前端框架Moldflow分析及優(yōu)化

胡遠航，孫玉紅，楊廣鋒，刁芳芳，周震，陳浩

(1.長城汽車股份有限公司技術中心, 河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心,河北保定 071000)

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前端框架Moldflow分析及優(yōu)化

胡遠航1,2，孫玉紅1,2，楊廣鋒1,2，刁芳芳1,2，周震1,2，陳浩1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術中心, 河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心,河北保定 071000)

摘要：前端框架是汽車的核心功能部件，是散熱器、冷凝器、中冷器等零部件的組裝平臺，前端框架的性能直接影響到汽車前機艙的安全特性。注塑工藝中的熔接線、注塑內(nèi)應力、變形等缺陷對前端框架的力學性能有較大影響。研究了前端框架的材料選擇、注塑澆口的設置方式、設計結構對注塑的影響等內(nèi)容，并運用Moldflow驗證了前端框架的工藝性能，優(yōu)化了前端框架設計過程中的工藝問題。

關鍵詞：前端框架；Moldflow分析；工藝優(yōu)化

0引言

前端框架是汽車集成化設計的重要部件，它是散熱器、冷凝器、中冷器等零部件的安裝平臺，是重要的安全部件，因此前端框架要滿足嚴格的力學性能要求。注塑過程中容易產(chǎn)生熔接線、氣穴、收縮、燒焦等注塑缺陷[1]。注塑缺陷對于前端框架的力學性能有較大的影響，且模具成型后修模費用高昂[2]，因此模具設計過程中注塑缺陷的避免尤為重要。文中研究了前端框架注塑過程中的澆口排布方式、結構設計方法等內(nèi)容，優(yōu)化了前端框架注塑工藝的相關問題。

1模流分析

進行塑料產(chǎn)品的模流分析要經(jīng)過以下3個步驟：網(wǎng)格劃分→模型搭建→后處理。

1.1網(wǎng)格劃分

建立前端框架的Moldflow殼網(wǎng)格模型，要注意網(wǎng)格數(shù)量的控制，網(wǎng)格劃分時還要注意連通區(qū)域、匹配率、自由邊、單元取向等問題。

1.2分析計算

開展Moldflow分析首先要進行分析類型的選擇，然后進行澆口尺寸、類型的設置，材料的選擇，最后在Moldflow中提交分析計算。

1.3分析結果后處理

在Moldflow中讀取分析結果，以查看注塑壓力、鎖模力、熔接線、氣穴、變形等結果，對不合格項進行優(yōu)化設計。

2有限元模型建立

2.1網(wǎng)格劃分

前端框架的Moldflow殼網(wǎng)格要求如下：網(wǎng)格數(shù)量在10萬以內(nèi)；連通區(qū)域為1；最大縱橫比小于15；雙層面匹配率大于85%，含玻纖材料，匹配率大于90%；要求無自由邊、無多重交叉邊，單元取向一致。建模如圖1所示。

2.2材料模型

前端框架結構設計一般選材為PP玻纖增強材料或PA玻纖增強材料，2種材料的常用類型參數(shù)信息如表1所示。

PP玻纖增強材料的pVT曲線如圖2所示。

PP玻纖增強材料的黏度曲線如圖3所示。

PA玻纖增強材料的pVT曲線如圖4所示，PA玻纖增強材料的黏度曲線如圖5所示。

綜合考慮PP玻纖增強材料和PA玻纖增強材料的特性，PA玻纖增強材料的收縮率、彈性模量、pVT特性、黏性曲線等更適合應用到前端框架的設計中，因此該前端框架設計選取PA玻纖增強材料。

2.3產(chǎn)品信息

前端框架垂直投影面積影響模具的鎖模力，體積影響材料質量和注塑量，尺寸影響澆口的排布。該前端框架基本信息如下：投影面積為5 346.9 cm2、產(chǎn)品體積為2 826.2 cm3、三維尺寸為1 222 mm×626 mm×81 mm、主體壁厚為2.5 mm。

2.4澆口布置

進行前端框架澆口布置時，要注意以下基本事項：(1)澆口之間的距離保持在200～400 mm之間，澆口布置均勻，以降低注塑壓力和鎖模力；(2)注意冷/熱澆口的選擇及排布方式；(3)澆口布置應避開滑塊位置；(4)前端框架主鎖位置承受較大的外部載荷，因此要避免熔接線出現(xiàn)在該位置。前端框架澆口布置見圖6。

說明：該前端框架澆口布置采用8個熱澆口同時進膠，熱主流道直徑為22 mm，熱流道直徑為18 mm，熱澆口端部直徑為8 mm，澆口中心點間距小于400 mm，滿足材料的流程比。澆口布置左右近似對稱，由于前端框架上梁右側有風道安裝孔，影響材料流動，因此澆口2略向右側偏置，以補充流動缺陷。

