模流-結構聯合仿真技術在汽車塑料件開發中的應用研究

肖永富 于保君 曹正林

（1.中國第一汽車股份有限公司 研發總院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：模流-結構聯合仿真 塑料件 模流 輕量化設計

1 前言

隨著環境污染日益嚴重，對車輛的排放法規越來越嚴格，這就要求車輛向節能與新能源汽車方向發展，對于傳統燃油車，車身輕量化可以實現節能減排，對于新能源車，可以增加續駛里程，所以車身輕量化是解決以上問題的重要途徑之一。近年來，隨著化工行業的發展，以塑代鋼成為實現車輛輕量化的重要手段之一。目前，車輛典型的以塑代鋼的零部件有：發動機罩蓋、翼子板、車門內板、輪罩、后背門、進氣歧管、前端框架、發動機支架等。塑料相比金屬，有著明顯的優點，如密度低、抗腐蝕性好、電絕緣性好、自潤滑性好，并且對于汽車零部件來說，成型性好，可以實現造型自由，零部件集成性也較好；當然塑料相比金屬也有一些缺點，例如耐高溫性差、剛度低、制造工藝復雜，成本高[1-2]。

而塑料件的制造涉及高分子材料、流體力學、熱力學、結構設計等，是一個典型的多學科應用場景，這就增加了塑料件制造過程中的復雜性及不可預見性，借助于CAE（計算機輔助工程）手段可以實現上述過程的模擬仿真，對零件結構、注塑過程流動特性、熱及壓力傳導以及零件的變形情況提前進行預判，進而可以極大的提高產品的開發效率及提升產品質量，所以，進行模流-結構聯合仿真的意義變得非常重要。

2 模流-結構聯合仿真建模技術

用于模流-結構聯合仿真的網格可以是殼單元網格、雙層面網格和體單元網格。對于雙層面網格來說，可以體現零部件準確的料厚信息，但為了保證網格匹配率，勢必要丟失一些圓角信息，其特點是計算效率高，計算精度適中；對于體網格來說，其特點是可以體現圓角信息和料厚信息，幾何特征較完整，缺點是網格數量大，計算成本高；對于殼單元網格來說，其優點是網格數量少，計算效率高，缺點是有一些圓角特征體現不出來，計算精度略低。對于汽車塑料件來說，因為大多數是薄壁件，符合板殼理論，在做結構分析時，一般都進行殼單元建模，所以為保證模流和結構有限元的一致性，模流-結構聯合仿真時建議采用殼單元進行建模。當然，現在很多模流與結構映射的軟件都支持體單元向殼單元映射功能，但勢必會損失一定的精度。對于網格劃分技術，已經比較成熟，可以通過一些專用的前處理網格進行建模，有效地提升工作效率，例如莫仲學等提出了利用前處理軟件HyperMesh幫助提升模流建模質量和速度[3]。

3 材料特性

塑料件注塑時為流體狀態，符合流體理論，且塑料為高分子材料，在不同的剪切速率下，其粘度特性會發生很大的變化，屬于非牛頓流體，所以模流仿真進行材料參數輸入時，需輸入粘度特性曲線，如圖1所示。此外，熔融狀態下的塑料件在不同的壓力及溫度下，其體積比容也會發生較大的變化，所以PVT 特性曲線也需輸入，如圖2所示，熱膨脹系數、熱屬性也是需要輸入的參數，對于做模流-結構聯合仿真來說，翹曲結果影響很大，所以必須有材料的收縮模型。由于各廠家材料配方會有一定不同，綜合工藝因素等影響，材料的特性會有一定不同，對模擬仿真的精度會有較大的影響，所以強烈建議對仿真用的材料進行測試，獲得真實的材料參數作為輸入數據。Zhiliang Fan等人對模流仿真的模型和材料參數問題進行了詳細的闡述[4]。

圖1 粘度曲線

圖2 PVT曲線

對于含有纖維的材料，其纖維含量不同，應力應變曲線會發生很大的變化，如圖3所示，并且由于纖維的添加，材料特性表現為各向異性，不同角度的應力應變曲線也會出現很大的差異。

圖3 不同纖維含量應力應變曲線[5]

