基于Moldflow的儀表面罩熔接線驗(yàn)證與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張琴，孫厚為，李柳鳴

（東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心車身開發(fā)部，湖北武漢430056）

在注塑成型過程中，采用多澆口注塑方式，或者型腔中存在孔洞、嵌件，以及零件尺寸變化較大時(shí)，塑料熔體在模腔中會(huì)發(fā)生2個(gè)方向以上的流動(dòng)，當(dāng)兩股熔體相遇時(shí)，在零件上會(huì)形成熔接線。熔接線不僅影響零件的外觀質(zhì)量，而且對零件的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響較大，進(jìn)而影響零件的裝配并導(dǎo)致零件發(fā)生失效。在實(shí)際生產(chǎn)中，只能通過反復(fù)的修改、調(diào)試模具才能得到滿足設(shè)計(jì)要求的零件，但這樣會(huì)增加制造成本和延長開發(fā)周期。某車型儀表面罩試模樣件在裝配過程中發(fā)生了卡接結(jié)構(gòu)斷裂失效的現(xiàn)象，初步判定為熔接線缺陷所致。熔接線缺陷的改善對策有很多種，一般是改善熔接線結(jié)合的質(zhì)量或移動(dòng)熔接線位置，具體可通過以下幾種方式來達(dá)成：1）增設(shè)排氣槽，在熔接線區(qū)域增加排氣使料流前鋒更好的匯合；2）在熔接線產(chǎn)生處設(shè)置工藝溢料井，成型后再予以切除；3）調(diào)整成型條件，提高流動(dòng)性；4）改變澆口位置或優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改變?nèi)劢泳€的位置。通過Moldflow軟件對某車型儀表面罩零件進(jìn)行注射成型模擬分析，通過查看熔接線分析結(jié)果，并與實(shí)際零件缺陷進(jìn)行了對比驗(yàn)證，進(jìn)而尋求解決方案。由于儀表面罩的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，通過在模具上增加排氣槽方案實(shí)施較為困難，調(diào)整注塑成型條件效果較差，因此考慮優(yōu)化儀表面罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文中希望通過優(yōu)化儀表面罩卡座結(jié)構(gòu)，從而調(diào)整熔接線位置，以期消除熔接線對受力區(qū)域的影響，從而保證了其性能。

1 建立分析模型

為了確保Moldflow分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，正確的建立分析模型至關(guān)重要，分析模型的建立一般遵循以下流程。

1.1 3D數(shù)模前處理

應(yīng)用Moldflow進(jìn)行模擬分析的過程中，分析模型的前處理是首要工作。在CAD軟件導(dǎo)出模型的過程中，要求導(dǎo)出模型盡量保留零件特征，且模型質(zhì)量越精密越好，這樣在劃分網(wǎng)格時(shí)才能盡量接近零件外形特征。

儀表面罩?jǐn)?shù)模從Catia軟件中導(dǎo)出的是實(shí)體數(shù)據(jù)，數(shù)模格式類型可以是CATPart、IGS或STP。然后將3D數(shù)模輸入到Moldflow Cad Doctor中進(jìn)行簡化處理。簡化處理是指移除零件的小特征（R圓角及C角），這些零件小特征對網(wǎng)格匹配率、縱橫比等質(zhì)量模型影響較大，為網(wǎng)格編輯帶來繁瑣的工作，這些小特征對流動(dòng)分析意義影響很小。因此一定要對模型簡化處理以提高模型處理的效率及質(zhì)量。

儀表面罩模型（圖1）尺寸為463 mm×258 mm×70 mm，零件料厚t為2.6 mm，那么需要將該模型中圓角和C角的尺寸為1.3 mm（t/2）從模型中去除。

1.2 網(wǎng)格劃分及優(yōu)化

從Moldflow Cad Doctor中簡化的模型為UDM或SDY輸出到Moldflow中，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)模型大小初步將網(wǎng)格的邊長平均定義為4 mm，劃分的三角形單元數(shù)為71361，節(jié)點(diǎn)數(shù)30269，匹配率為89.3%，平均縱橫比為1.95，最大縱橫比為124.4，網(wǎng)格模型中沒有出現(xiàn)交叉重疊單元、自由邊單元、未取向的單元。網(wǎng)格結(jié)果需要優(yōu)化的有2方面：1）將卡座區(qū)域網(wǎng)格局部劃分細(xì)致，這是因?yàn)楸疚闹序?yàn)證的是儀表面罩卡座區(qū)域熔接線問題，將此處網(wǎng)格尺寸重新劃分為1 mm（圖2）；2）將網(wǎng)格的縱橫比最大值優(yōu)化到6以下。因此需要應(yīng)用網(wǎng)格修復(fù)工具（合并節(jié)點(diǎn)、交換邊等命令）優(yōu)化模型。優(yōu)化后的有限元網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為：三角形單元數(shù)83796，節(jié)點(diǎn)數(shù)41848，匹配率為87.6%，平均縱橫比為1.95，最大縱橫比為5.8，優(yōu)化后的網(wǎng)格模型能滿足模擬分析要求。

