汽車塑料油底殼注塑成型數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

陳澤中 李鑫 李文傳 李響

摘要：根據(jù)汽車油底殼的結(jié)構(gòu)特征和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則對塑料油底殼進(jìn)行三維造型，并基于Abaqus有限元分析軟件對塑料油底殼的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。結(jié)合塑料油底殼的實(shí)際應(yīng)用情況優(yōu)化出合理的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu);基于Moldflow軟件，運(yùn)用熱流道順序閥的方式對塑料油底殼進(jìn)行注塑成型模擬;通過正交試驗(yàn)分析各順序閥的開啟時間、模具溫度、熔體溫度和注射壓力對塑料油底殼邊翹曲的影響;運(yùn)用極差分析和方差分析對影響塑料油底殼邊翹曲的各因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明，順序閥2的開啟時間對塑料油底殼的邊翹曲影響最顯著，模具溫度次之，且其他因素對邊翹曲也有一定的影響。

關(guān)鍵詞：塑料油底殼;數(shù)值模擬;正交優(yōu)化;翹曲

中圖分類號：TQ 320.662文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

汽車油底殼位于發(fā)動機(jī)底部，主要功能是存儲潤滑油。它是現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，直接與發(fā)動機(jī)相連，承擔(dān)和傳遞來自發(fā)動機(jī)的振動和噪聲。節(jié)能減排是未來汽車發(fā)展的主題之一，以塑代鋼是汽車輕量化技術(shù)發(fā)展的方向。資料顯示，汽車重量每減輕10%，油耗可降低6%-8%。

目前，汽車油底殼主要分為壓鑄鋁（鎂）合金油底殼、鋼制沖壓油底殼、純塑料油底殼和塑料一鋁合金組合結(jié)構(gòu)油底殼。其中，壓鑄鋁（鎂）合金油底殼應(yīng)用廣泛，具有剛度好、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但其存在密度大、外形自由度差、磨具成本高和后期加工工序不足等缺點(diǎn)。鋼制沖壓油底殼質(zhì)量輕，隔音降噪（noise vibration harshness，NVH）性能良好，但其容易出現(xiàn)波紋、皺褶和邊緣拉痕等缺陷，而且沖壓成形工藝會導(dǎo)致材料塑性變形不均勻，往往使某些部位剛性較差。塑料油底殼與金屬油底殼相比，質(zhì)量可以減輕35%-65%，而且具有較高的流動性、良好的耐化學(xué)腐蝕性和耐高、低溫性能;同時，具有質(zhì)量輕、成品不良率低、形狀設(shè)計(jì)自由度高、樣件制作速度快和NVH性能優(yōu)良等特點(diǎn)。

本試驗(yàn)采用杜邦公司的Zytel 80G33L NC010材料（PA66+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%的玻璃纖維），其持續(xù)使用溫度為40-150℃，瞬時高溫可達(dá)200℃?；贛oldflow軟件對材料成型過程中的翹曲進(jìn)行分析，得到合理的成型工藝參數(shù)。

1油底殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1.1塑料油底殼的幾何模型設(shè)計(jì)

油底殼原為鋼制沖壓油底殼，現(xiàn)用塑料作為油底殼的材料，選擇Zytel 80G33L NC010材料，產(chǎn)品最大外形尺寸為260mmx220minx43mm，平均厚度為3mm。鋼制沖壓油底殼原件照片和塑料油底殼的幾何模型圖如圖1所示。

塑料制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)，與金屬制件的設(shè)計(jì)原則有明顯的區(qū)別，塑料制件的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖2中b=（0.60-0.75）a，c≥3.00a，d=（2.50-3.00）a（若需要更高的強(qiáng)度，需加上額外的肋），e≧0.25a，f=單邊最少0.5°傾斜。

為了最大限度地提高塑料油底殼的力學(xué)性能，選取a=3mm，b=2.2mm，c=9mm，d=9mm，e=1mm，f=單邊1°，且按照加強(qiáng)筋伸展方向應(yīng)跟產(chǎn)品最大應(yīng)力和最大偏移量方向一致的原則，設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。

1.2塑料油底殼的受力分析

根據(jù)上述塑料油底殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于Abaqus有限元分析軟件對塑料油底殼進(jìn)行靜力分析，研究其在一定表面載荷下，塑料油底殼的變形情況，優(yōu)化加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。其中施加在制件上的表面載荷大小隨時間的變化曲線如圖3所示。