對于添加纖維的塑料零部件來說，其微觀特征表現為各方向上纖維張量會隨著位置出現很大的變化，如圖4所示，纖維張量的分布取決于注塑過程的流動特性及冷卻速度。

添加纖維的塑料件，由于其材料模型復雜，需要進行材料本構模型的搭建，為達到仿真的高精度，在復合材料建模上需要花費一定的時間，例如張玉麗等人對復合材料進行了多尺度建模，并與傳統建模方法進行了結果對比，驗證了多尺度建模的可靠性[7]。

圖4 纖維張量分布[6]

4 模流-結構聯合仿真分析技術

塑料件注塑過程包括塑化、注塑沖模、保壓、冷卻、取件。利用有限元可以對澆注系統、冷卻系統進行仿真及優化設計，并且模流-結構聯合仿真可以模擬填充、保壓、冷卻、翹曲工藝成型過程，識別注塑過程中產品潛在的質量缺陷，優化注射工藝，提高塑料件開發效率。近年來，模流-結構聯合仿真技術已經廣泛應用于各個行業，如汽車、家電等行業都得到了大量的應用。

模流-結構聯合仿真與塑料件注塑成型工藝相關，模流-結構聯合仿真技術已開展多年，且已經在實際注塑工藝中發揮了很大的作用，用于指導塑料件產品開發，并取得了很好的效果。利用模流-結構聯合仿真技術可以對澆口形式、澆口數量、澆口位置以及截面尺寸進行優化設計。米利波等人通過正交試驗模擬對遙控器外殼的澆口位置、數量和橫截面尺寸進行了優化，最終得到了合理的截面尺寸和澆口數量、位置，并使得遙控器外殼總翹曲量最低[8]。陳曉勇等人利用CAE 技術對移動電源殼蓋熱流道注射模進行了設計，針對移動電源殼壁薄且表面質量要求高的特點，借助于Moldflow軟件的填充結果，得到了一種由3個熱開放式噴嘴和16 個潛伏式冷澆口組成的半熱流道系統，既解決了產品填充困難問題，又節約了材料，提升了成型效率[9]。Sun Bao-fu 等人對手機后蓋兩種澆口形式進行了對比，從填充時間、困氣、熔接線、翹曲四方面進行對比，選出了較優的澆口方案[10]。Hanwu Liu 等人對汽車發動機進氣歧管進行了模流仿真分析，并對澆注系統和冷卻系統進行了成型過程參數優化[11]。王鳳等人對保險杠注塑順序閥控制技術進行了研究，通過合理設置順序閥開閉時間，消除或大幅降低熔接痕對制件的影響，從而減少試模修模次數[12]。隨著3D打印技術的發展，冷水系統的隨形水路應運而生，與傳統水路相比，隨形水路具有形狀不受加工條件限制，可以滿足快速且均一冷卻的需求，有著明顯的優勢。歷邵等人基于3D 打印技術，對儀表罩注塑模具隨形冷卻水路進行了設計，結果表明，與傳統冷卻水路相比，隨形冷卻水路方案的冷卻效率最多可提高31.6%，產品驗證試驗表明溫度均勻性最多提高44.6%[13]。

模流-結構聯合仿真分析已經用于指導注塑模具的加工制造，可以有效地提升模具開發的效率。朱陸林等人申請了基于CAE分析制造的模具發明專利[14]，袁瑋駿等人申請了基于Moldflow 的汽車盒體件注塑模具制造方法發明專利[15]。模流-結構聯合仿真涉及工藝參數較多，這就導致注塑成型結果可能受多重因素影響，挖掘出對某一項注塑結果的最優工藝參數組合尤為重要。如果各因素都進行考慮，進行優化分析，試驗矩陣就會非常龐大，計算效率低下，這時候就需要進行合理的試驗矩陣設計。Ruonan ZHAO 等人采用Moldflow 模流軟件，利用田口試驗法，研究了料溫、模溫、注塑時間、保壓時間和保壓壓力這5個關鍵因素對填充時間、流動前沿溫度、翹曲變形、體積收縮率的影響，通過方差分析和信噪比結果得到了每個因素的最優水平，并最終組合出了最優的工藝參數[16]。唐西西等人利用正交試驗以及CAE 軟件獲取導致工藝缺陷的注塑工藝參數權重以及第一優化注塑工藝參數，基于SOM神經網絡進行工藝參數優化[17]。劉冬梅等以非球面元件為對象，熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、注射速度及冷卻時間為試驗因子，翹曲變形為優化目標，結合PB 篩選試驗及最佳爬坡試驗選取建模中心點，基于響應面分析法建立模型，對注射成型工藝進行了優化[18]。

