探究聯(lián)合仿真在汽車(chē)電子節(jié)溫器零部件模具開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

上海依工塑料五金有限公司 楊華榮

在目前汽車(chē)零部件發(fā)過(guò)過(guò)程，需要經(jīng)過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì).模具設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)室各種環(huán)境試驗(yàn)臺(tái)裝機(jī)實(shí)驗(yàn)，再到定型生產(chǎn)，一般需要二到三年的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證周期，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，零部件模具開(kāi)發(fā)的過(guò)程已經(jīng)充分利用了模流技術(shù)，模具開(kāi)發(fā)質(zhì)量有了明顯提高，但是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和塑件模具開(kāi)發(fā)還是有明顯的斷層，一旦產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或模具結(jié)構(gòu)考慮不周導(dǎo)致塑件強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)需求，會(huì)導(dǎo)致模具開(kāi)發(fā)延遲或者推倒重來(lái)，嚴(yán)重影響整個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)進(jìn)度；隨著主機(jī)廠(chǎng)車(chē)型的更新?lián)Q代速度加快，對(duì)汽車(chē)零部件廠(chǎng)提出了縮短開(kāi)發(fā)周期硬性要求；本文以研究結(jié)構(gòu)仿真（Nastran in-cad）和注塑仿真（Moldflow）聯(lián)合（Helius-PFA）應(yīng)用為研究對(duì)象，為更貼近現(xiàn)實(shí)的仿真技術(shù)應(yīng)用及模具開(kāi)發(fā)提出可參考借鑒的方法及使用流程。

隨著汽車(chē)主機(jī)廠(chǎng)加快車(chē)型的更新速度，對(duì)零部件行業(yè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)提出了縮短開(kāi)發(fā)周期及降低開(kāi)發(fā)成本等硬性要求，同時(shí)對(duì)零部件的安全可靠性要求不僅沒(méi)降低反而提出了更高層次的標(biāo)準(zhǔn)和要求。對(duì)于汽車(chē)零部件行業(yè)廠(chǎng)家來(lái)說(shuō)，只有結(jié)合利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，才能為汽車(chē)主機(jī)廠(chǎng)提供可靠穩(wěn)定的產(chǎn)品，積極促進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，全面提高管理及技術(shù)水平。因此，為了更好地滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)發(fā)展需要，本文基于Moldflow注塑仿真和Nastran結(jié)構(gòu)仿真聯(lián)合應(yīng)用在節(jié)溫器零部件產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上，著重研究PPS含玻纖材料在注塑熔接線(xiàn)處的強(qiáng)度分析，提前預(yù)測(cè)產(chǎn)品注塑后可能導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)中的失效風(fēng)險(xiǎn)，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間及降低開(kāi)發(fā)成本。

1 產(chǎn)品3D的前處理

圖1為節(jié)溫器的一個(gè)部件，在節(jié)溫器中有聯(lián)通冷卻液管道及密封作用。

圖1 節(jié)溫器部件圖

產(chǎn)品有一圈細(xì)小的圓角結(jié)構(gòu)及爛面，最新版的Moldflow因?yàn)榧嫒菪院軓?qiáng)取消了CADdoctor模塊，如果單做模流分析可以不用處理產(chǎn)品3D，進(jìn)入Moldflow界面劃分網(wǎng)格，如果網(wǎng)格無(wú)缺陷且縱橫比滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，就可以直接進(jìn)行分析；考慮到nastran in-cad網(wǎng)格能力較弱，如果模型不進(jìn)行前處理可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格劃分失??；因此需要利用UG軟件去除微小圓角及修復(fù)爛面，直至幾何體檢查通過(guò)為止。

2 Moldflow注塑仿真分析

Moldflow分析產(chǎn)品在注塑整個(gè)過(guò)程中的潛在缺陷及工藝建議，包含注塑時(shí)間、注塑壓力、熔融溫度、熔接線(xiàn)位置及產(chǎn)品變形等幾十種結(jié)果，本文著重介紹強(qiáng)度分析對(duì)Moldflow求解器的詳細(xì)設(shè)置。

