基于聯(lián)合仿真分析的復(fù)合材料尾門輕量化設(shè)計

柏宏 劉晶 彭丹 庫才旗

摘 要：復(fù)合材料的應(yīng)用是實現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑之一。目前常用的結(jié)構(gòu)仿真軟件的材料模型無法準(zhǔn)確表達復(fù)合材料零件各向異性的特性，為提高復(fù)合材料尾門仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文基于Moldflow，Digimat和Abaqus的聯(lián)合仿真方法，進行復(fù)合材料尾門的輕量化設(shè)計。將聯(lián)合仿真和傳統(tǒng)仿真的結(jié)果與通過試驗獲得的結(jié)果進行對比分析，精度有了顯著的提升，驗證了聯(lián)合仿真技術(shù)的可靠性。

關(guān)鍵詞：尾門 復(fù)合材料 聯(lián)合仿真 輕量化

1 引言

隨著能源短缺、環(huán)境污染等問題的日益突出，汽車輕量化技術(shù)勢在必行。世界鋁業(yè)協(xié)會的報告指出，汽車的自身重量每減少10%，燃油的消耗可降低6%～8%[1]。汽車輕量化技術(shù)可以分為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、輕量化材料的應(yīng)用和先進制造工藝3個主要方面[2]。其中，纖維增強復(fù)合材料替代傳統(tǒng)鋼制件實現(xiàn)輕量化的開發(fā)成為汽車行業(yè)的新熱點之一。汽車的輕量化最終要分解落實到相關(guān)零部件的輕量化[3]。尾門結(jié)構(gòu)是汽車的大型覆蓋件之一，在車身質(zhì)量中占有較大比重。因此，將纖維增強復(fù)合材料用于尾門設(shè)計是實現(xiàn)尾門輕量化的重要途徑。

復(fù)合材料的使用給仿真分析帶來一定困難。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)仿真方法是假設(shè)材料是各向同性或正交各向異性，通過材料測試得到材料的力學(xué)特性，然后建立有限元模型進行仿真分析[4]。然而，復(fù)合材料呈現(xiàn)明顯的各向異性特性，現(xiàn)存結(jié)構(gòu)仿真軟件的材料本構(gòu)模型無法準(zhǔn)確表達。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產(chǎn)生殘余應(yīng)力、熔接線和纖維取向[5]。若結(jié)構(gòu)分析時沒有充分考慮這些對產(chǎn)品性能的影響，最后得到的分析結(jié)果會偏離實際。換句話說，仿真失去了意義。為有效避免該問題，聯(lián)合仿真成為必然選擇。高曉東等人[6]對成型后的全塑輪胎進行聯(lián)合仿真分析，研究注射模具澆口的最優(yōu)化設(shè)計。張立強等人[7]建立復(fù)合材料汽車前罩的多尺度聯(lián)合仿真模型進行剛度仿真，驗證了聯(lián)合仿真方法具有更高精度。

本文基于Moldflow-Digimat-Abaqus聯(lián)合仿真技術(shù)，以汽車復(fù)合材料尾門為研究對象，首先進行模流分析模擬其注塑成型過程，預(yù)測產(chǎn)品填充時間、流動前沿溫度、熔接線位置以及纖維取向等，然后將其映射到相應(yīng)的有限元模型開展結(jié)構(gòu)分析，實現(xiàn)對復(fù)合材料尾門更加真實可靠的仿真。

2 聯(lián)合仿真方法

傳統(tǒng)仿真方法假設(shè)材料呈均勻化分布，這樣得到的材料屬性與實際情況不符，甚至存在很大偏差，最后獲得的仿真結(jié)果無法有效對產(chǎn)品的實際設(shè)計與生產(chǎn)發(fā)揮指導(dǎo)性作用。隨著復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于汽車配件的制造，傳統(tǒng)仿真在精度方面已不能滿足復(fù)合材料研究需求，聯(lián)合仿真成為必然選擇。

目前的聯(lián)合仿真方法主要如下：（1） Autodesk公司的Simulation Mechanical軟件與Moldflow軟件可以實現(xiàn)無縫對接;（2）使用Moldex3D軟件進行模流分析，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[8]。