近年來，隨著工藝技術的提高，一些新的注塑工藝已經在注塑成型中開始采用，典型的有氣輔成型技術、水輔成型技術以及預變形技術，這些新的工藝技術在提升產品質量及提高注塑效率上都有著明顯的優勢，這些新工藝相應地也應用了CAE仿真技術。肖清武等人基于聚合物粘彈性理論與氣體輔助注塑（EGAIM）的特點，構建了EGAIM 氣體保壓階段及脫模后自然冷卻階段制品內應力-應變的力學模型。采用耦合有限元法對EGAIM 平板制件的翹曲變形進行模擬計算，模擬結果與試驗結果基本一致[19]。張輩欽對抽真空注塑模具的設計及應用進行了研究，重點對抽真空部分及借助保壓補縮階段實現壁厚處填充的注塑工藝，提高注塑周期等技術要點進行了探索[20]。陳忠仕等人對方管短玻纖增強聚合物水輔注塑成型穿透進行了模擬機試驗方面的研究，基于描述聚合物復合材料的粘彈性方程White-Metzner 及流體動力學3 大控制方程，采用有限體積法（FVM）開發的軟件對由直線構成的方形截面管材短玻璃纖維增強聚合物水輔成型的穿透進行了數值模擬，并通過試驗進行驗證[21]。王超房等人對基于預變形的長條狀注塑制品翹曲控制進行了研究，針對長條狀注塑制品比常規尺寸制品更易變形、變形量更大，且傳統控制變形方法對其作用有限的問題，以典型長條狀制品汽車門板防擦條為例，采用預變形反補償控制制品翹曲變形，并利用CAE 技術進行多次預變形設計來確定制品最終的預變形量和預變形曲線，基于預變形后的制品設計圖紙完成了模具設計和制品制造，生產出了滿足精度要求的制品[22]。

綜上所述，模流-結構聯合仿真技術已經深入注射成型領域，并指導注射模具開發，對于工藝參數的優化也已經開發出了各種優化算法的應用，取得了很好的效果，隨著工藝技術的進步，近年來，開發出了氣輔成型、水輔成型、預變形先進的模擬仿真技術應用。

5 模流結果映射

進行模流-結構聯合仿真，需要將模流結果體現在結構仿真軟件中，這就需要在模流軟件和結構軟件之間有一個數據的傳遞。早期一些接口軟件要求模流和結構共用一套網格，進行一一映射，隨著近年來算法的優化，大多數軟件都不需要網格的一一映射，且大部分都可以實現體單元到殼單元的映射算法，兼容性要好很多。

模流分析軟件可以輸出適應不同結構分析軟件的格式數據，但用軟件自帶接口通用性并不好，很多還需要進行文本編輯后才可以導入結構軟件進行求解，難度系數較大。目前市面上已經有從模流到結構的接口軟件，如Digimat、Helius等，可以實現模流結果到結構軟件的映射。圖5 為Digimat 軟件實現模流軟件到結構軟件的映射圖[5]。

6 模流-結構聯合仿真技術

對于汽車塑料零部件，塑料件能不能注塑出來，注塑出來的零部件有沒有產品缺陷，屬于模流-結構聯合仿真的內容，而最終塑料零部件成品的性能怎么樣，安裝后有沒有變形，使用過程中會不會開裂，屬于結構仿真的內容，這就需要進行模流-結構的聯合仿真。模流-結構聯合仿真難度之所以很大，是因為整個聯合仿真涉及的環節太多，比如有限元模型的簡化影響、材料本構模型的一致性、模流仿真的精度等，每一個環節的精度都會影響最終的仿真結果，要想獲得準確的仿真結果，且保證合適的計算成本，需要綜合去把控每一個環節。

圖5 DigimatT模流到結構映射[5]