2.1 Moldflow網(wǎng)格劃分流程

CAE是利用有限元原理把復(fù)雜問(wèn)題分成一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題進(jìn)行求解的過(guò)程，系統(tǒng)精度對(duì)網(wǎng)格有一定的要求，Moldflow要求縱橫比20以下，無(wú)自由邊.重疊面等缺陷，且聯(lián)合仿真對(duì)比熔接面強(qiáng)度分析還要求必須是3D網(wǎng)格；首先導(dǎo)入產(chǎn)品后網(wǎng)格類(lèi)型更改為雙層面進(jìn)行網(wǎng)格劃分；第二步檢查網(wǎng)格質(zhì)量，縱橫比要修復(fù)到20以下越小越好，并且無(wú)其他網(wǎng)格缺陷；第三步網(wǎng)格類(lèi)型更改為3D網(wǎng)格再次劃分網(wǎng)格，雙層面的質(zhì)量越好，3D網(wǎng)格的質(zhì)量也就越好，因?yàn)?D網(wǎng)格類(lèi)型下無(wú)法修復(fù)網(wǎng)格缺陷的，這也就是選擇在雙層面網(wǎng)格的基礎(chǔ)上劃分3D網(wǎng)格的原因。

2.2 Moldflow分析設(shè)置及注意點(diǎn)

聯(lián)合仿真要求分析流程中最少包含填充及保壓工藝才可進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)擬合，作者因需要想更貼近現(xiàn)實(shí)情況，模型處理中已加進(jìn)水路，分析流程中包含冷卻.填充.保壓及變形四個(gè)模塊；如果不進(jìn)行熔接面強(qiáng)度分析，Moldflow不需進(jìn)行任何特殊設(shè)置和平常一樣設(shè)置就行，本文需要進(jìn)行熔接線(xiàn)強(qiáng)度分析所以需要把輸出熔接面設(shè)置打開(kāi)，方法為工藝設(shè)置》高級(jí)選項(xiàng)》求解器參數(shù)（點(diǎn)編輯）》界面選項(xiàng)中勾選“熔接面強(qiáng)度分析”，至此Moldflow設(shè)置已完成點(diǎn)擊分析按鈕進(jìn)行正常的分析環(huán)節(jié)。

3 Nastran in-CAD進(jìn)行前處理及輸出擬合結(jié)構(gòu)文件

Nastran軟件需要對(duì)產(chǎn)品3D進(jìn)行網(wǎng)格劃分及載荷設(shè)置，之后進(jìn)行輸出結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件設(shè)置。熔接面強(qiáng)度分析要求結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量盡可能密，最好能達(dá)到模流分析網(wǎng)格的數(shù)量，在擬合軟件（Helius-PFA）界面中有匹配性檢查程序，但是網(wǎng)格越多也意味著計(jì)算量越大，計(jì)算周期也就越長(zhǎng)，這之間的度要大家自行把握；本文采用方法是采用和Moldflow網(wǎng)格劃分中同樣的網(wǎng)格尺寸，因兩個(gè)軟件劃分網(wǎng)格的方式和邏輯不同，結(jié)構(gòu)軟件網(wǎng)格數(shù)量比模流網(wǎng)格數(shù)量要少很多。

3.1 Nastran的網(wǎng)格劃分設(shè)置及注意點(diǎn)

Nastran in-cad軟件是作為插件集成在Autodesk inventor中的，不能單獨(dú)進(jìn)行產(chǎn)品3D的前處理及網(wǎng)格劃分工作；首先打開(kāi)inventor軟件，新建部件》輸入3D數(shù)據(jù)》環(huán)境》選擇Nastran in-CAD選項(xiàng)；第二步進(jìn)入nastran環(huán)境中選擇模型樹(shù)中的網(wǎng)格設(shè)置，設(shè)置網(wǎng)格大小后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)入模型樹(shù)中參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)，輸入TETREDORD把TETREDORD選項(xiàng)設(shè)為關(guān)閉，第三步雙擊模型樹(shù)頂部的分析1選項(xiàng)中勾選非線(xiàn)性靜力選項(xiàng)，點(diǎn)擊模型樹(shù)中子工況下的非線(xiàn)性設(shè)置1，進(jìn)入選項(xiàng)頁(yè)面中增量數(shù)由1改為100，中間輸出選項(xiàng)改為全部。第四步設(shè)置載荷及約束工況，本文中約束設(shè)置為螺絲孔及安裝面全為固定，載荷設(shè)置為密封圈在安裝后給塑件施加的1000N反作用力。

3.2 Nastran設(shè)置輸出文件

第一步右鍵單擊模型樹(shù)中分析一在彈出菜單中選擇生成nastran文件，第二步在模型樹(shù)頂部選擇autodask Nastran文件，在其頁(yè)面中單擊保存圖標(biāo)，保存nas文件到電腦中。

