基于模流分析汽車保險杠澆口位置分析案例

黃知洋

（浙江工貿職業技術學院 浙江·溫州 325000）

《注塑成型工藝與優化設計》是模具專業人才培養的核心課程，其主要內容包括塑料成型的理論基礎、聚合物流變學理論、注射成型工藝及塑料模具的模具設計等，是一門知識面廣且深，實踐性強的綜合課程。由于注射成型的過程是模具內部的型腔中進行，不可見的過程使得學生的學習難度增大。學生普遍難學，自信心不足，學習效果也差強人意。Moldflow軟件是針對注射成型過程模擬的計算機輔助軟件，它對成型過程結構、工藝參數和模具設計等以動畫形式表現出來。

1 moldflow軟件簡介

塑料成型CAE軟件-MOLDFLOW注重在加工制造前對設計方案進行模擬評估以及優化處理，減少潛在的設計失誤，縮短產品的開發周期；將優化設計貫穿于設計制造的全過程，徹底改變傳統的依靠經驗的“試錯”的設計模式，可視化當今的最先進的成型過程。同時使學生能致力于解決與塑料成型相關的設計和制造問題，優化塑料的消耗，達到成本的最優化。

2 實例分析

本文主要是分析汽車保險杠澆口位置，一般的操作流程為：導入CAD模型——設置網格參數并劃分網格——選用相關材料設定工藝參數——進行模擬分析——確定初步的設計方案——改進工藝參數——進行多次模擬分析——確定最終的設計方案。

2.1 建模

首先通過solidworks軟件，建立汽車保險杠的幾何模型，如圖 1、圖2。

圖1：汽車保險杠模具結構三維圖

圖2：汽車保險杠產品的三維模型正面、背面

同時檢查模型厚度，減少后期分析過程中出現的各種制品缺陷，例如凹坑、氣穴、變形等。將模型輸出為IGS格式，使得模型數據可以導入Moldflow軟件中實現數據共享。

在moldflow中檢查模型的模型主要參數，如表1：

表1：汽車保險杠產品主要參數

不同厚度，不同材質會影響其最大流動距離。本案例中采用PP材料，一般其常規成型工藝條件，塑料的流動距離可以達到220mm。

產品厚度結果為：產品平均壁厚為3.0mm左右，最大壁厚5.8mm，整體壁厚符合注塑成型要求。

在設計樹中設置其材料規格。雙擊PP，在彈出的“選擇材料”對話框里選擇一種牌號，本例選擇 LG的 Lupol TE一5011A。

2.2 網格劃分

在moldflow中，對模型網格劃分重要三種方式，分別為中性面網格、雙層面網格和實體網格。

中性面網格是一種單層網格，以二維平面的形式和厚度上來模擬模型，實現流動分析。適合模擬簡單、薄壁產品的填充行為，但具有一定局限性，在分析前需做大量的處理工作來保證網格質量。

雙層面網格是在模型表面分別形成面，屬于半立體空間的結構。適用于取中性面較為困難的模型。因此就有了表面網格獨有的網格匹配率的概念。當網格匹配率達到或高于85%時，則認為網格的質量比較好，可以滿足冷卻、流動、翹曲的分析。

實體網格就是將模型實體形成多種四面體單元，組成實體網格模型，相似度較高，計算更為準確，但是計算成本較高，難度相對較大。

由于汽車保險杠模型結構復雜，在進行網格劃分時，必然會出現較多網格缺陷需要修復。同時模型的尺寸較大、總表面積和網格邊長值相對較大，網格數量相對較大。所以采用雙層面網格技術進行網格劃分和分析計算。

為了滿足后期分析的需要，相關參數必須達到要求，才能進行計算。例如網格匹配率是表面網格模型與原模型相似程度的一項參數，其值要滿足85%以上，分析結果才相對準確。

圖3：汽車保險杠產品網格模型

通過上圖網格統計顯示，相關參數不符合要求，結合Moldflow軟件命令，進行修復。

主要指標有：（1）連通區域的個數應該為1；（2）自由邊和多重邊個數應該為0；（3）配向不正確的單元應該為0；（4）相交單元個數應該為0；（5）完全重疊單元個數應該為0；（6）縱橫比數值視具體情況而定，一般最大值應控制在10～20之間；（7）匹配百分比應大于85%；（8）零面積單元個數應該為0。

圖4：網格修復后的統計結果

2.3 分析最佳澆口位置

為了較好的模擬整個產品的成型過程應選擇的分析類型是：填充+流動+保壓。

澆口是注射成型模具的澆注系統中重要的組成部分，通過澆口，連接主流道（分流道）和型腔的熔體通道。澆口數量多少和位置選擇是保證塑件成型質量的關鍵因素，也影響模具的結構設計。

注射模澆口位置的設置決定了聚合物的流動方向和流動平衡。通過優化澆口位置可以顯著提高產品質量。澆口位置不合理往往會導致熔體填充不均勻，熔合線性差、翹曲等缺陷。澆口數量對注射壓力和焊縫形狀有很大影響。當澆口數較少時，可以減少熔接痕的數量，但工藝較長，所需注射壓力更高，產品的殘余應力也隨之增加，從而產生注塑件的翹曲變形。

采用Moldflow軟件進行流動模擬分析，得到最佳澆口數量和位置。對于大型復雜零件，尤其是工藝較長的保險杠零件，不可能采用單點澆注，因為單點澆注由于流動距離長，不容易填滿型腔。因此，保險杠閘門采用多點澆筑。而且，最佳澆口位置區域位于零件中心附近，這符合形狀對稱的原則，澆口位置應設置在中間，以避免翹曲變形。

圖5：填充分析結果

3 結束語

在聚合物流變學理論的基礎上，運用注塑成型分析軟件Moldflow，建立了汽車保險杠的有限元模型，進行了注塑成型填充分析，使學生能掌握有限元分析軟件-MOLDFLOW的使用，能對塑件的可加工性能作出早期的判斷，預先發現成形中可能產生的質量缺陷，并模擬各種工藝方案，通過仿真進行優化設計，以獲得最佳的工藝方案和工藝參數，增強工藝的穩定性、降低材料消耗、提高生產效率和產品的質量。