車用塑料件的模流與結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真分析

李西順+楊明華+孫正峰

摘要： 現(xiàn)存結(jié)構(gòu)仿真軟件的材料模型無法準(zhǔn)確表達(dá)塑料及纖維復(fù)合材料零件各向異性的特性，為提高這類零件結(jié)構(gòu)仿真的準(zhǔn)確性，使用Moldex3D，Digimat和OptiStruct聯(lián)合仿真的方法，針對(duì)汽車空調(diào)風(fēng)門進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)工況下的強(qiáng)度仿真與分析。按照實(shí)際成型工藝對(duì)空調(diào)風(fēng)門進(jìn)行模流分析，將模流分析得到的結(jié)果通過Digimat映射到結(jié)構(gòu)有限元模型上，得到聯(lián)合仿真模型，并將該模型的分析結(jié)果和未映射模型的分析結(jié)果同時(shí)與通過試驗(yàn)獲得的真實(shí)應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：由成型工藝導(dǎo)致的材料各向異性對(duì)風(fēng)門的應(yīng)力分布和重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力值均有較大影響；在熔接線附近，考慮玻纖取向的聯(lián)合仿真模型得到的應(yīng)力值與實(shí)際的應(yīng)力值更接近，可以提高含玻纖材料零件仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞： 汽車； 空調(diào)風(fēng)門； 注塑成型； 模流； 各向異性； 玻纖取向； 熔接線； 強(qiáng)度

中圖分類號(hào)： U466 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Co-simulation analysis of mold-flow and structure for automotive plastic parts

LI Xishun， YANG Minghua， SUN Zhengfeng

（Technology Center， Chengdu Aerospace Mould & Plastics Co.， Ltd.， Chengdu 610100， China）

Abstract： The material model in the existing structural simulation software can not express the anisotropy of plastic and fiber composite material accurately. In order to improve the structural simulation accuracy of these parts， a co-simulation method of Moldex3D， Digimat and OptiStruct is adopted to simulate and analyze the strength of automobile air-conditioner damper in three-point bending test condition. The mold-flow analysis on air-conditioner damper is carried out according to the actual moulding process， the results of the mold-flow analysis are mapped to the structural finite element model by Digimat， and the co-simulation model is obtained. The analysis result of the co-simulation model and the unmapped model are compared with the real stress value obtained through the test. The results show that， the anisotropy of the material caused by the moulding process has a great effect on the stress distribution of the damper and the stress value of the key area， the stress of co-simulation model considering the glass fiber orientation is closer to the real stress near the welding line， which can improve the accuracy of the simulation results of glass fiber material parts.

Key words： automobile； air-conditioner damper； injection molding； mold-flow； anisotropy； glass fiber orientation； weld line； strength

0 引 言

汽車的輕量化是指在保證汽車整體品質(zhì)和性能不受影響的前提下，盡可能地減輕汽車產(chǎn)品自身質(zhì)量，從而發(fā)揮汽車動(dòng)力性、減少燃料消耗、降低排氣污染。[1]汽車的輕量化最終要分解落實(shí)到相關(guān)零部件的輕量化。[2]汽車輕量化技術(shù)可以分為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料的應(yīng)用和先進(jìn)制造工藝等3個(gè)主要方面，其中輕量化材料包括：高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料等。[3]

塑料及纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用日趨廣泛，使用量持續(xù)增長，特別是在內(nèi)飾件、外飾件和功能件等3類零部件中的應(yīng)用。[4]使用工程塑料或纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料，不僅能減輕整車的質(zhì)量，還能增強(qiáng)汽車的綜合性能。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，短纖維增強(qiáng)產(chǎn)品已經(jīng)成為一種普通材料被廣泛應(yīng)用。[5]輕質(zhì)、高強(qiáng)度的長纖維增強(qiáng)熱塑性材料已從小批量、少數(shù)汽車零部件的試用擴(kuò)展到大批量、多品種的汽車零部件生產(chǎn)，逐步成為制造汽車零部件的主流材料，尤其是在力學(xué)強(qiáng)度要求較高的部件中，如前端框架、吸能防撞保險(xiǎn)杠、座椅骨架、車身底護(hù)板等。[6]

