模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真技術(shù)在汽車塑料件開發(fā)中的應(yīng)用研究

肖永富 于保君 曹正林

（1.中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真 塑料件 模流 輕量化設(shè)計

1 前言

隨著環(huán)境污染日益嚴重，對車輛的排放法規(guī)越來越嚴格，這就要求車輛向節(jié)能與新能源汽車方向發(fā)展，對于傳統(tǒng)燃油車，車身輕量化可以實現(xiàn)節(jié)能減排，對于新能源車，可以增加續(xù)駛里程，所以車身輕量化是解決以上問題的重要途徑之一。近年來，隨著化工行業(yè)的發(fā)展，以塑代鋼成為實現(xiàn)車輛輕量化的重要手段之一。目前，車輛典型的以塑代鋼的零部件有：發(fā)動機罩蓋、翼子板、車門內(nèi)板、輪罩、后背門、進氣歧管、前端框架、發(fā)動機支架等。塑料相比金屬，有著明顯的優(yōu)點，如密度低、抗腐蝕性好、電絕緣性好、自潤滑性好，并且對于汽車零部件來說，成型性好，可以實現(xiàn)造型自由，零部件集成性也較好；當然塑料相比金屬也有一些缺點，例如耐高溫性差、剛度低、制造工藝復雜，成本高[1-2]。

而塑料件的制造涉及高分子材料、流體力學、熱力學、結(jié)構(gòu)設(shè)計等，是一個典型的多學科應(yīng)用場景，這就增加了塑料件制造過程中的復雜性及不可預(yù)見性，借助于CAE（計算機輔助工程）手段可以實現(xiàn)上述過程的模擬仿真，對零件結(jié)構(gòu)、注塑過程流動特性、熱及壓力傳導以及零件的變形情況提前進行預(yù)判，進而可以極大的提高產(chǎn)品的開發(fā)效率及提升產(chǎn)品質(zhì)量，所以，進行模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真的意義變得非常重要。

2 模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真建模技術(shù)

用于模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真的網(wǎng)格可以是殼單元網(wǎng)格、雙層面網(wǎng)格和體單元網(wǎng)格。對于雙層面網(wǎng)格來說，可以體現(xiàn)零部件準確的料厚信息，但為了保證網(wǎng)格匹配率，勢必要丟失一些圓角信息，其特點是計算效率高，計算精度適中；對于體網(wǎng)格來說，其特點是可以體現(xiàn)圓角信息和料厚信息，幾何特征較完整，缺點是網(wǎng)格數(shù)量大，計算成本高；對于殼單元網(wǎng)格來說，其優(yōu)點是網(wǎng)格數(shù)量少，計算效率高，缺點是有一些圓角特征體現(xiàn)不出來，計算精度略低。對于汽車塑料件來說，因為大多數(shù)是薄壁件，符合板殼理論，在做結(jié)構(gòu)分析時，一般都進行殼單元建模，所以為保證模流和結(jié)構(gòu)有限元的一致性，模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真時建議采用殼單元進行建模。當然，現(xiàn)在很多模流與結(jié)構(gòu)映射的軟件都支持體單元向殼單元映射功能，但勢必會損失一定的精度。對于網(wǎng)格劃分技術(shù)，已經(jīng)比較成熟，可以通過一些專用的前處理網(wǎng)格進行建模，有效地提升工作效率，例如莫仲學等提出了利用前處理軟件HyperMesh幫助提升模流建模質(zhì)量和速度[3]。

3 材料特性

塑料件注塑時為流體狀態(tài)，符合流體理論，且塑料為高分子材料，在不同的剪切速率下，其粘度特性會發(fā)生很大的變化，屬于非牛頓流體，所以模流仿真進行材料參數(shù)輸入時，需輸入粘度特性曲線，如圖1所示。此外，熔融狀態(tài)下的塑料件在不同的壓力及溫度下，其體積比容也會發(fā)生較大的變化，所以PVT 特性曲線也需輸入，如圖2所示，熱膨脹系數(shù)、熱屬性也是需要輸入的參數(shù)，對于做模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真來說，翹曲結(jié)果影響很大，所以必須有材料的收縮模型。由于各廠家材料配方會有一定不同，綜合工藝因素等影響，材料的特性會有一定不同，對模擬仿真的精度會有較大的影響，所以強烈建議對仿真用的材料進行測試，獲得真實的材料參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)。Zhiliang Fan等人對模流仿真的模型和材料參數(shù)問題進行了詳細的闡述[4]。

