历史课告诉我们说，人类经历过石器时代，青铜时代和铁器时代。有人把二战以后的时代称为高分子材料时代。高分子材料原本就存在于动植物体内，叫做天然高分子材料。天然的东西是好东西，但人类若只靠天来供应，就会坐吃山空。为了不坐吃山空，人类必须“替天行道”。结果，上世纪初研制出了人工合成高分子材料。二战期间对合成高分子材料的需求，促使这种新兴材料在战后短短几十年间蓬勃发展起来。到了上世纪七十年代初，美国合成高分子的体积产量业已超过金属材料产量的总和。现如今，我们每天都和高分子材料形影不离。我们随身携带的手机，眼前的电脑、大厅里的电视机、旅游时用的照相机，哪样不使用塑料或橡胶之类的高分子材料？如果你乘坐汽车，那就等于是坐在一个塑料盒里(图1)。

图1:汽车

但材料只是材料，不是制品。材料和制品的关系是大理石和维纳斯雕像的关系。大理石变成维纳斯像的过程，叫做成型加工。要从高分子材料制造出各类用品，也要经过成型加工。

注塑成型(亦称注射成型)，就是常用的成型加工方法之一。在注塑加工中，高分子材料首先从固态熔融成为液态，在压力下流入冷模腔，在模腔冷却的作用下固化，然后脱离模腔，再经过一段时间在空气中冷却，便成了──在很多情况下──废品。这是因为，高分子材料是粘弹性材料，在充模和冷却过程中产生的内部应力只有一小部分松弛掉，大部分“冻结”或残余在模制品中，引起不均匀收缩和翘曲，致使制品的几何尺寸和形状不符合预设的要求。这相当于说，你本想塑造一个维纳斯，结果塑造成了胖大婶。

收缩和翘曲以及其它缺陷往往不可避免，但如同人的缺点，有轻有重，取决于材料、加工条件和模具设计等因素。如果可以在进入实际生产之前通过分析计算，预测出材料在整个加工过程中的变化，便有可能获得最优化的方案，把制品缺陷控制在可接受的范围内。

然而对注塑问题的严格分析是不容易实现的，一个原因是材料的流变特性非常复杂，除了前面提到的黏弹性外，许多实用的工业材料是半结晶高分子材料以及纤维增强复合材料，它们在细观上是非均匀材料。流动诱导的结晶度、晶体形态和纤维取向都对加工过程和产品性能有重要影响。另一个原因是，在实际情况下，模腔的几何形状都十分复杂。想想你的照相机塑料外壳的结构，对模腔的几何形状的复杂性就可以有个大体的了解(图2)。如果把注塑问题用“学术”一点的语言来表述的话，我们要分析的是这样一个问题：“粘弹性非均匀高分子材料在复杂流道中的非稳态、非等温流动及其固化成型过程，以及固化后在无外力约束状态下的形变”。

二、初期工作

高分子材料流变学和其它相关理论的发展、以及电子计算机及数值计算方法的发展和应用，提供了对上述注塑问题进行CAE分析的可能性。所谓CAE，是计算机辅助工程( Computer Aided Engineering）的英文简称。

早期的工作可以追索到1960年Toor等人的尝试。他们用计算机求解了简单流道的充模流动问题。由于当时计算机硬件和软件条件的限制，在一台IBM702上完成一次简单的充模流动计算就要花费20小时。

后继的工作应该提到Barrie(1971), Kamal和Kenig(1972) 以及Williams和 Lord(1975)。这些都可称为前驱性工作。这些工作的重要贡献是不言而喻的，但离开广泛的实际应用还有相当一段距离。

美国麻省理工学院教授、著名有限元软件ADINA的创始人Bathe教授写过这样一段话：

“The development of reliable and optimal finite element techniques that will find wide use is most difficult. It is a lot easier to develop finite element methods that can solve specific problems and publish papers, when these methods have no chance of finding wide use. ”

大意是说：“开发可靠的和优化的而且可以广泛应用的有限元分析技术，是最困难的。而开发有限元法来解决某些特定问题，当这些方法无法广泛应用时，就用来发表论文，则容易得多。”

这段话也适用于注塑加工分析技术。应该说，上世纪60年代到70年代初的工作，还没有走出“解决某些特定问题”和“用来发表论文”的象牙塔。要创造能够通用于注塑加工的各种实际问题的分析技术，还要等待兼备理论知识、工程观念和商业胆略的人物的登场。这些人物是谁？他们是怎样完成这“最困难的”工作的？又是怎样互相竞争的？下篇再说。