圖4是塑料油底殼的應(yīng)力和位移分布云圖，其中變形縮放系數(shù)為10。由圖4可知，塑料油底殼的最大應(yīng)力位置分布在圓形過渡和中間平面加強(qiáng)筋區(qū)域，而位移最大的位置位于中間加強(qiáng)筋區(qū)域。所以，對于中間部分選取中間灰色部分的點(diǎn)為研究對象，繪制其受力情況下最大位移節(jié)點(diǎn)的位移一時間曲線，結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，塑料油底殼中間面最大位移達(dá)到6mm，塑料油底殼的變形可能會導(dǎo)致其與已安裝部件發(fā)生干涉，所以加強(qiáng)筋的強(qiáng)度不符合要求，必須對加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1.3塑料油底殼加強(qiáng)筋的優(yōu)化

由圖4塑料油底殼的受力分析結(jié)果可知，塑料油底殼的最大位移出現(xiàn)在X軸方向。通過添加一根Y軸方向的加強(qiáng)肋來減少X軸方向的位移，從而達(dá)到提高其力學(xué)性能的目的，加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

圖6（a）是在加強(qiáng)筋中間加入一根加強(qiáng)肋后的結(jié)構(gòu)圖，圖6（b）是考慮到車輛后期保養(yǎng)廢油的排放需要，在加入加強(qiáng)肋的同時使加強(qiáng)筋與水平方向呈一定角度（角度為5°）。優(yōu)化后的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)最大位移節(jié)點(diǎn)的位移一時間曲線如圖7所示。

由圖7中的最大位移節(jié)點(diǎn)位移一時間曲線結(jié)果可知，兩種優(yōu)化后的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)在同等受力情況下最大位移節(jié)點(diǎn)的位移都約為4.8mm，與原始設(shè)計(jì)圖1相比，其力學(xué)性能得到明顯改善。同時結(jié)合塑料油底殼的實(shí)際應(yīng)用情況，選擇與水平方向呈一定角度的加強(qiáng)筋優(yōu)化結(jié)構(gòu)為最終結(jié)構(gòu)類型。

根據(jù)塑料油底殼加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)原則，塑料油底殼與鋼制油底殼的加強(qiáng)筋有明顯區(qū)別，增高的塑料加強(qiáng)筋不僅可以起到增加塑料油底殼剛度的作用，而且可以增加油底殼中油液的阻尼作用，減少油液晃動產(chǎn)生的噪音，增強(qiáng)NVH性能。為了進(jìn)一步減少塑料油底殼的成型難度，在塑料幾何模型上沒有直接設(shè)計(jì)安裝孔，而是選擇在成型后另行加工。

2塑料油底殼注塑成型的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬前處理

將UG三維造型軟件設(shè)計(jì)的塑料油底殼模型導(dǎo)人Moldflow軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分選擇雙層面網(wǎng)格，全局邊長為1 mm，采用一模一腔注射方式。塑料油底殼網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示。

2.2塑料油底殼的注塑成型條件

選擇注塑件材料為Zytel 80G33L NC010，基本性能如表1所示。考慮到塑料油底殼材料中含有玻璃纖維，成型難度較高，所以選擇熱流道注塑成型的方式。

采用熱流道順序閥注塑方式不僅可以保證玻璃纖維在塑料油底殼中取向的一致性，還可以優(yōu)化熔接痕，使塑料油底殼具有更好的力學(xué)性能。所以為了更好地控制和減少零件的翹曲，考慮采用順序閥。設(shè)置順序閥1，2，3，4，5，6，7的準(zhǔn)確開啟時間為0，1.6，2.7，2.2，2.7，2.1和2.3s，注塑壓力為100MPa，模具溫度為85℃，熔體溫度為290℃。模型的澆口分布情況如圖8所示。

2.3模擬結(jié)果

根據(jù)塑料油底殼的實(shí)際應(yīng)用情況，主要研究塑料油底殼在Z軸方向的翹曲變形值，且以正負(fù)方向翹曲值差值的絕對值作為總翹曲值指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，塑料油底殼在Z軸方向的總翹曲值約為1.75mm。各因素引起的翹曲值如圖9所示，其中由收縮不均產(chǎn)生的翹曲值為0.62mm，由冷卻不均產(chǎn)生的翹曲值為1.18x10^-5mm，由纖維取向產(chǎn)生的翹曲值為1.19mm，因此纖維取向引起的翹曲值將作為分析的主要指標(biāo)。