圖1 粘度曲線

圖2 PVT曲線

對于含有纖維的材料，其纖維含量不同，應(yīng)力應(yīng)變曲線會發(fā)生很大的變化，如圖3所示，并且由于纖維的添加，材料特性表現(xiàn)為各向異性，不同角度的應(yīng)力應(yīng)變曲線也會出現(xiàn)很大的差異。

圖3 不同纖維含量應(yīng)力應(yīng)變曲線[5]

對于添加纖維的塑料零部件來說，其微觀特征表現(xiàn)為各方向上纖維張量會隨著位置出現(xiàn)很大的變化，如圖4所示，纖維張量的分布取決于注塑過程的流動特性及冷卻速度。

添加纖維的塑料件，由于其材料模型復雜，需要進行材料本構(gòu)模型的搭建，為達到仿真的高精度，在復合材料建模上需要花費一定的時間，例如張玉麗等人對復合材料進行了多尺度建模，并與傳統(tǒng)建模方法進行了結(jié)果對比，驗證了多尺度建模的可靠性[7]。

圖4 纖維張量分布[6]

4 模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真分析技術(shù)

塑料件注塑過程包括塑化、注塑沖模、保壓、冷卻、取件。利用有限元可以對澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)進行仿真及優(yōu)化設(shè)計，并且模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真可以模擬填充、保壓、冷卻、翹曲工藝成型過程，識別注塑過程中產(chǎn)品潛在的質(zhì)量缺陷，優(yōu)化注射工藝，提高塑料件開發(fā)效率。近年來，模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，如汽車、家電等行業(yè)都得到了大量的應(yīng)用。

模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真與塑料件注塑成型工藝相關(guān)，模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真技術(shù)已開展多年，且已經(jīng)在實際注塑工藝中發(fā)揮了很大的作用，用于指導塑料件產(chǎn)品開發(fā)，并取得了很好的效果。利用模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真技術(shù)可以對澆口形式、澆口數(shù)量、澆口位置以及截面尺寸進行優(yōu)化設(shè)計。米利波等人通過正交試驗?zāi)M對遙控器外殼的澆口位置、數(shù)量和橫截面尺寸進行了優(yōu)化，最終得到了合理的截面尺寸和澆口數(shù)量、位置，并使得遙控器外殼總翹曲量最低[8]。陳曉勇等人利用CAE 技術(shù)對移動電源殼蓋熱流道注射模進行了設(shè)計，針對移動電源殼壁薄且表面質(zhì)量要求高的特點，借助于Moldflow軟件的填充結(jié)果，得到了一種由3個熱開放式噴嘴和16 個潛伏式冷澆口組成的半熱流道系統(tǒng)，既解決了產(chǎn)品填充困難問題，又節(jié)約了材料，提升了成型效率[9]。Sun Bao-fu 等人對手機后蓋兩種澆口形式進行了對比，從填充時間、困氣、熔接線、翹曲四方面進行對比，選出了較優(yōu)的澆口方案[10]。Hanwu Liu 等人對汽車發(fā)動機進氣歧管進行了模流仿真分析，并對澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進行了成型過程參數(shù)優(yōu)化[11]。王鳳等人對保險杠注塑順序閥控制技術(shù)進行了研究，通過合理設(shè)置順序閥開閉時間，消除或大幅降低熔接痕對制件的影響，從而減少試模修模次數(shù)[12]。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，冷水系統(tǒng)的隨形水路應(yīng)運而生，與傳統(tǒng)水路相比，隨形水路具有形狀不受加工條件限制，可以滿足快速且均一冷卻的需求，有著明顯的優(yōu)勢。歷邵等人基于3D 打印技術(shù)，對儀表罩注塑模具隨形冷卻水路進行了設(shè)計，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)冷卻水路相比，隨形冷卻水路方案的冷卻效率最多可提高31.6%，產(chǎn)品驗證試驗表明溫度均勻性最多提高44.6%[13]。

