車用塑料件的模流與結構聯合仿真分析

李西順+楊明華+孫正峰

摘要： 現存結構仿真軟件的材料模型無法準確表達塑料及纖維復合材料零件各向異性的特性，為提高這類零件結構仿真的準確性，使用Moldex3D，Digimat和OptiStruct聯合仿真的方法，針對汽車空調風門進行三點彎曲試驗工況下的強度仿真與分析。按照實際成型工藝對空調風門進行模流分析，將模流分析得到的結果通過Digimat映射到結構有限元模型上，得到聯合仿真模型，并將該模型的分析結果和未映射模型的分析結果同時與通過試驗獲得的真實應力值進行對比分析。研究結果表明：由成型工藝導致的材料各向異性對風門的應力分布和重點區域應力值均有較大影響；在熔接線附近，考慮玻纖取向的聯合仿真模型得到的應力值與實際的應力值更接近，可以提高含玻纖材料零件仿真計算結果的準確性。

關鍵詞： 汽車； 空調風門； 注塑成型； 模流； 各向異性； 玻纖取向； 熔接線； 強度

中圖分類號： U466 文獻標志碼： B

Co-simulation analysis of mold-flow and structure for automotive plastic parts

LI Xishun， YANG Minghua， SUN Zhengfeng

（Technology Center， Chengdu Aerospace Mould & Plastics Co.， Ltd.， Chengdu 610100， China）

Abstract： The material model in the existing structural simulation software can not express the anisotropy of plastic and fiber composite material accurately. In order to improve the structural simulation accuracy of these parts， a co-simulation method of Moldex3D， Digimat and OptiStruct is adopted to simulate and analyze the strength of automobile air-conditioner damper in three-point bending test condition. The mold-flow analysis on air-conditioner damper is carried out according to the actual moulding process， the results of the mold-flow analysis are mapped to the structural finite element model by Digimat， and the co-simulation model is obtained. The analysis result of the co-simulation model and the unmapped model are compared with the real stress value obtained through the test. The results show that， the anisotropy of the material caused by the moulding process has a great effect on the stress distribution of the damper and the stress value of the key area， the stress of co-simulation model considering the glass fiber orientation is closer to the real stress near the welding line， which can improve the accuracy of the simulation results of glass fiber material parts.

Key words： automobile； air-conditioner damper； injection molding； mold-flow； anisotropy； glass fiber orientation； weld line； strength

0 引 言

汽車的輕量化是指在保證汽車整體品質和性能不受影響的前提下，盡可能地減輕汽車產品自身質量，從而發揮汽車動力性、減少燃料消耗、降低排氣污染。[1]汽車的輕量化最終要分解落實到相關零部件的輕量化。[2]汽車輕量化技術可以分為結構優化設計、輕量化材料的應用和先進制造工藝等3個主要方面，其中輕量化材料包括：高強度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和復合材料等。[3]

塑料及纖維復合材料在汽車工業中的應用日趨廣泛，使用量持續增長，特別是在內飾件、外飾件和功能件等3類零部件中的應用。[4]使用工程塑料或纖維增強復合塑料，不僅能減輕整車的質量，還能增強汽車的綜合性能。在纖維增強復合材料中，短纖維增強產品已經成為一種普通材料被廣泛應用。[5]輕質、高強度的長纖維增強熱塑性材料已從小批量、少數汽車零部件的試用擴展到大批量、多品種的汽車零部件生產，逐步成為制造汽車零部件的主流材料，尤其是在力學強度要求較高的部件中，如前端框架、吸能防撞保險杠、座椅骨架、車身底護板等。[6]

與此同時，車身大量塑料件的使用，給結構仿真分析帶來一定的困難。目前，雖然通用結構有限元分析中的材料本構模型已經非常豐富，但仍不足以模擬實際的注塑產品材料各向異性的屬性。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生殘余應力、熔接線和纖維取向[7]，如果結構分析時沒有考慮產品的這些特征，最后會得到偏離實際的分析結果，失去仿真的意義。另外，結構分析和模流分析分別由不同的團隊同時進行，而每個團隊都在對模型的幾何參數進行優化以滿足各自領域內的設計需求，所以結構仿真通常使用的是近似的材料性能而不是真實的、與生產一致的材料性能，未能考慮熔接線位置的強度變化、纖維取向以及殘余應力和應變（翹曲）等對產品力學性能的影響。使用模流分析與結構分析進行聯合仿真，是有效避免該問題的方法。endprint

模流與結構聯合仿真的主要思路是通過模流分析模擬產品的熔接線位置、纖維取向和殘余應力，然后將這些結果映射到結構有限元分析軟件中，從而獲得準確的材料模型。目前，可以實現這一過程的方法主要有：（1）Autodesk公司的Simulation Mechanical軟件與MoldFlow軟件可以實現無縫對接；（2）使用Moldex3D軟件進行模流分析，可以直接輸出各結構求解器格式類型的文件，然后再進行結構分析的邊界條件設置求解；（3）使用Autodesk Helius PFA軟件將模流分析軟件的分析結果映射到結構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果映射到結構分析軟件中相應的分析模型上。其中，在方法（3）和方法（4）中，市場上主要的模流分析軟件和結構分析軟件均可以使用。目前，主要的模流分析軟件有MoldFlow和Moldex3D，在聯合仿真中主要實現產品真實的成形工藝信息輸出，不同的成形工藝最終可能會導致產品不同的材料性能。[8]

