基于Moldflow的保險杠中玻纖的取向分析

王恒兵，潘 燕，史 文，李又兵

(重慶理工大學材料科學與工程學院，重慶 400054)

從安全角度看，汽車發生碰撞事故時塑料保險杠能起到緩沖作用，保護前后車體;從外觀看，具有強度、剛性和裝飾性，可以很自然地與車體結合在一塊，渾然成一體，成為裝飾轎車外型的重要部件。材料的選擇對于保險杠的強度、剛度具有重大影響。保險杠傳統選用的材料多為PP+彈性體材料和其他一些助劑或填充劑。本研究選用PP+短玻纖作為保險杠的分析材料，并通過Moldflow來預測材料的剛強度。國內余玲［1］、馬克明［2］、黃虹［3］、譚安平［4］對澆注系統以及模擬流動進行分析，但對玻纖的取向描述不多。叢穆［5］等描述了某汽車前保險杠現有模具的設置，分析了新型材料用于該保險杠成型的可行性，并對可能出現的質量問題進行了預測。張學良等［6］采用針閥控制順序進料延時保壓的熱流道澆注系統，對某汽車后保險杠的填充時間、鎖模力、翹曲變形以及熔接痕等進行了模擬分析，并進行優化。曹亮［7］通過改變Moldflow中注塑參數來優化模具結構。但以上研究都未對保險杠中玻纖的取向進行分析。

玻璃纖維增強聚丙烯具有彈性模量高、強度大、尺寸穩定、熱變形溫度高、電性能優良、價格較低等優點。筆者通過Moldflow中的Molding window及Filling+pack來研究其最佳的加工條件和玻纖的取向，并以此預測制件的強度。

1 塑件結構特點

某轎車后保險杠結構如圖1所示，結構對稱，外形尺寸為 1 756 mm×806 mm×530 mm，壁厚2.73 mm。通過CAD doctor對塑件模型進行修復，并通過Moldflow采用最大縱橫比修復處理得到塑件的網格單元。

圖1 某轎車后保險杠結構

2 材料及工藝參數設定

保險杠的選用的材料為Basell Polyolefins Europe公司的Hostacom G3 R11，聚丙烯(PP)+短切玻璃纖維［SGF(30%)］，在Moldflow中顯示的材料性質如表1所示。

表1 GFRPP Hostacom G3 R11物性

3 澆注系統

采用的澆注系統6點均勻進澆，如圖2所示。澆注系統對稱布置，采用矩形澆口，尺寸為8 mm×4 mm。

圖2 澆注系統

4 模擬結果分析

通過Moldflow中的Molding window模擬分析，推薦的模具溫度為53℃，熔體溫度為257℃，最大注射壓力180 MPa，如表2所示。

表2 Molding window推薦值

通過Moldflow中的Molding Window進行模擬分析，得到圖3所示的制件冷卻時間和模具溫度關系。由圖3可得到制件冷卻時間為30 s，保壓壓力為注射壓力的80%，保壓10 s，速度/壓力控制轉換為98%。

通過Moldflow中的filling+pack來模擬保險杠中的玻纖的取向。

圖3 制件冷卻時間和模具溫度關系

4.1 PP/GF保險杠中GF平均取向

圖4為玻璃纖維的平均纖維取向，從圖4中可以看出澆口附近即A、B區域玻纖的取向程度低，玻纖取向程度在0.5左右;取向程度高的區域主要分布在保險杠的中部及邊緣區域，即C、D區。C、D區玻纖取向度在0.8左右，而保險杠最大程度的取向發生在其邊緣區域，其最大取向度可以達到0.995 2。由圖4可推測出保險杠整體的力學性能并不一致。

圖4 平均纖維取向

4.2 PP/GF保險杠拉伸彈性模量分布

通過MPI模擬分析得到如圖5的第1方向的拉伸模量分布和如圖6的第2方向的拉伸模量分布。圖5在A、B區域的第1主方向的拉伸模量在4 000 MPa左右，圖6在A、B區域第2主方向的拉伸模量在3 500 MPa左右，顯示第1主方向的拉伸模量和第2主方向的拉伸模量基本一致，推測其力學性能是較均勻的。結合圖5及圖6可得:C、D區域的取向度越大，其第1主方向的拉伸模量就越大，最大可達到6 300 MPa，第2主方向的拉伸模量就越小，最小可達到2 200 MPa。拉伸模量與拉伸強度具有一定的聯系，這對于預測保險杠的強度是很重要的一個依據。

結合保險杠的平均纖維取向以及拉伸彈性模量分布可以看出:保險杠中部的纖維取向與保險杠縱向方向基本一致，其在沿著玻纖取向的方向也就是第1方向的拉伸模量大，當汽車保險杠中部受到撞擊時保險杠可以吸收更多的能量;圖4中澆口附近的各個方向的拉伸模量較均勻。

5 結論

1)澆口附近玻纖取向度低，在保險杠中部及邊緣區域玻纖取向度高。

2)保險杠拉伸彈性模量分布與玻纖平均纖維取向是對應的，取向程度越大，則第1方向的拉伸模量就越大，反之亦然。

3)結合玻纖的平均纖維取向和伸彈性模量分布研究，可對保險杠的強度進行預測。

［1］余玲，陳是德，張詩.基于Moldflow的汽車保險杠澆注系統優化設計［J］.模具工業，2011，37(1):17-20.

［2］馬克明，劉紅.PA6/GF復合材料注射成型模擬流動分析［J］.工程塑料應用，2005，33(11):25-27.

［3］黃虹，王海民，邱方軍，等.Moldflow軟件在汽車保險杠澆口設計中的應用［J］.塑料，2009，38(6):15-18.

［4］譚安平，向渝，李才能.基于Moldflow的保險杠不同澆注系統比較分析［J］.精密成形工程，2011，3(2):68-72.

［5］叢穆，江梅，陳麗萍.Moldflow技術在汽車前保險杠成型分析中的應用［J］.材料·工藝·設備，2011(5):51-55.

［6］張學良，羅曉嘩.基于Moldflow的汽車大型覆蓋件注射成型工藝研究［J］.應用與試驗，2011(3):83-84.

［7］曹亮.轎車后保險杠裙圍凹陷變形原因探析與解決方案［J］.工程塑料應用，2009，37(11):34-36.

［8］葉九龍.基于結構耐撞性的轎車保險杠材料輕量化研究［J］.重慶理工大學學報:自然科學，2011(12):19-21.

［9］鄧國紅，姚疆，歐健，等.結構變量對轎車前保險杠防撞梁的影響［J］.重慶理工大學學報:自然科學，2010(1):18-22.