模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真分析已經(jīng)用于指導注塑模具的加工制造，可以有效地提升模具開發(fā)的效率。朱陸林等人申請了基于CAE分析制造的模具發(fā)明專利[14]，袁瑋駿等人申請了基于Moldflow 的汽車盒體件注塑模具制造方法發(fā)明專利[15]。模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真涉及工藝參數(shù)較多，這就導致注塑成型結(jié)果可能受多重因素影響，挖掘出對某一項注塑結(jié)果的最優(yōu)工藝參數(shù)組合尤為重要。如果各因素都進行考慮，進行優(yōu)化分析，試驗矩陣就會非常龐大，計算效率低下，這時候就需要進行合理的試驗矩陣設(shè)計。Ruonan ZHAO 等人采用Moldflow 模流軟件，利用田口試驗法，研究了料溫、模溫、注塑時間、保壓時間和保壓壓力這5個關(guān)鍵因素對填充時間、流動前沿溫度、翹曲變形、體積收縮率的影響，通過方差分析和信噪比結(jié)果得到了每個因素的最優(yōu)水平，并最終組合出了最優(yōu)的工藝參數(shù)[16]。唐西西等人利用正交試驗以及CAE 軟件獲取導致工藝缺陷的注塑工藝參數(shù)權(quán)重以及第一優(yōu)化注塑工藝參數(shù)，基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行工藝參數(shù)優(yōu)化[17]。劉冬梅等以非球面元件為對象，熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、注射速度及冷卻時間為試驗因子，翹曲變形為優(yōu)化目標，結(jié)合PB 篩選試驗及最佳爬坡試驗選取建模中心點，基于響應(yīng)面分析法建立模型，對注射成型工藝進行了優(yōu)化[18]。

近年來，隨著工藝技術(shù)的提高，一些新的注塑工藝已經(jīng)在注塑成型中開始采用，典型的有氣輔成型技術(shù)、水輔成型技術(shù)以及預(yù)變形技術(shù)，這些新的工藝技術(shù)在提升產(chǎn)品質(zhì)量及提高注塑效率上都有著明顯的優(yōu)勢，這些新工藝相應(yīng)地也應(yīng)用了CAE仿真技術(shù)。肖清武等人基于聚合物粘彈性理論與氣體輔助注塑（EGAIM）的特點，構(gòu)建了EGAIM 氣體保壓階段及脫模后自然冷卻階段制品內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變的力學模型。采用耦合有限元法對EGAIM 平板制件的翹曲變形進行模擬計算，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致[19]。張輩欽對抽真空注塑模具的設(shè)計及應(yīng)用進行了研究，重點對抽真空部分及借助保壓補縮階段實現(xiàn)壁厚處填充的注塑工藝，提高注塑周期等技術(shù)要點進行了探索[20]。陳忠仕等人對方管短玻纖增強聚合物水輔注塑成型穿透進行了模擬機試驗方面的研究，基于描述聚合物復合材料的粘彈性方程White-Metzner 及流體動力學3 大控制方程，采用有限體積法（FVM）開發(fā)的軟件對由直線構(gòu)成的方形截面管材短玻璃纖維增強聚合物水輔成型的穿透進行了數(shù)值模擬，并通過試驗進行驗證[21]。王超房等人對基于預(yù)變形的長條狀注塑制品翹曲控制進行了研究，針對長條狀注塑制品比常規(guī)尺寸制品更易變形、變形量更大，且傳統(tǒng)控制變形方法對其作用有限的問題，以典型長條狀制品汽車門板防擦條為例，采用預(yù)變形反補償控制制品翹曲變形，并利用CAE 技術(shù)進行多次預(yù)變形設(shè)計來確定制品最終的預(yù)變形量和預(yù)變形曲線，基于預(yù)變形后的制品設(shè)計圖紙完成了模具設(shè)計和制品制造，生產(chǎn)出了滿足精度要求的制品[22]。