本文所采用的聯(lián)合仿真技術(shù)是基于模流分析軟件Moldflow、材料建模平臺Digimat以及結(jié)構(gòu)性能分析軟件Abaqus的現(xiàn)代仿真技術(shù)，從微觀上纖維取向與分布對復(fù)合材料尾門宏觀上的力學(xué)性能有顯著影響的角度出發(fā)，綜合考慮了材料的各向異性特性、注塑成型工藝等因素進行復(fù)合材料尾門的輕量化設(shè)計。復(fù)合材料尾門聯(lián)合仿真流程如圖1所示，首先將尾門的三維模型導(dǎo)入Moldflow中，劃分工藝仿真網(wǎng)格，并模擬其注塑成型工藝過程，獲得尾門纖維分布及方向信息。然后由于工藝仿真網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格有較大差異，應(yīng)用Digimat-MAP模塊將纖維方向數(shù)據(jù)映射至Abaqus結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格，獲得帶有纖維分布和方向信息的結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格，映射后結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格中的數(shù)值越大表示該位置處纖維方向的一致性越好。同時，通過Digimat-MF模塊建立復(fù)合材料各向異性材料模型，包含纖維質(zhì)量分數(shù)、基體與纖維混合情況等信息，獲得不同纖維方向下的材料屬性。最后應(yīng)用Abaqus對復(fù)合材料尾門進行結(jié)構(gòu)性能的有限元仿真。

Digimat使用均勻化方法獲得尾門不同位置處的各向異性材料特性。該方法通過代表性體積單元RVE（Representative Volume Element）建立宏觀與微觀間的聯(lián)系[9]。第一步，基于Mori-Tanaka理論生成由相同纖維構(gòu)成的顆粒。第二步，通過Voigt模型，得到RVE的等效材料屬性。

3 尾門內(nèi)板模流分析

尾門一般分為內(nèi)板、外板、加強板3部分[10]。其中，加強板是金屬件，外板填充物是滑石粉，只有內(nèi)板是填充長玻纖，所以只有內(nèi)板才需考慮材料的各向異性特性，故首先進行尾門內(nèi)板模流分析。

3.1 分析前處理

通過軟件UG建立尾門內(nèi)板的三維模型，如圖2所示，將其導(dǎo)入軟件Moldflow并劃分工藝仿真網(wǎng)格，如圖3所示。網(wǎng)格最大縱橫比小于6，滿足模擬分析要求。

尾門內(nèi)板材料選用Chisso Petrochemical公司的PP+LGF30（聚丙烯+30%長玻璃纖維）。注塑成型工藝會直接影響尾門內(nèi)板的成型質(zhì)量，根據(jù)制品要求與材料屬性，設(shè)置工藝參數(shù)：模具表面溫度為45℃，熔體溫度為265℃，當(dāng)控制條件充填體積達到99%時進行速度/壓力切換，填充壓力為100MPa，保壓控制條件為以80%以上充填壓力持續(xù)10s。其余參數(shù)采用Moldflow系統(tǒng)默認值。

3.2 模擬結(jié)果分析

當(dāng)熔體前沿以近似相等的時間到達型腔的各個末端被視為良好的填充過程，而且填充時間決定了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。填充時間分析結(jié)果如圖4所示，充填時間大約1.937秒，整體填充順暢。

注塑成型過程中，熔體流動前沿溫度反映了制品溫度分布的合理性。溫差越小，成型質(zhì)量越好。流動前沿溫度分析結(jié)果如圖5所示，產(chǎn)品大表面料流動前沿溫度比較均勻，最高溫和最低溫相差1.7℃，滿足要求。

注塑件的收縮行為會影響產(chǎn)品的最終尺寸和形狀。體積收縮率分析結(jié)果如圖6所示，體積收縮整體較均衡，集中在3%～6%，僅在澆口位置附近產(chǎn)品的體積收縮率相對較大，應(yīng)注意加強冷卻，及增加保壓時間。

注塑成型過程中，由于澆口位置的不同，熔體從各澆口流向同一位置時流向不同會產(chǎn)生纖維取向不一致的問題。這會影響材料各向異性特性，并導(dǎo)致制品不同區(qū)域的材料性能差別很大。纖維取向結(jié)果如圖7所示。