1.3 澆注系統(tǒng)的建立

澆注系統(tǒng)是指從注射模具入口到模腔之間的熔體流動(dòng)通道。本文中對儀表面罩進(jìn)行熔接線的驗(yàn)證，儀表面罩已經(jīng)開模，因此分析模型需按照模具數(shù)模建立澆注系統(tǒng)，如圖3所示。模型中的熱流道、冷流道、澆口尺寸等必須嚴(yán)格依照模具圖紙建立，否則會(huì)影響分析的準(zhǔn)確性。建立澆注系統(tǒng)后，需注意檢查零件和澆注系統(tǒng)的連通性，確保兩者連接上不可斷開，該零件的澆注系統(tǒng)是采用熱流道方式一點(diǎn)進(jìn)膠。

1.4 成型材料的選擇

零件成型材料的選擇也是影響分析結(jié)果的重大因素。因?yàn)椴牧系牧髯儗傩?、熱屬性、PVT屬性、機(jī)械屬性等的不同會(huì)對分析結(jié)果造成很大影響，因此在分析之前，要設(shè)定正確的材料，確保和實(shí)際成型一致。該零件實(shí)際成型為PP 材料，選用的是金發(fā)材料公司的型號(hào)為AIP1821的材料。該材料直接可以從Moldflow軟件的UDB材料庫獲取。

圖1 儀表面罩幾何模型

圖2 有限元模型

圖3 澆注系統(tǒng)

2 Moldflow分析及實(shí)物對比

零件的分析操作步驟是隨著分析對象和求解問題的不同而變化，且Moldflow提供了大量的分析結(jié)果，可根據(jù)不同的分析結(jié)果來預(yù)測推斷零件的潛在缺陷。本次分析的項(xiàng)目主要是針對熔接線這項(xiàng)性能指標(biāo)，因此只需對零件進(jìn)行充填分析。儀表面罩的缺陷是熔接線問題，因此只需要對熔接線分析結(jié)果進(jìn)行評估。首先，將分析結(jié)果的熔接線（圖4）與實(shí)物（圖5）進(jìn)行對比。熔接線分析結(jié)果（圖4）顯示熔接線正好位于零件卡座靠破孔中間，此處正好是零件安裝卡子的直接受力部位。試模樣件實(shí)物（圖5）顯示在安裝卡子時(shí)，此處強(qiáng)度較差，使用時(shí)卡座中間易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象?？梢?，Moldflow分析熔接線結(jié)果與實(shí)物缺陷位置完全吻合。

圖4 熔接線

圖5 實(shí)物樣件斷裂位置

3 熔接線解決方案

考慮到是因?yàn)槿劢泳€位置不合理影響了卡座強(qiáng)度，所以解決方向是調(diào)節(jié)熔接線位置。分析該儀表面罩的結(jié)構(gòu)，該零件若調(diào)整變更澆口位置，卡座上熔接線位置不會(huì)顯著改變；而模具上增加排氣也改善不了該問題，因此需要從變更零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向考慮。調(diào)節(jié)卡座方孔兩邊的壁厚，卡座一側(cè)壁厚為1.3 mm，另外一側(cè)壁厚為3 mm，形成壁厚差（圖6）；使熔接線位置從中間位置（圖4）調(diào)整到偏離卡子開口中心的位置（圖7），使熔接線位置避開零件受力部位?？梢娽槍ㄗ娇兹劢泳€問題，總結(jié)出零件在卡座類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要重點(diǎn)考慮壁厚的分布問題，結(jié)合Moldflow分析有效優(yōu)化設(shè)計(jì)。而后期按此優(yōu)化方案實(shí)施儀表面罩的改模，卡座再未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，滿足零件使用要求。

圖6 卡座兩側(cè)壁厚差異示意圖

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后熔接線的分布

4 結(jié)束語

借助Moldflow分析儀表面罩的注塑工藝過程，通過優(yōu)化儀表面罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到調(diào)節(jié)熔接線位置來避讓其出現(xiàn)在受力區(qū)域，從而解決了卡座局部斷裂的問題，也因此總結(jié)出這類零件的卡座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)律。這體現(xiàn)了結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際和Moldflow分析結(jié)果尋找解決方案的必要性，但更重要的是指引了零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方向，要在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期就將其導(dǎo)入Moldflow系統(tǒng)進(jìn)行分析，防患于未然，將潛在問題在設(shè)計(jì)階段得以有效化解；實(shí)現(xiàn)從“CAE驗(yàn)證設(shè)計(jì)”走向“CAE驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)”的目的。

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