近年來，已經有人在模流-結構聯合仿真領域做了一些研究，李禮等人申請了一種基于吹塑成型的塑料瓶強度分析方法及應用發明專利[23]，具體結構如圖6 所示，通過對塑料瓶進行模流仿真，將注塑成型的殘余應力映射到結構仿真軟件中，采用非線性靜力求解法對塑料瓶強度進行了分析，有助于指導塑料瓶的結構和模具設計以及工藝參數的設定。張立強等人對增強聚丙烯塑性復合材料的汽車前罩進行了模流-結構的聯合仿真，聯合仿真結果和傳統仿真結果與試驗結果進行了對比，表明聯合仿真方法具有更高的精度和可靠性[24]。

圖6 塑料瓶模流-結構強度聯合仿真[24]

Marc Kanters 等人對塑料短玻纖增強復合材料的疲勞壽命進行了大量的研究[6]。圖7為帶纖維增強塑料疲勞分析的流程圖，共分為五步，第一步對不同纖維方向標準樣條以及帶缺口的樣條（不同纖維方向及不同缺口半徑）進行拉伸和彎曲疲勞試驗，獲得不同交變載荷下的疲勞壽命曲線；第二步對纖維增強塑料進行有限元微觀結構建模，由于材料呈各向異性，標準樣件在拉伸時應力并不會在斷面內平均分布，所以引入了局部應力系數，通過對比試驗結果與分析結果曲線，一致性較好，證明微觀建模方法有效；第三步通過對比分析與試驗結果，對缺口系數進行修正，包括不同圓角缺口的修正，需要特別指出的是，缺口系數對疲勞結果影響非常大，缺口系數很小的誤差就會導致疲勞結果出現很大差異；第四步纖維增強塑料進行注塑模流仿真，并通過微觀CT進行掃描，對比仿真與試驗纖維微觀結構上的一致性，結果證明一致性較好，證明模流仿真結果的有效性；第五步進行纖維增強塑料零件級別疲勞壽命分析，同樣在不同的交變載荷下進行，最終分析與試驗結果對比呈現較好的線性，誤差在10～30 倍以內，并最終通過材料卡片進行分析與試驗一致性的修正，修正后的仿真與試驗可以達到很好的一致性。

圖7 纖維增強塑料疲勞分析流程[6]

整體來看，目前對于模流-結構聯合仿真相關應用開展的相對較少，且需要有大量的試驗數據進行支撐，仿真的精度還需要進一步的提升。

7 結束語

綜上所述，由于輕量化、造型及功能需求以及化工技術的進步，塑料件在汽車上的應用將越來越廣泛，塑料件的性能評估也會越來越重要，而模流-結構聯合仿真技術可以有效地提升汽車塑料件的開發效率。目前模流-結構聯合仿真國內外尚處于起步階段，只有少數的機構做過相關研究，模流-結構聯合仿真的流程還需進一步完善，仿真的精度還需要進一步提升。

（1）車身塑料件大多是薄壁件，模流-結構聯合仿真建模適合采用殼單元進行，在保證分析效率的同時，可以保證模流與結構采用同樣殼單元網格的一致性。此外，為保證建模的精度和效率，可以在專用的前處理軟件中進行建模。

（2）模流-結構聯合仿真的材料特性至關重要，材料參數的輸入直接決定下一步模流分析的精度，進而會影響模流-結構聯合仿真的精度，所以材料參數及特性曲線一定要通過真實的試驗測試獲得，并且對于含有纖維的塑料，需要獲取不同纖維方向下的材料特性。

（3）模流仿真分析技術已經很成熟，且已經開發出了針對各種結果的優化技術，各行業也積累了大量的經驗，下一步工作應該結合試驗結果，完善數據庫及提升仿真的效率和精度。

（4）從模流結果到結構仿真軟件的映射已經有專門的軟件，對于帶有纖維的塑料材料，由于其各向異性，需要進行復合材料的本構模型搭建，結合試驗數據，對本構模型進行修正，保證材料模型的準確性。

（5）模流-結構聯合仿真開展工作較少，且需要試驗數據的有效支撐，相關的理論支撐也需要進一步的加強，技術路線還需迭代和優化，但對于模流-結構仿真的需求正在不斷增強，模流-結構聯合仿真還有大量的工作需要去做。