其余一些分析結(jié)果如下：注塑最大壓力應(yīng)低于60MPa，產(chǎn)品填充的最大注塑壓力為37.04Mpa，壓力適中，適合生產(chǎn);最大鎖模力為2186T，鎖模力不應(yīng)超過注塑機的最大鎖模力7000t，滿足要求;在筋位，卡口，熔接線處存在困氣現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)措施改善排氣，以加強其流動性;兩股料流交匯處會產(chǎn)生熔接線，熔接線會影響成品的整體性。應(yīng)避免在應(yīng)力集中處，同時盡量增大熔接線匯合角;分析結(jié)果顯示產(chǎn)品變形較均勻，局部變形相對較大，注意在實際成型時要加強冷卻，通過后續(xù)分段保壓能很大的改善產(chǎn)品的變形量。

4 尾門性能分析

4.1 分析前處理

通過Digimat軟件中的MF模塊建立30%玻纖增強聚丙烯復(fù)合材料模型，并通過Digimat軟件中的Map模塊將尾門模流分析所獲得的纖維取向與分布信息映射到Abaqus結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格中，實現(xiàn)不同類型網(wǎng)格之間的信息變換。再通過Abaqus軟件中的Digimat模塊將材料模型和模流分析結(jié)果同時導(dǎo)入[11]。最后，利用Digimat軟件中的CAE功能使Moldflow、Digimat以及Abaqus連接起來，通過非線性多維模擬準(zhǔn)確仿真尾門的橫向剛度。

如圖8所示，尾門橫向剛度有限元模型的約束方式是： 鉸鏈車身側(cè)安裝孔約束六個方向自由度（即完全約束），鎖芯約束Z方向移動自由度。加載條件是：鎖芯加載Y向500N作用力。分析結(jié)果讀取加載點Y向最大加載位移和卸載位移。

4.2 仿真結(jié)果分析

聯(lián)合仿真與常規(guī)仿真得到的尾門橫向剛度分析結(jié)果如圖9所示。同時，為驗證聯(lián)合仿真技術(shù)的可靠性，將聯(lián)合仿真與常規(guī)仿真得到的分析結(jié)果與通過試驗獲得的結(jié)果進行對比分析，結(jié)果如表1所示。

試驗中，加載點Y向最大加載位移為45.48mm。橫向剛度聯(lián)合仿真分析中，最大加載位移為38.46mm，是試驗結(jié)果的84.56%。橫向剛度常規(guī)仿真分析中，最大加載位移為24.09mm，是試驗結(jié)果的52.97%。對比聯(lián)合仿真和常規(guī)仿真的分析結(jié)果，可知聯(lián)合仿真的分析結(jié)果更具有有效性和可靠性。這是因為傳統(tǒng)仿真過程中，材料屬性默認為均勻化分布，而聯(lián)合仿真充分考慮尾門材料的各向異性特性，使得材料屬性更加接近真實材料。

5 總結(jié)

本文在考慮材料各向異性影響情況下，基于聯(lián)合仿真技術(shù)對復(fù)合材料尾門進行橫向剛度仿真，并將聯(lián)合仿真結(jié)果和傳統(tǒng)仿真方法得到的結(jié)果與通過試驗獲得的結(jié)果進行對比分析，獲得以下結(jié)論：

（1）基于Moldflow-Digimat-Abaqus的聯(lián)合仿真技術(shù)對復(fù)合材料尾門橫向剛度進行仿真，可以考慮復(fù)合材料各向異性對尾門橫向剛度結(jié)果的影響;

（2）橫向剛度聯(lián)合仿真分析中，最大加載位移為38.46mm，是試驗結(jié)果的84.56%。橫向剛度常規(guī)仿真分析中，最大加載位移為24.09mm，是試驗結(jié)果的52.97%。這說明復(fù)合材料注塑成型過程中，微觀纖維取向及分布情況是制品宏觀力學(xué)性能的關(guān)鍵因素;

（3）使用聯(lián)合仿真分析方法對復(fù)合材料進行仿真分析所得到的結(jié)果更具有效性和可靠性，這為復(fù)合材料產(chǎn)品的性能預(yù)測提供了重要的參考價值和現(xiàn)實意義。

柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃（柳科計字2017第19號）資助項目。項目名稱：汽車?yán)w維增強塑料覆蓋件設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)（2017AA10104）。

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