4 利于Helius-PFA軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合

4.1 材料三向應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的前處理

聯(lián)合仿真需要材料廠(chǎng)商做玻纖0e45e90°三個(gè)方向的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)，一般拿到材料廠(chǎng)的數(shù)據(jù)不是PDF版本就是excel格式的，PDF的格式我們把數(shù)據(jù)全部錄進(jìn)excel表格中，然后把Excel格式改成后綴為“.CSV”文件。

4.2 helius導(dǎo)入moldflow數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合映射

進(jìn)入Advanced material exchange界面，單擊零件映射，在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇方案的文件框中打開(kāi)模流文件夾下對(duì)應(yīng)的后綴Sdy文件，選擇結(jié)構(gòu)的文件框中選擇輸出nastran結(jié)構(gòu)文件包，后綴為nas文件，第二步軟件會(huì)自動(dòng)檢查產(chǎn)品網(wǎng)格的對(duì)齊情況，沒(méi)有對(duì)齊會(huì)自動(dòng)提示對(duì)齊網(wǎng)格，第三步在材料選項(xiàng)中選擇添加非線(xiàn)性材料，在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇導(dǎo)入整理的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；第三步選擇映射結(jié)果，軟件會(huì)把模流數(shù)據(jù)中的玻纖取向及應(yīng)力應(yīng)變和熔接面數(shù)據(jù)映射到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中；第四步選擇輸出結(jié)構(gòu)包，軟件會(huì)把文件導(dǎo)出為三個(gè)文件，注意三個(gè)文件后綴為hen文件為材料設(shè)置文件，nas文件為網(wǎng)格文件，sif文件為接口文件，三個(gè)文件除了后綴不一樣外名字要一致，導(dǎo)出后不可以改文件名且需要放個(gè)同一個(gè)文件夾目錄下。

5 導(dǎo)入Nastran中進(jìn)行求解運(yùn)算

（2）在nastran程序打開(kāi)的情況下，雙擊模型樹(shù)中的分析一，在彈窗對(duì)話(huà)框中點(diǎn)擊選項(xiàng)，勾選輸入結(jié)構(gòu)模型，大位移選項(xiàng)設(shè)置為關(guān)閉。

（3）點(diǎn)擊面板中的運(yùn)行按鍵，進(jìn)行求解運(yùn)算。

（4）結(jié)果解讀，DAMAGE STATE代表高斯點(diǎn)降級(jí)情況，1代表未斷裂，2代表已斷裂MATRIX EFFECTIVE STRESS代表機(jī)體材料的有效應(yīng)力，F(xiàn)AILURE MODE代表失效模式0代表未失效，1代表拉伸失效，2代表壓縮失效；SOLID MATRIX TANGENT MODULUS代表機(jī)體成分的切線(xiàn)彈性模量，在檢查失效開(kāi)裂部分的彈性模量遞減值比較有效，可以直觀(guān)觀(guān)察到可能失效部位彈性模量會(huì)有大幅度降低；AME總共輸出有7個(gè)結(jié)果，作者在本文產(chǎn)品中僅評(píng)價(jià)了前述的4個(gè)結(jié)果，結(jié)果表明在熔接線(xiàn)位置產(chǎn)品強(qiáng)度有明顯的降低，熔接線(xiàn)處的切面彈性模量已經(jīng)降至正常機(jī)體的1/5；雖然在正常注塑良好情況下產(chǎn)品是安全的，但是不能排除模具在運(yùn)行過(guò)程中排氣堵塞導(dǎo)致的熔接線(xiàn)質(zhì)量下降風(fēng)險(xiǎn)，因此在模具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段就在熔接線(xiàn)位置拆了排氣鑲件，有效避免了后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。圖2為基體成分切線(xiàn)彈性模量，圖3為基體有效應(yīng)力云圖。

圖2 基體成分切線(xiàn)彈性模量圖

圖3 基體有效應(yīng)力云圖

結(jié)論：通過(guò)實(shí)例的仿真分析，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，證明了聯(lián)合仿真在模具開(kāi)發(fā)中有提前預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，提前優(yōu)化改善模具設(shè)計(jì)的缺陷的功能，在模具開(kāi)發(fā)中可以大量應(yīng)用積累成功經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也可降低開(kāi)發(fā)成本縮短開(kāi)發(fā)周期，在提高產(chǎn)品質(zhì)量方面也可以有更加科學(xué)方法及建議。