本文采用上述介紹的通用方法（4）對實際案例進行分析。以汽車空調風門為研究對象，首先通過模流分析軟件模擬其注塑成形過程，預測產品翹曲變形結果、纖維取向和熔接線位置，然后將其映射到相應的結構有限元模型上進行結構受力分析，解決仿真結果與實際結果不符的問題，實現對注塑件受力工況更真實的仿真。

1 聯合仿真模型的建立

以汽車空調風門（見圖1）為研究對象，按照聯合仿真的流程對其進行聯合仿真分析，模擬風門受力情況，最終得到與實際情況匹配的分析結果。聯合仿真分析流程見圖2。

1.1 模流分析模型及計算結果

依據實際的模具圖建立模流分析模型。在該產品設計初期，將2個不同形狀的風門放到一副模具里，見圖3a），為保證平衡，采用兩點進膠方式，澆口形式為兩點開放式熱嘴。材料選擇為風門指定的材料PP+GF20，創建模流分析澆注系統（見圖3b））；選擇填充—保壓—翹曲的分析序列，根據實際的注塑工藝設置軟件中工藝參數，進行模流分析。

查看模流分析結果，重點關注熔接線位置和纖維取向。熔接線是由2股料流匯合產生的，會影響成品的整體性，應該盡量避免，若實在無法避免，應該盡量增大熔接線匯合角。同時，可以將熔接線結果圖疊放到熔體流動前鋒溫度圖上，觀察熔體的前鋒溫度是否小于熔體的凝固溫度，2股相遇熔體的前鋒溫度差是否大于10 ℃。如果熔體的前鋒溫度小于熔體的凝固溫度，那么熔接線就會提前凝固，不利于熔體的融合，造成熔接線處的機械性能下降；如果2股相遇熔體的前鋒溫度差大于10 ℃，那么熔體融合得不好，也會造成產品的機械性能降低。[9]

采用圖3所示的進膠方式，2股料流會在風門中間位置匯合，產品中部必然會產生熔接線（見圖4），匯合角較小（見圖4a）），匯合溫度相差不大（見圖4b））。纖維取向是由于注塑過程中澆口布置在不同的位置、熔體流向各位置時流向不一致而導致的，所以取向不一致的問題無法避免，對產品材料各向異性的影響很大，且各區域的材料性能差別很大。纖維取向結果見圖5。根據實際經驗判斷熔接線附近產品強度會下降。由于不同方向的料流匯合，在熔接線兩側纖維取向是平行于軸向的，而熔接線上的纖維取向是垂直于軸向的，不同區域呈現出典型的各向異性。

1.2 結構分析模型建立

從上述的模流分析結果可知，空調風門在熔接線附近存在強度較弱的問題。這一問題已在樣件產品（見圖6）上得到證實，通過手掰的方式，樣件便發生斷裂。為模擬這一受力的工況，通過結構CAE建模得到力學有限元分析模型（見圖7），構件兩端約束，中間施力，力的大小為50 N。

模型中的分析材料采用PP+GF20，材料模型為各向同性線性材料。經過初步分析，發現最大應力位置在兩端，若只考慮單純的力學模型，這一結果是正確的，但實際發生斷裂的部位應力結果很小，與實際情況不符。這是因為采用各向同性的材料，不能準確表達真實風門的材料分布。因此，對未采用聯合仿真分析的常規方法與采用聯合仿真分析方法的分析結果進行對比。

1.3 聯合仿真模型建立

將上文中模流分析計算得到的結果文件輸出，包括纖維取向、內應力結果等。在Digimat中將這些結果文件映射到結構有限元分析模型上，最后得到含有不同取向材料性能的結構有限元模型，x向的取向結果見圖8，可以直接觀察到不同區域的材料取向，與模流分析中的取向結果一致。

2 聯合仿真結果與討論

為驗證聯合仿真分析方法的有效性，將聯合仿真分析與常規分析方法得到的分析結果進行對比，并與試驗獲得的風門斷裂時的應力值進行比對。

2.1 變形結果

常規分析方法與聯合仿真分析方法得到的變形結果對比見圖9。使用聯合仿真分析方法得到的變形量更大，這是由于映射得到聯合仿真模型的各向異性材料總體剛度小，更加接近實際情況。另外，如果模型包含模流分析結果的內應力，則變形結果會包含翹曲變形的結果，該變形對裝配影響也較大，但本文未作重點分析。

2.2 應力結果

常規分析方法與聯合仿真分析方法得到的應力結果對比見圖10和11。從整體來看，應力分布情況很相似，只是聯合仿真得到的最大應力值要大于常規分析方法；兩端應力結果較大，該位置是簡支梁的端頭部位，且加強筋根部存在一定的應力集中，故應力較大。仔細對比局部應力可以發現，在中間區域發生斷裂的位置，聯合仿真模型的應力結果遠大于常規分析方法。同時，此處有熔接線，所以應力值已經超過該位置的材料強度，與實際情況中發生斷裂的情況吻合。