綜上所述，模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真技術(shù)已經(jīng)深入注射成型領(lǐng)域，并指導注射模具開發(fā)，對于工藝參數(shù)的優(yōu)化也已經(jīng)開發(fā)出了各種優(yōu)化算法的應(yīng)用，取得了很好的效果，隨著工藝技術(shù)的進步，近年來，開發(fā)出了氣輔成型、水輔成型、預(yù)變形先進的模擬仿真技術(shù)應(yīng)用。

5 模流結(jié)果映射

進行模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真，需要將模流結(jié)果體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)仿真軟件中，這就需要在模流軟件和結(jié)構(gòu)軟件之間有一個數(shù)據(jù)的傳遞。早期一些接口軟件要求模流和結(jié)構(gòu)共用一套網(wǎng)格，進行一一映射，隨著近年來算法的優(yōu)化，大多數(shù)軟件都不需要網(wǎng)格的一一映射，且大部分都可以實現(xiàn)體單元到殼單元的映射算法，兼容性要好很多。

模流分析軟件可以輸出適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)分析軟件的格式數(shù)據(jù)，但用軟件自帶接口通用性并不好，很多還需要進行文本編輯后才可以導入結(jié)構(gòu)軟件進行求解，難度系數(shù)較大。目前市面上已經(jīng)有從模流到結(jié)構(gòu)的接口軟件，如Digimat、Helius等，可以實現(xiàn)模流結(jié)果到結(jié)構(gòu)軟件的映射。圖5 為Digimat 軟件實現(xiàn)模流軟件到結(jié)構(gòu)軟件的映射圖[5]。

6 模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真技術(shù)

對于汽車塑料零部件，塑料件能不能注塑出來，注塑出來的零部件有沒有產(chǎn)品缺陷，屬于模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真的內(nèi)容，而最終塑料零部件成品的性能怎么樣，安裝后有沒有變形，使用過程中會不會開裂，屬于結(jié)構(gòu)仿真的內(nèi)容，這就需要進行模流-結(jié)構(gòu)的聯(lián)合仿真。模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真難度之所以很大，是因為整個聯(lián)合仿真涉及的環(huán)節(jié)太多，比如有限元模型的簡化影響、材料本構(gòu)模型的一致性、模流仿真的精度等，每一個環(huán)節(jié)的精度都會影響最終的仿真結(jié)果，要想獲得準確的仿真結(jié)果，且保證合適的計算成本，需要綜合去把控每一個環(huán)節(jié)。

圖5 DigimatT模流到結(jié)構(gòu)映射[5]

近年來，已經(jīng)有人在模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真領(lǐng)域做了一些研究，李禮等人申請了一種基于吹塑成型的塑料瓶強度分析方法及應(yīng)用發(fā)明專利[23]，具體結(jié)構(gòu)如圖6 所示，通過對塑料瓶進行模流仿真，將注塑成型的殘余應(yīng)力映射到結(jié)構(gòu)仿真軟件中，采用非線性靜力求解法對塑料瓶強度進行了分析，有助于指導塑料瓶的結(jié)構(gòu)和模具設(shè)計以及工藝參數(shù)的設(shè)定。張立強等人對增強聚丙烯塑性復合材料的汽車前罩進行了模流-結(jié)構(gòu)的聯(lián)合仿真，聯(lián)合仿真結(jié)果和傳統(tǒng)仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比，表明聯(lián)合仿真方法具有更高的精度和可靠性[24]。

圖6 塑料瓶模流-結(jié)構(gòu)強度聯(lián)合仿真[24]