與此同時(shí)，車身大量塑料件的使用，給結(jié)構(gòu)仿真分析帶來一定的困難。目前，雖然通用結(jié)構(gòu)有限元分析中的材料本構(gòu)模型已經(jīng)非常豐富，但仍不足以模擬實(shí)際的注塑產(chǎn)品材料各向異性的屬性。注塑成型的塑料件，尤其是含玻纖的制品，受其成型工藝的影響必然會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力、熔接線和纖維取向[7]，如果結(jié)構(gòu)分析時(shí)沒有考慮產(chǎn)品的這些特征，最后會(huì)得到偏離實(shí)際的分析結(jié)果，失去仿真的意義。另外，結(jié)構(gòu)分析和模流分析分別由不同的團(tuán)隊(duì)同時(shí)進(jìn)行，而每個(gè)團(tuán)隊(duì)都在對(duì)模型的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以滿足各自領(lǐng)域內(nèi)的設(shè)計(jì)需求，所以結(jié)構(gòu)仿真通常使用的是近似的材料性能而不是真實(shí)的、與生產(chǎn)一致的材料性能，未能考慮熔接線位置的強(qiáng)度變化、纖維取向以及殘余應(yīng)力和應(yīng)變（翹曲）等對(duì)產(chǎn)品力學(xué)性能的影響。使用模流分析與結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行聯(lián)合仿真，是有效避免該問題的方法。endprint

模流與結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真的主要思路是通過模流分析模擬產(chǎn)品的熔接線位置、纖維取向和殘余應(yīng)力，然后將這些結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)有限元分析軟件中，從而獲得準(zhǔn)確的材料模型。目前，可以實(shí)現(xiàn)這一過程的方法主要有：（1）Autodesk公司的Simulation Mechanical軟件與MoldFlow軟件可以實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接；（2）使用Moldex3D軟件進(jìn)行模流分析，可以直接輸出各結(jié)構(gòu)求解器格式類型的文件，然后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的邊界條件設(shè)置求解；（3）使用Autodesk Helius PFA軟件將模流分析軟件的分析結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)分析軟件中的分析模型上；（4）使用Digimat軟件將模流分析軟件的分析結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)分析軟件中相應(yīng)的分析模型上。其中，在方法（3）和方法（4）中，市場(chǎng)上主要的模流分析軟件和結(jié)構(gòu)分析軟件均可以使用。目前，主要的模流分析軟件有MoldFlow和Moldex3D，在聯(lián)合仿真中主要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品真實(shí)的成形工藝信息輸出，不同的成形工藝最終可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品不同的材料性能。[8]

本文采用上述介紹的通用方法（4）對(duì)實(shí)際案例進(jìn)行分析。以汽車空調(diào)風(fēng)門為研究對(duì)象，首先通過模流分析軟件模擬其注塑成形過程，預(yù)測(cè)產(chǎn)品翹曲變形結(jié)果、纖維取向和熔接線位置，然后將其映射到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)有限元模型上進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，解決仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果不符的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)注塑件受力工況更真實(shí)的仿真。

1 聯(lián)合仿真模型的建立

以汽車空調(diào)風(fēng)門（見圖1）為研究對(duì)象，按照聯(lián)合仿真的流程對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，模擬風(fēng)門受力情況，最終得到與實(shí)際情況匹配的分析結(jié)果。聯(lián)合仿真分析流程見圖2。

1.1 模流分析模型及計(jì)算結(jié)果

依據(jù)實(shí)際的模具圖建立模流分析模型。在該產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，將2個(gè)不同形狀的風(fēng)門放到一副模具里，見圖3a），為保證平衡，采用兩點(diǎn)進(jìn)膠方式，澆口形式為兩點(diǎn)開放式熱嘴。材料選擇為風(fēng)門指定的材料PP+GF20，創(chuàng)建模流分析澆注系統(tǒng)（見圖3b））；選擇填充—保壓—翹曲的分析序列，根據(jù)實(shí)際的注塑工藝設(shè)置軟件中工藝參數(shù)，進(jìn)行模流分析。

