基于Moldflow 的保險(xiǎn)杠開(kāi)發(fā)研究

王云宗

（廣汽三菱汽車有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410100）

隨著樹(shù)脂行業(yè)不斷的創(chuàng)新和發(fā)展， 塑料產(chǎn)品在當(dāng)代社會(huì)非常普及。 為實(shí)現(xiàn)車輛減重和燃油排放要求， 對(duì)于汽車的用材， 各汽車生產(chǎn)廠商有意用樹(shù)脂材料替代金屬材料。從上世紀(jì)90年代開(kāi)始， CAE技術(shù)的運(yùn)用日趨成熟， 目前汽車行業(yè)使用Moldflow軟件進(jìn)行保險(xiǎn)杠的成型性能分析， 從而識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)并迅速制定對(duì)策， 有效降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用和縮短開(kāi)發(fā)周期。

1 保險(xiǎn)杠產(chǎn)品分析

1.1 材料物理性能

根據(jù)成本、 開(kāi)發(fā)周期和交貨周期確認(rèn)基本的備用材料，然后再根據(jù)此保險(xiǎn)杠造型特點(diǎn)， 選擇收縮率較低、 流動(dòng)性較好的聚丙烯 （PP）， 為保證有良好柔韌性， 加入適量的橡膠體 （EPDM） 和滑石粉 （TD20）。 考慮到高分子聚合物的合成、 加工及使用過(guò)程中， 其壓力（P）-體積（V）-溫度（T）關(guān)系對(duì)高分子材料加工條件和性能有很大影響， 所以需要對(duì)材料的粘度 （圖1） 和PVT屬性 （圖2） 進(jìn)行確認(rèn)。

圖1 粘度曲線

圖2 PVT曲線

1.2 厚度

因保險(xiǎn)杠為汽車產(chǎn)品的外觀面， 既要滿足整車造型的要求， 又要求產(chǎn)品有優(yōu)質(zhì)的外觀品質(zhì)， 產(chǎn)品的表面不得有劃傷、 縮痕、 飛邊、 翹曲變形等不良缺陷。 保險(xiǎn)杠的厚度不僅關(guān)乎外觀品質(zhì)問(wèn)題， 還影響到保險(xiǎn)杠的成本。 保險(xiǎn)杠的材料成本往往占總成本的40%， 使用薄壁塑件能大大降低塑件的用料成本， 同時(shí)還能縮短注塑成型時(shí)的冷卻時(shí)間，降低生產(chǎn)工時(shí)， 提高生產(chǎn)效率。 為實(shí)現(xiàn)上述要求， 選擇保險(xiǎn)杠基本厚度為2.2mm。

1.3 工藝分析

因保險(xiǎn)杠尺寸較大， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 注塑成型時(shí)采用一模一出結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 為保證車輛整體造型的統(tǒng)一， 通常會(huì)對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行涂裝、 涂裝加蝕紋相結(jié)合的表面處理工藝。 為保證外觀品質(zhì)， 需要保險(xiǎn)杠有良好的注塑成型品質(zhì)和涂裝品質(zhì)， 尤其是注塑成形中的隱性不良缺陷會(huì)因涂裝時(shí)的高溫烘烤而顯現(xiàn)。

2 模流分析模型的建立

2.1 前處理

在利用Moldflow進(jìn)行分析之前， 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因網(wǎng)格劃分的品質(zhì)將會(huì)影響到后續(xù)分析的準(zhǔn)確度， 因此需要進(jìn)行多次的反復(fù)修改。 本次保險(xiǎn)杠采用雙層面創(chuàng)建模型，網(wǎng)格數(shù)量為461042， 平均縱橫比為2.32， 單元匹配率為89.2%， 保證分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。 前處理模型如圖3所示。

圖3 前處理模型

2.2 澆口和流道的選擇

對(duì)于注塑產(chǎn)品而言， 澆口和流道的選擇是獲得合格產(chǎn)品的關(guān)鍵。 保險(xiǎn)杠尺寸大， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 為保證產(chǎn)品有良好的外觀品質(zhì)， 實(shí)現(xiàn)進(jìn)膠順暢， 減少模具內(nèi)應(yīng)力， 采用15個(gè)點(diǎn)進(jìn)膠， 6 道順序閥進(jìn)行填充 （G1-G2G3-G4G5G6G7-G8G9-G10G11-G12G12G14G15）， 采用形狀為T型， 膠口位置放側(cè)方的方式澆注塑膠。 大寬邊為15mm， 高度為1.2mm；短寬邊為8mm， 高度為8mm。 熱流道管ψ6mm。 流道和澆口如圖4所示。

圖4 流道和澆口

2.3 工藝參數(shù)的設(shè)置

模具表面溫度設(shè)置為40℃±2℃， 熔體溫度設(shè)置為220℃±3℃， 注塑溫度為117℃。 保壓時(shí)間和冷卻時(shí)間根據(jù)Moldflow系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)定。

3 模流填充分析

填充分析主要確認(rèn)材料能否在注塑過(guò)程中填充滿型腔，填充過(guò)程中能否保證模具內(nèi)部的平衡， 并根據(jù)填充的狀態(tài)判定模具的結(jié)構(gòu)、 注塑設(shè)備及成型工藝參數(shù)是否合理。