Marc Kanters 等人對塑料短玻纖增強復合材料的疲勞壽命進行了大量的研究[6]。圖7為帶纖維增強塑料疲勞分析的流程圖，共分為五步，第一步對不同纖維方向標準樣條以及帶缺口的樣條（不同纖維方向及不同缺口半徑）進行拉伸和彎曲疲勞試驗，獲得不同交變載荷下的疲勞壽命曲線；第二步對纖維增強塑料進行有限元微觀結(jié)構(gòu)建模，由于材料呈各向異性，標準樣件在拉伸時應(yīng)力并不會在斷面內(nèi)平均分布，所以引入了局部應(yīng)力系數(shù)，通過對比試驗結(jié)果與分析結(jié)果曲線，一致性較好，證明微觀建模方法有效；第三步通過對比分析與試驗結(jié)果，對缺口系數(shù)進行修正，包括不同圓角缺口的修正，需要特別指出的是，缺口系數(shù)對疲勞結(jié)果影響非常大，缺口系數(shù)很小的誤差就會導致疲勞結(jié)果出現(xiàn)很大差異；第四步纖維增強塑料進行注塑模流仿真，并通過微觀CT進行掃描，對比仿真與試驗纖維微觀結(jié)構(gòu)上的一致性，結(jié)果證明一致性較好，證明模流仿真結(jié)果的有效性；第五步進行纖維增強塑料零件級別疲勞壽命分析，同樣在不同的交變載荷下進行，最終分析與試驗結(jié)果對比呈現(xiàn)較好的線性，誤差在10～30 倍以內(nèi)，并最終通過材料卡片進行分析與試驗一致性的修正，修正后的仿真與試驗可以達到很好的一致性。

圖7 纖維增強塑料疲勞分析流程[6]

整體來看，目前對于模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真相關(guān)應(yīng)用開展的相對較少，且需要有大量的試驗數(shù)據(jù)進行支撐，仿真的精度還需要進一步的提升。

7 結(jié)束語

綜上所述，由于輕量化、造型及功能需求以及化工技術(shù)的進步，塑料件在汽車上的應(yīng)用將越來越廣泛，塑料件的性能評估也會越來越重要，而模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真技術(shù)可以有效地提升汽車塑料件的開發(fā)效率。目前模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真國內(nèi)外尚處于起步階段，只有少數(shù)的機構(gòu)做過相關(guān)研究，模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真的流程還需進一步完善，仿真的精度還需要進一步提升。

（1）車身塑料件大多是薄壁件，模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真建模適合采用殼單元進行，在保證分析效率的同時，可以保證模流與結(jié)構(gòu)采用同樣殼單元網(wǎng)格的一致性。此外，為保證建模的精度和效率，可以在專用的前處理軟件中進行建模。

（2）模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真的材料特性至關(guān)重要，材料參數(shù)的輸入直接決定下一步模流分析的精度，進而會影響模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真的精度，所以材料參數(shù)及特性曲線一定要通過真實的試驗測試獲得，并且對于含有纖維的塑料，需要獲取不同纖維方向下的材料特性。

（3）模流仿真分析技術(shù)已經(jīng)很成熟，且已經(jīng)開發(fā)出了針對各種結(jié)果的優(yōu)化技術(shù)，各行業(yè)也積累了大量的經(jīng)驗，下一步工作應(yīng)該結(jié)合試驗結(jié)果，完善數(shù)據(jù)庫及提升仿真的效率和精度。

（4）從模流結(jié)果到結(jié)構(gòu)仿真軟件的映射已經(jīng)有專門的軟件，對于帶有纖維的塑料材料，由于其各向異性，需要進行復合材料的本構(gòu)模型搭建，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，對本構(gòu)模型進行修正，保證材料模型的準確性。

（5）模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真開展工作較少，且需要試驗數(shù)據(jù)的有效支撐，相關(guān)的理論支撐也需要進一步的加強，技術(shù)路線還需迭代和優(yōu)化，但對于模流-結(jié)構(gòu)仿真的需求正在不斷增強，模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真還有大量的工作需要去做。