2.3 討論

為與真實情況進行對比，按照三點彎曲試驗方法對空調風門進行試驗。試驗中當力加載到50 N左右時，中間位置發生開裂。由三點彎曲簡支梁的應力簡化計算公式計算可知，中間截面的理論應力值約為16 MPa，說明此位置的真實強度約為16 MPa。endprint

對比聯合仿真分析方法和常規分析方法的分析結果，由于考慮材料的取向因素（各向異性），聯合仿真的材料屬性更加接近真實材料，使用這一結果來判斷強度，更具有可靠性。

熔接線附近的材料強度會因為熔接線的存在而降低，因此在強度評判時，要選擇合理的材料強度值就必須在原有材料強度上取一定的比例因數。熔接線附近的強度評估標準與材料是否含玻纖有關，還與熔接線匯合角度有關，具體的量化值仍需要進行大量的研究。

3 結 論

（1）實際案例說明使用聯合仿真分析方法對塑料件進行受力仿真分析更為準確。該方法能準確模擬材料各向異性的特性，尤其是含有玻纖的材料。若要使用常規力學有限元分析方法，由于其材料為各向同性材料參數，則材料的彈性模量需要取合適的比例因數。

（2）采用聯合仿真方法的變形結果大于常規分析方法，這是由于映射得到的各向異性材料總體剛度變小，更加接近實際情況。聯合仿真得到的熔接線附近的應力大于常規分析方法，是由于常規方法沒有考慮纖維取向，應力要偏小一些。實際情況是此處容易發生斷裂，也說明聯合仿真分析的準確性。

（3）熔接線附近的強度評估標準與材料是否含玻纖有關，還與熔接線匯合角度有關，仍需要進一步研究。參考文獻：

[1] 燕戰秋， 華潤蘭. 論汽車輕量化[J]. 汽車工程， 1994， 16（6）： 375-383.

YAN Z Q， HUA R L. Discussion on lightweight automobile[J]. Automotive Engineering， 1994， 16（6）： 375-383.

[2] 歐陽帆. 零部件輕量化是汽車輕量化的根本[J]. 汽車與配件， 2010（10）： 24-27.

OUYANG F. Lightweight automobile results from lightweight parts[J]. Automobile & Parts， 2010（10）： 24-27.

[3] 范子杰， 桂良進， 蘇瑞意. 汽車輕量化技術的研究與進展[J]. 汽車安全與節能學報， 2014， 5（1）： 1-16.

FAN Z J， GUI L J， SU R Y. Research and development of automotive lightweight technology[J]. Journal of Automotive Safety and Energy， 2014， 5（1）： 1-16.

[4] 龔友坤， 王韜， 姚遠， 等. 汽車底盤碳纖維后縱臂成形實驗與分析[J]. 汽車工程， 2016， 38（2）： 248-251.

GONG Y K， WANG T， YAO Y， et al. Forming experiment and analysis of vehicle rear longitudinal arm of carbon fiber reinforced composite[J]. Automotive Engineering， 2016， 38（2）： 248-251.

[5] 吳純， 張偉， KIM S， 等. 長玻纖改性聚丙烯在汽車領域中的應用與展望[J]. 上海塑料， 2016（4）： 23-25.

WU C， ZHANG W， KIM S， et al. Application and prospect of LGF/PP in automotive field[J]. Shanghai Plastics， 2016（4）： 27-29.

[6] 潘越， 劉獻棟， 單穎春， 等. 長玻纖增強熱塑性復合材料車輪徑向載荷下的強度仿真[J]. 計算機輔助工程， 2015，24（5）： 22-27. DOI： 10.13340/j.cae.2015.05.005.

PAN Y， LIU X D， SHAN Y C， et al. Strength simulation on wheel made of long glass fiber reinforced thermoplasticity composite under radial loading[J]. Computer Aided Engineering， 2015， 24（5）： 22-27. DOI： 10.13340/j.cae.2015.05.005.

[7] 沈觀林， 胡更開， 劉彬. 復合材料力學[M]. 2版. 北京： 清華大學出版社， 2006： 9.

[8] 張宇， 段召華， 陳弦， 等. 注塑工藝參數對長玻纖增強PA66復合材料力學性能的影響[J]. 塑料科技， 2011， 39（2）： 65-69.

ZHANG Y， DUAN Z H， CHEN X， et al. Effect of injection molding parameters on mechanical properties of long glass fiber reinforced PA66 composite[J]. Plastics Science and Technology， 2011， 39（2）： 65-69.

[9] 嚴志云， 丁玉梅， 謝鵬程， 等. 注塑成型熔接線缺陷[J]. 塑料， 2009， 38（4）： 98-101.YAN Z Y， DING Y M， XIE P C， et al. Weld line defect in injection molding[J]. Plastics， 2009， 38（4）： 98-101.endprint