3Moldflow分析結果

設圖6中前端框架的注塑方式為方案一，針對該方案進行模流分析，下面對該分析結果進行研究。

由圖7可知：前端框架等值線分布不均，注塑時間為9.939 s，前端框架兩側耳部發(fā)生短射，主要是耳部厚度較薄，影響注塑；下梁中部發(fā)生短射，主要原因是下梁中部為狹窄結構(圖8)，注塑時中部流動緩慢，建議在下梁中部增加1個澆口。在結構設計時，盡量避免設計結構的突變，建議增加下梁中部的材料厚度，且增加倒圓角，以利于注塑填充。

由圖9可知：該注塑方式前端框架的最大鎖模力出現(xiàn)在t=7.772 s，最大鎖模力為29.457 MN。

由圖10可知：前端框架的上梁、側梁等主要受力區(qū)域的熔接線較多、較深，對于前端框架的力學性能有較大影響。產(chǎn)生熔接線的主要原因是前端框架為了減重而將側梁挖出4個孔洞(減重孔分布見圖11)，孔洞周圍產(chǎn)生了密集的熔接線，且孔洞影響注塑填充，對于注塑壓力也有較大影響，設計時應該盡量減少孔洞的數(shù)量。

前端框架的總體變形如圖12所示。

從圖12可知：前端框架最大變形為3.364 mm。減小注塑變形方法如下：設計結構保持厚度均勻；模具冷卻水路布置均勻；拐角處盡量圓滑過渡，避免角效應；選取收縮率較小的材料。

4結構優(yōu)化

針對方案一填充不滿、鎖模力過大、熔接線過多、變形較大等注塑缺陷進行了深入的研究，產(chǎn)生缺陷的主要原因如下：(1)前端框架減重孔影響注塑填充，且孔周圍有熔接線；(2)模具澆口布置不合理。針對缺陷一，優(yōu)化方案是將前端框架側梁4個減重孔填補，同時將流動性差部位的設計厚度由2.5 mm變?yōu)? mm；針對缺陷二，優(yōu)化模具的澆口布置，在下梁中部增加澆口，同時將上梁中部的熱澆口改為側向冷澆口。優(yōu)化方案如圖13所示。

從圖14可知：側面冷澆口玻纖取向排列較為均勻，有利于前端框架上梁力學性能提升，熱澆口的玻纖取向排列雜亂，且熱澆口在產(chǎn)品表面，澆口處會有熱應力集中，影響上梁的力學性能，因此側面冷澆口更為優(yōu)化。

5優(yōu)化方案分析結果

設圖13中前端框架的注塑方式為方案二，針對該方案進行模流分析，下面對該分析結果進行研究。

從圖15可知：前端框架等值線分布較為均勻，前端框架注塑時間為8.537 s，且前端框架整體填充良好，無短射問題發(fā)生。

由圖16可知：該方案前端框架的最大鎖模力出現(xiàn)在t=7.3 s，最大鎖模力為19.487 MN。

由圖17可知：前端框架整體熔接線較少，相對方案1熔接線減少。

從圖18可知：前端框架最大變形為3.046 mm，相對方案一變形減小。

對于前端框架的注塑方案一和方案二進行匯總，對比見表2。

6結論

介紹了前端框架的模流分析及優(yōu)化方法,采用該方法進行前端框架的注塑成型，可以避免注塑過程中的短射、熔接線等缺陷，同時具有注塑時間短、鎖模力小、變形小等優(yōu)點，特別是前端框架主鎖位置的澆口設定方式有利于提高前端框架的力學性能。

國內(nèi)某車企在前端框架模具設計過程中，使用了文中研究的相關方法，設計出滿足性能要求的前端框架產(chǎn)品，避免了注塑過程中的諸多缺陷和高昂的修模費用，降低了整車的研發(fā)周期和成本。

參考文獻:

【1】孫先明，魏雷，鄒煥.基于Moldflow的汽車車燈面罩模具設計與開發(fā)[J].塑料科技，2014,42(12):98-101.

【2】陳世煌，陳可娟.塑料注塑成型模具設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007：9.

Moldflow Analysis and Optimization for Front-end Module

HU Yuanhang1,2, SUN Yuhong1,2, YANG Guangfeng1,2,DIAO Fangfang1,2, ZHOU Zhen1,2, CHEN Hao1,2

(1.R & D Center of Great Wall Motor Company，Baoding Hebei 071000,China; 2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei，Baoding Hebei 071000,China)

Keywords:Front-end module; Moldflow analysis; Process optimization

Abstract:Front-end module is a core feature of the car, the assembly platform of radiator, condenser, intercooler and other components. Its performance directly affects the security features of the car front cabin. The weld line, injection internal stress, deformation and other defects in injection molding process have a greater impact on the mechanical properties of the front-end module.The influences of the material selection, setting modes of the injection gate, designed structure to the injection molding were studied. Moldflow technology was used to verify the performance of the front-end module, and the process technology issues were optimized.

收稿日期：2016-01-31

作者簡介：胡遠航(1986—)，男，碩士，研究方向為汽車CAE仿真技術。E-mail：huyuanhanghgc@163.com。

中圖分類號:U325.5

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)05-016-05