3.1 填流時(shí)間分析

填流時(shí)間指材料注滿模具型腔所需時(shí)間。 通過(guò)Moldflow的分析， 產(chǎn)品的注塑時(shí)間為7.2s， 產(chǎn)品在成型過(guò)程中沒(méi)有堵塞。 平衡充模， 保險(xiǎn)杠的各個(gè)遠(yuǎn)端亦在同一時(shí)刻充滿。填流時(shí)間模型如圖5所示。

圖5 填流時(shí)間模型

3.2 壓力分析

由于壓力會(huì)影響到模具內(nèi)部的穩(wěn)定， 一般都會(huì)要求各型腔壓力盡可能均勻。 從圖6可見(jiàn)， 保險(xiǎn)杠在填充時(shí)， 注塑及型腔最大壓力分別為60.13MPa和57.74MPa， 壓力分布較均勻。 保險(xiǎn)杠結(jié)束填充時(shí)， 壓力分布是均勻的， 沒(méi)有突變壓力現(xiàn)象。 如圖7所示。

圖6 注塑壓力

圖7 型腔壓力

3.3 流動(dòng)前沿溫度分析

流動(dòng)前沿溫度指的是前鋒流溫度， 因前鋒溫度與產(chǎn)品品質(zhì)有較大關(guān)系， 因此合理的前沿溫度應(yīng)該是均勻分布的。還有前鋒溫度和剪切速率， 從圖8可分析出流動(dòng)前沿到達(dá)位于有限元中心的指定點(diǎn)時(shí)聚合物的溫度200℃， 流動(dòng)前沿主體溫度在材料允許范圍內(nèi) （134.0~211.5℃）。

圖8 流動(dòng)前沿溫度

3.4 剪切速率分析

因剪切速率與表觀粘度的關(guān)系對(duì)注塑時(shí)間有較大影響，所以需要分析剪切速率。 從分析結(jié)果顯示最大剪切速率值89942 1/s （圖9澆口處） 在材料允許范圍 （最大剪切速率為100000 1/s） 內(nèi)， 對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)不會(huì)有影響。

圖9 剪切速率

3.5 注塑設(shè)備分析

為確認(rèn)注塑設(shè)備能夠滿足要求， 確認(rèn)其注塑壓力和鎖模力， 通過(guò)分析可知在5.75s時(shí)達(dá)到最大68MPa。 壓力小于注塑設(shè)備壓力的70% （140MPa×70%=98MPa）， 見(jiàn)圖10。 鎖模力最大為2800T， 小于注塑設(shè)備鎖模力 （3000T）， 見(jiàn)圖11。

圖10 注塑壓力

圖11 鎖模力

3.6 產(chǎn)品品質(zhì)分析

凍結(jié)層因子反映的是產(chǎn)品的凝固順序， 從分析結(jié)果（圖12） 上看， 產(chǎn)品基本依次凍結(jié)。 熔接線指的是兩股料流匯聚區(qū)域因材料熱量損失， 融合處所產(chǎn)生的痕跡。 從分析結(jié)果 （圖13） 可看出熔接線形成時(shí)的熔體溫度高于料溫的最低溫， 可保證保險(xiǎn)杠形成品質(zhì)較好的熔接線。

圖12 凍結(jié)層因子

圖13 熔接線

3.7 氣穴分析

因材料從各個(gè)方向流向同一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)就會(huì)形成氣穴。從分析結(jié)果 （圖14） 可看出， 氣穴都位于分型面時(shí)， 氣體可以排出， 產(chǎn)品不會(huì)有氣穴發(fā)生的地方。

圖14 氣穴分析

3.8 體積收縮率分析

體積收縮率指的是過(guò)渡區(qū)域的體積收縮差值， 此產(chǎn)品的差異小于5%， 表示該產(chǎn)品收縮均勻。 如圖15所示。

圖15 體積收縮率分析

3.9 變形分析

根據(jù)分析的結(jié)果 （圖16~圖19）， 確認(rèn)產(chǎn)品的整體變形最大為13.11mm， X方向的變形為6.325mm， Y方向的變形為10.51mm， Z方向的變形為6.912mm， 保險(xiǎn)杠產(chǎn)品的總體變形符合生產(chǎn)的要求。

圖16 整體變形分析

圖17 X方向分析

圖18 Y方向分析

圖19 Z方向分析

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于注塑的流動(dòng)理論， 通過(guò)Moldflow軟件完成了對(duì)保險(xiǎn)杠產(chǎn)品的注塑成型有限元分析， 建立保險(xiǎn)杠有限元分析的基本流程。

從模流分析結(jié)果確認(rèn)了產(chǎn)品的成型條件、 注塑設(shè)備，為獲得最優(yōu)的注塑壓力、 保壓時(shí)間、 填充時(shí)間等工藝參數(shù)提供了重要的理論依據(jù)。

確認(rèn)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 模具設(shè)計(jì)的合理性。 降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的潛在失效并大大縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和開(kāi)發(fā)成本。