查看模流分析結(jié)果，重點(diǎn)關(guān)注熔接線位置和纖維取向。熔接線是由2股料流匯合產(chǎn)生的，會(huì)影響成品的整體性，應(yīng)該盡量避免，若實(shí)在無法避免，應(yīng)該盡量增大熔接線匯合角。同時(shí)，可以將熔接線結(jié)果圖疊放到熔體流動(dòng)前鋒溫度圖上，觀察熔體的前鋒溫度是否小于熔體的凝固溫度，2股相遇熔體的前鋒溫度差是否大于10 ℃。如果熔體的前鋒溫度小于熔體的凝固溫度，那么熔接線就會(huì)提前凝固，不利于熔體的融合，造成熔接線處的機(jī)械性能下降；如果2股相遇熔體的前鋒溫度差大于10 ℃，那么熔體融合得不好，也會(huì)造成產(chǎn)品的機(jī)械性能降低。[9]

采用圖3所示的進(jìn)膠方式，2股料流會(huì)在風(fēng)門中間位置匯合，產(chǎn)品中部必然會(huì)產(chǎn)生熔接線（見圖4），匯合角較小（見圖4a）），匯合溫度相差不大（見圖4b））。纖維取向是由于注塑過程中澆口布置在不同的位置、熔體流向各位置時(shí)流向不一致而導(dǎo)致的，所以取向不一致的問題無法避免，對(duì)產(chǎn)品材料各向異性的影響很大，且各區(qū)域的材料性能差別很大。纖維取向結(jié)果見圖5。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)判斷熔接線附近產(chǎn)品強(qiáng)度會(huì)下降。由于不同方向的料流匯合，在熔接線兩側(cè)纖維取向是平行于軸向的，而熔接線上的纖維取向是垂直于軸向的，不同區(qū)域呈現(xiàn)出典型的各向異性。

1.2 結(jié)構(gòu)分析模型建立

從上述的模流分析結(jié)果可知，空調(diào)風(fēng)門在熔接線附近存在強(qiáng)度較弱的問題。這一問題已在樣件產(chǎn)品（見圖6）上得到證實(shí)，通過手掰的方式，樣件便發(fā)生斷裂。為模擬這一受力的工況，通過結(jié)構(gòu)CAE建模得到力學(xué)有限元分析模型（見圖7），構(gòu)件兩端約束，中間施力，力的大小為50 N。

模型中的分析材料采用PP+GF20，材料模型為各向同性線性材料。經(jīng)過初步分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力位置在兩端，若只考慮單純的力學(xué)模型，這一結(jié)果是正確的，但實(shí)際發(fā)生斷裂的部位應(yīng)力結(jié)果很小，與實(shí)際情況不符。這是因?yàn)椴捎酶飨蛲缘牟牧希荒軠?zhǔn)確表達(dá)真實(shí)風(fēng)門的材料分布。因此，對(duì)未采用聯(lián)合仿真分析的常規(guī)方法與采用聯(lián)合仿真分析方法的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1.3 聯(lián)合仿真模型建立

將上文中模流分析計(jì)算得到的結(jié)果文件輸出，包括纖維取向、內(nèi)應(yīng)力結(jié)果等。在Digimat中將這些結(jié)果文件映射到結(jié)構(gòu)有限元分析模型上，最后得到含有不同取向材料性能的結(jié)構(gòu)有限元模型，x向的取向結(jié)果見圖8，可以直接觀察到不同區(qū)域的材料取向，與模流分析中的取向結(jié)果一致。

2 聯(lián)合仿真結(jié)果與討論

為驗(yàn)證聯(lián)合仿真分析方法的有效性，將聯(lián)合仿真分析與常規(guī)分析方法得到的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并與試驗(yàn)獲得的風(fēng)門斷裂時(shí)的應(yīng)力值進(jìn)行比對(duì)。