塑料油底殼的數(shù)值模擬結(jié)果如圖10所示。在實(shí)際應(yīng)用中，塑料油底殼各邊具有一定的配合關(guān)系，所以塑料油底殼的邊將成為翹曲的主要研究對象。從圖10中可以看出，塑料油底殼邊翹曲值一致，未出現(xiàn)波浪形，這滿足塑料油底殼后期裝配的要求，且為后期通過模具改進(jìn)優(yōu)化油底殼結(jié)構(gòu)提供了便利。

3正交試驗(yàn)

3.1 正交試驗(yàn)的建立

從圖9的分析結(jié)果可以看出，纖維取向是引起塑料油底殼翹曲的主要指標(biāo)，所以，將塑料油底殼由纖維取向引起的邊翹曲作為試驗(yàn)指標(biāo)，研究各工藝參數(shù)對塑料油底殼成型的影響。選用正交表1₃₂（4⁹），各參數(shù)水平分布見表2。

3.2模擬結(jié)果分析

3.2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表3所示，通過試驗(yàn)結(jié)果研究工藝參數(shù)對塑料油底殼成型的影響規(guī)律及重要性。

3.2.2極差分析

只為極差，表示各因素水平對試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，極差越大，說明該列因素的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化會導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)在數(shù)值上的更大變化。試驗(yàn)所得邊翹曲值極差分析如表4所示，邊翹曲隨因素水平的變化趨勢如圖11所示。由表4和圖11可知，影響塑料油底殼裝配邊翹曲的因素次序?yàn)椋篟_A>R_G>R_F>R_H>R_C=R_B=R_D=R_E=R_T。在這9個工藝參數(shù)中，順序閥2的開啟時間是主要因素，隨著開啟時間的延遲，邊翹曲值明顯增加。模具溫度是次要因素，隨著模具溫度的升高，邊翹曲值也出現(xiàn)了增加的現(xiàn)象。其他7個因素對塑料油底殼邊翹曲也有一定的影響，但影響相對較小。

3.2.3方差分析

極差分析具有簡單直觀、計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)，但不能估算誤差的大小，也無法精確地估計(jì)各因素對試驗(yàn)結(jié)果影響的重要程度，因此需要對試驗(yàn)結(jié)果引入方差分析來彌補(bǔ)極差分析的不足。邊翹曲值的方差分析如表5所示。

偏差平方和反映了因素水平改變對試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，貢獻(xiàn)率表示該因素的偏差平方和占總偏差的百分比，貢獻(xiàn)率大小說明不同因素對該指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度即影響程度。方差分析結(jié)果與極差分析結(jié)果基本一致。順序閥2的開啟時間對塑料油底殼的邊翹曲產(chǎn)生較大的影響，其中順序閥2的開啟時間和模具溫度對塑料油底殼裝配工藝邊翹曲的貢獻(xiàn)值之和為72.91%。

3.2.4結(jié)果分析

通過正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)順序閥2，3，4，5，6，7的開啟時間為1.6，2.8，2.3，2.8，2.3和2.2s，模具溫度為80℃，熔體溫度為290℃，注射壓力為100MPa時，塑料油底殼的裝配邊翹曲值達(dá)到最小0.68mm。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，塑料油底殼的邊翹曲值隨著順序閥2開啟時間的延后顯著增大，同時隨著模具溫度的升高邊翹曲值也有一定的增大現(xiàn)象。對于順序閥2來說，開啟的時間至關(guān)重要，順序閥2的開啟時間過早或過晚，都會使塑料油底殼中的纖維取向發(fā)生紊亂，增大邊翹曲值。開啟時間過早可能會形成熔接痕，影響塑料油底殼的力學(xué)性能。隨著模具溫度的升高，熔體的流動速度增加，使得塑料表層的取向程度較高，塑料的中心層取向比較復(fù)雜，既有與充模方向一致的取向結(jié)構(gòu)，也有垂直于充模方向的取向結(jié)構(gòu)。同時由于模具溫度的升高，使得層與層之間的剪切力降低，最終導(dǎo)致了塑料油底殼整體的纖維取向程度下降，邊翹曲值增大。

4結(jié)論

（1）對于各種加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)而言，選擇加強(qiáng)筋與水平方向呈5°，且中間添加加強(qiáng)肋的方式為最終結(jié)構(gòu)。它不僅滿足剛度要求，還有利于后期保養(yǎng)油液的排放。

（2）在影響塑料油底殼邊翹曲的幾個因素中，纖維取向的影響最大，為主要影響因素。

（3）順序閥2的開啟時間對塑料油底殼的邊翹曲影響顯著，模具溫度次之，而注射壓力的影響最小，其他因素也有一定的影響。