基于CAE模擬分析的汽車注塑儀表板產品設計

李淵博，夏金林，楊健宇，王少軍

(安徽華菱汽車有限公司,安徽馬鞍山 243000)

0 引言

隨著國際和國內汽車行業高度發展，為適應市場變化,各整車廠對汽車的研發周期有了更高的要求。在整車的研發過程中，汽車的設計及驗證階段占據整車開發周期的1/2之多，要想有效地縮短汽車的研發周期，就必須從設計和驗證階段切入，提高產品設計效率。這就要求汽車各系統設計人員具備專業的CAE分析能力，在設計階段有效地縮短設計時間，提出相對準確的產品設計方案。市場的需求推動了CAE分析軟件在產品設計階段的應用，模擬分析能有效地發現和識別設計產品在后期制造過程中可能出現的成型缺陷，讓設計人員在產品結構及選材方面提前提出較為優化的技術方案，盡而減少設計時間、節約后期因設計變更而產生的制造成本。這就要求從事產品設計的研發人員應盡早具備相應的CAE軟件分析能力。

本文作者以某重型卡車注塑儀表板本體為設計對象，對儀表板的設計過程及相關的模擬分析進行梳理。儀表板本體設計外形尺寸為2 047 mm×620 mm×310 mm，其結構形狀如圖1所示。產品設計結構較為復雜、尺寸精度及產品強度要求高；后期在產品制造的過程中，將會出現難以預計的局部變形和產品收縮等設計風險。為確認儀表板結構設計的合理性、可制造性，結合模流分析CAE軟件Moldflow對儀表板本體注塑成型進行有限元建模分析，提前預測產品在成型過程中局部變形及收縮過限風險。

圖1 儀表板本體

1 儀表板本體產品初步設計模型

1.1 儀表板各功能區域精度設定

根據儀表板本體所裝配的功能組件，把儀表板劃分為5個功能區，具體為駕駛員可視操縱區(1號位置)、前部除霜區域(2號位置)、ECU檢測區域(3號位置)、右側下飾搭接區域(4號位置)、乘客側出風口區(5號位置)、左側下飾板搭接區(6號位置)，具體如圖1所示。

1.2 儀表板本體選材

為保證儀表板的整體強度及以生產制造成本作為先期考慮點，初步選擇為PP+GF20。

1.3 初版產品模型CAE模態分析

如圖2所示，將塑料件的3D模型利用CAD Doctor修正后，導入到Moldflow軟件中，劃分雙層面網格，表面三角形單元是212 194個，節點是101 963個，平均縱橫比為1.567 9，最大縱橫比7.425 6，最小縱橫比為1.15，匹配百分比為93.4%，相互網格匹配百分比為97.8%，能滿足各分析方案要求。

圖2 塑料件有限元網格模型

1.3.1 塑料件初定材料

采用PP+GF20材料(合肥杰事杰新材料股份公司生產)，相對密度為1.08 g/cm3，物性特征曲線如圖3所示。

圖3 PP+GF20材料物性特征曲線

1.3.2 模態分析結果

(1)產品設計料厚分析

Moldflow軟件導入有限元數據網格，進行初步料厚分析。具體分析云圖如圖4所示。

云圖分析：產品主壁厚為3 mm；1號區域產品最大厚度6.5 mm，2號區域產品最大厚度為2.0 mm，將對產品成型制造精度產生較大影響。

改善方案：1號區卡扣區域由6.5 mm改為5.6 mm,前部邊沿由6.5 mm改為3.0 mm,卡扣與邊沿料厚搭接采用均勻過渡；2號區域從反面加膠至3.0 mm，與主壁厚保持一致，產品反面骨架支撐面下降1 mm。

圖4 料厚分析(初版模型)

(2)產品體積收縮率分析

通過有限元模態對產品的體積收縮率進行分析，具體如圖5所示：產品前部較大區域及其他局部體積收縮率最高達到11.03%，最小為2.23%，收縮率落差較大。

圖5 產品體積收縮率(初版模型)

云圖分析：收縮率落差較大的區域為厚料集聚變化處，比如產品前部區域；此外在產品拐角及結構復雜處同時出現較大的收縮變形，將會在產品冷卻過程中產生內應力。

改善方案：產品前部區域主體料厚由6.5 mm均勻改為3.0 mm；其他局部區域較小，可通過注塑工藝及模具澆口設置進行解決。

(3)產品變形分析

Moldflow軟件導入有限元數據網格，進行產品變形分析，具體分析云圖如圖6所示：產品X軸向最大變形量為12.43 mm；產品Y軸向最大變形量為20.32 mm；產品Z軸向最大變形量為18.05 mm。

云圖分析：材料方面，初定選材為PP+GF20，材料收縮率較大，且纖維有一定的結晶取向，致使產品變形較大；結構方面，產品局部料厚落差過大，收縮應力集中也導致產品過量變形。

改善方案：材料由PP+GF20改為PC/ABS,材料收縮率由1.1%～1.2%改為0.3%～0.5%,取消對結晶有取向的加強纖維；產品結構料厚搭接采用均勻厚料3 mm,局部較小區域采用均勻過渡搭接。

圖6 初版產品變形分析結果

1.4 終版產品模型CAE模態分析

按照初版的數據改進方案進行優化，對產品的結構及產品料厚重新建模進行驗證分析；導入到Moldflow軟件中，劃分雙層面網格，表面三角形單元是249 482個，節點是127 351個，平均縱橫比為1.532 8，最大縱橫比為7.153 2，最小縱橫比為1.24，匹配百分比為95.6%，相互網格匹配百分比為98.2%，能滿足此方案中各分析方案要求。

1.4.1 塑料件新材料

采用PC/ABS材料(合肥杰事杰新材料股份公司生產)，相對密度為1.14 g/cm3，物性特征曲線如圖7所示。

圖7 PC/ABS材料物性特征曲線

1.4.2 模態分析結果

(1)產品設計料厚分析

云圖分析結果：產品主壁厚調整均勻壁厚為3mm，具體云圖見圖8。

圖8 料厚分析(終版模型)

(2)產品體積收縮率分析

通過有限元模態對產品的體積收縮率進行分析，具體如圖9所示：產品收縮率較大區域與較小區域在3%～4.9%波動，較初版數據波差優化了85%。

圖9 產品體積收縮率(終版模型)

(3)產品變形分析

Moldflow軟件導入優化數據有限元數據網格，進行產品變形分析；具體分析云圖如圖10所示：產品X軸向最大變形量為9.01 mm；產品Y軸向最大變形量為3.07 mm；產品Z軸向最大變形量為2.45 mm。

圖10 終版產品變形分析結果

1.5 產品優化前后分析結果與實際生產對比

對以上分析結果進行梳理，同時對實際產品的具體檢測數據進行對比，具體見表1。實物產品檢測具體見圖11。

表1 產品數據分析及實物檢測對比表

圖11 產品檢具檢測圖

2 結論

通過CAE軟件分析，以重卡注塑儀表板本體產品為例研究了產品的結構設計及材料選型對注塑生產成品尺寸精度的影響，從而為汽車大型注塑產品在概念設計階段提供理論支持，在設計初始階段進行調結構及材料選型，進而節約了汽車開發前端的產品設計時間，降低后期產品設計的變更周期及開發成本，為其他類似產品的設計選型提供了理論參考。