲变形。陈玲琳[15]以汽车的内饰模具造型设计为研究对象，利用CAE技术设计系统框架，浇口模型、冷却系统模型。结果表明：内饰板的模具厚度由1.8 mm增加至2.5 mm，可以减少熔融痕的产生，且冷却速度加快12.7%左右。黄常翼等[16]对塑料模具中CAE的作用进行分析，结果表明：CAE技术能够减少传统模具反复建模、修模的频次；通过Moldflow软件实现对模具孔道长度、尺寸、腔体及零件位置的精确设计，明显提升LGA-SF汽车模具的设计效率。王凤等[17]以高分子材料齿轮箱的模具设计为研究对象，通过CAE技术对模具的几何结构、模态仿真、模流仿真进行辅助设计。结果得出：PA6和GF50复合物齿轮箱最佳的模具参数为壁厚4 mm，安装孔处厚度为10 mm，上下箱体连接处厚度为6 mm时，能够满足齿轮箱的性能要求。樊夏漪[18]对CAE技术在塑料模具设计的应用现状进行概述，利用Moldflow软件、CATIA软件对模具的冷却模拟、翘曲变形、结构应力等进行分析，从而实现参数修正和优化。同时，CAE技术也能够对模具散热能力、抗冲击试验、跌落试验进行模拟，检验模型的结构合理性。李红林等[19]以某电器的塑料外壳为例，采用CAE技术对模具的成型外观、压力及温度特性进行分析。结果表明：塑料外壳模具的尺寸为38 mm×40 mm×19 mm、模穴体积在3.6 mm3时，不易发生翘曲变形，且外观分布均匀，不易产生毛刺、裂痕问题。张杰等[20]概述CAE技术能够模拟注射模充膜流动过程，将三维的模具进行网格化处理形成一维平面，并基于平衡流动原理对模具流道尺寸、熔接线和气穴位置优化分析。结果得出：型腔充填体积参数为70%~90%时，塑料产品的翘曲变形的概率更低。徐燕[21]采用模流分析CAE技术设计和制造塑料模具，利用数字信号、CAE仿真技术建立67.013万节点的网格，并对塑料模具的内穴填充稳定性进行数值运算。结果得出：体积参数为1.6 mm³时，塑料成品不易出现翘曲变形。2.2注塑成型优化的应用注塑成型具有成型速度快、工艺较为稳定、产品质量可控等优势，已经成为批量化塑料生产及复杂塑料构建的工艺之一[22]。但注塑成型的系统设计、工艺参数设计会影响注塑成品的性能和质量，许多研究者对CAE技术在优化塑料注塑成型设计的应用进行大量研究。曹雄刚等[23]利用CAE技术设计塑料齿轮的参数，并通过正交试验进行优化设计。结果得出：CAE技术能够提升注塑成型的参数选择效率，当注塑成型的填充时间延长，塑料成品发生翘曲变形的概率越低。冯振礼等[24]采用CAE技术对两种塑料材料的扫料斗注塑成型的工艺参数进行设计，通过双射成型工艺方法，使用UG软件、Moldflow软件进行模型参数设计。结果表明：CAE技术对扫料斗双射模型匹配率高达97.3%和92.5%，流道口直径为1.2 mm左右最佳。同时指出CAE技术能够显著提升工艺参数，实现非旋转式双射成型注塑工艺的制造，具有良好的应用前景。魏清兰[25]以电动牙刷头外壳件为研究对象，采用Moldflow软件进行注塑工艺的CAE辅助分析。研究表明：CAE技术能够为牙刷外壳的体积收缩率、熔接痕位置、填充时间等提供设计参数；且能够进行冷、热流道的优选。付士军[26]将CAE技术与正交试验相结合，用于聚丙烯塑料的注塑成型工艺参数的设计。研究表明：正交试验能够提升Moldflow软件的模拟次数，缩短CAE演算时间。通过软件演算得出，熔体温度和保压压力分别为180 ℃、60 MPa时，塑料成品的收缩率最小，保持在4.47%左右。吴凡等[27]以冰箱门拉手注塑成型为研究对象，采用CAE技术设计工艺参数，使用Moldflow软件对注塑成型的冷却填充时间、缩痕、熔接线、翘曲变形等因素进行估算。研究表明：熔体温度为320 ℃、停留时间1.75 s时，冰箱门拉手的表面分布较均匀，无短射和迟滞现象。殷小清等[28]基于Moldflow和UG软件对CAE注塑模型工艺参数的设计进行改进，认为建立CAE双层网格模型后，生成umd的中间传递模型；将umd模型嵌入CAE网格模型中进行重叠分析，以提升模型的准确性。结果得出：优化后的CAE精度更高，塑料模型的底座缺陷得到改善。2.3塑料加工优化的应用塑料加工系统的设计、工艺参数都会对塑料成品的质量产生影响[29]，因此对塑料加工过程进行合理设计，能够提升塑料成品质量。将CAE技术与正交试验、CAD或CAM技术相结合，通常用于筛选原材料、分析影响因素、设计加工参数等方面[30]。刘福刚[31]将CAE技术运用于塑料材料的性能测定，进而帮助筛选和确定塑料工业的原材料，以简化材料筛选的复杂流程。以汽车的保险杠为例，以ABP-0948的聚丙烯为原材料，能够降低保险杠质量，力学性能较好，提升对汽车的保护作用。江灏源等[32]对薄壁塑料零件的数控加工过程进行研究，采用CAD、CAE和CAM联用技术提升塑料的生产效率。结果得出：尼龙66材料不易发生翘曲变形、脱模难、缺料等问题，且具有较好的化学稳定性和力学性能。孙希曦等[33]对机车齿轮箱的材料进行研究，结果得出，PA6/长玻璃纤维复合材料性能更优，适用于注塑加工工艺，且注塑时间为7.46 s左右时，齿轮箱的成型效果最好。李春玲[34]基于CAD、CAE和CAM联用技术对吊钩注塑模具进行设计、参数优化和加工。研究表明：ABS模具的加工尺寸为155 mm×105 mm×22 mm时，加工产品翘曲变形可以控制4.5%以内，该联用技术明显减少试模次数，降低加工成本。贾寒[35]利用CAD、CAE和CAM联用技术对模具的加工过程进行优化。研究表明：通过联用技术，试模成功率提高45%~50%，加工时间缩短约30%。覃秀凤[36]对钛合金塑料模具在CAE技术的应用情况进行概述，并利用数值分析技术对塑料加工过程的流态、应力应变情况进行模拟。结果得出：Pro/E软件仿真模拟塑料加工过程的结构应力、冷却情况、塑料纤维取向和翘曲变形，进而提升加工效率。以格栅钛合金注塑成型为例，控制熔体温度为200 ℃，模具温度为58 ℃，翘曲变形量可缩小至2.240 mm。3结论CAE技术在塑料模具设计、注塑成型、塑料加工优化等方面具有良好的应用价值，不仅能够有效提升模具的准确性，缩短设计开发周期，同时，可以提升塑料产品的质量，降低塑料产品的加工成本。国内外开发大量关于CAE技术的软件，并建立较为完善的模型，使CAE技术在塑料设计优化领域具有较为成熟的运用。