2.1 變形結(jié)果

常規(guī)分析方法與聯(lián)合仿真分析方法得到的變形結(jié)果對(duì)比見圖9。使用聯(lián)合仿真分析方法得到的變形量更大，這是由于映射得到聯(lián)合仿真模型的各向異性材料總體剛度小，更加接近實(shí)際情況。另外，如果模型包含模流分析結(jié)果的內(nèi)應(yīng)力，則變形結(jié)果會(huì)包含翹曲變形的結(jié)果，該變形對(duì)裝配影響也較大，但本文未作重點(diǎn)分析。

2.2 應(yīng)力結(jié)果

常規(guī)分析方法與聯(lián)合仿真分析方法得到的應(yīng)力結(jié)果對(duì)比見圖10和11。從整體來看，應(yīng)力分布情況很相似，只是聯(lián)合仿真得到的最大應(yīng)力值要大于常規(guī)分析方法；兩端應(yīng)力結(jié)果較大，該位置是簡(jiǎn)支梁的端頭部位，且加強(qiáng)筋根部存在一定的應(yīng)力集中，故應(yīng)力較大。仔細(xì)對(duì)比局部應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，在中間區(qū)域發(fā)生斷裂的位置，聯(lián)合仿真模型的應(yīng)力結(jié)果遠(yuǎn)大于常規(guī)分析方法。同時(shí)，此處有熔接線，所以應(yīng)力值已經(jīng)超過該位置的材料強(qiáng)度，與實(shí)際情況中發(fā)生斷裂的情況吻合。

2.3 討論

為與真實(shí)情況進(jìn)行對(duì)比，按照三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法對(duì)空調(diào)風(fēng)門進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中當(dāng)力加載到50 N左右時(shí)，中間位置發(fā)生開裂。由三點(diǎn)彎曲簡(jiǎn)支梁的應(yīng)力簡(jiǎn)化計(jì)算公式計(jì)算可知，中間截面的理論應(yīng)力值約為16 MPa，說明此位置的真實(shí)強(qiáng)度約為16 MPa。endprint

對(duì)比聯(lián)合仿真分析方法和常規(guī)分析方法的分析結(jié)果，由于考慮材料的取向因素（各向異性），聯(lián)合仿真的材料屬性更加接近真實(shí)材料，使用這一結(jié)果來判斷強(qiáng)度，更具有可靠性。

熔接線附近的材料強(qiáng)度會(huì)因?yàn)槿劢泳€的存在而降低，因此在強(qiáng)度評(píng)判時(shí)，要選擇合理的材料強(qiáng)度值就必須在原有材料強(qiáng)度上取一定的比例因數(shù)。熔接線附近的強(qiáng)度評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與材料是否含玻纖有關(guān)，還與熔接線匯合角度有關(guān)，具體的量化值仍需要進(jìn)行大量的研究。

3 結(jié) 論

（1）實(shí)際案例說明使用聯(lián)合仿真分析方法對(duì)塑料件進(jìn)行受力仿真分析更為準(zhǔn)確。該方法能準(zhǔn)確模擬材料各向異性的特性，尤其是含有玻纖的材料。若要使用常規(guī)力學(xué)有限元分析方法，由于其材料為各向同性材料參數(shù)，則材料的彈性模量需要取合適的比例因數(shù)。

（2）采用聯(lián)合仿真方法的變形結(jié)果大于常規(guī)分析方法，這是由于映射得到的各向異性材料總體剛度變小，更加接近實(shí)際情況。聯(lián)合仿真得到的熔接線附近的應(yīng)力大于常規(guī)分析方法，是由于常規(guī)方法沒有考慮纖維取向，應(yīng)力要偏小一些。實(shí)際情況是此處容易發(fā)生斷裂，也說明聯(lián)合仿真分析的準(zhǔn)確性。

（3）熔接線附近的強(qiáng)度評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與材料是否含玻纖有關(guān)，還與熔接線匯合角度有關(guān)，仍需要進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)：

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