基于Moldflow 的保險杠開發研究

王云宗

（廣汽三菱汽車有限公司， 湖南 長沙 410100）

隨著樹脂行業不斷的創新和發展， 塑料產品在當代社會非常普及。 為實現車輛減重和燃油排放要求， 對于汽車的用材， 各汽車生產廠商有意用樹脂材料替代金屬材料。從上世紀90年代開始， CAE技術的運用日趨成熟， 目前汽車行業使用Moldflow軟件進行保險杠的成型性能分析， 從而識別潛在風險并迅速制定對策， 有效降低開發費用和縮短開發周期。

1 保險杠產品分析

1.1 材料物理性能

根據成本、 開發周期和交貨周期確認基本的備用材料，然后再根據此保險杠造型特點， 選擇收縮率較低、 流動性較好的聚丙烯 （PP）， 為保證有良好柔韌性， 加入適量的橡膠體 （EPDM） 和滑石粉 （TD20）。 考慮到高分子聚合物的合成、 加工及使用過程中， 其壓力（P）-體積（V）-溫度（T）關系對高分子材料加工條件和性能有很大影響， 所以需要對材料的粘度 （圖1） 和PVT屬性 （圖2） 進行確認。

圖1 粘度曲線

圖2 PVT曲線

1.2 厚度

因保險杠為汽車產品的外觀面， 既要滿足整車造型的要求， 又要求產品有優質的外觀品質， 產品的表面不得有劃傷、 縮痕、 飛邊、 翹曲變形等不良缺陷。 保險杠的厚度不僅關乎外觀品質問題， 還影響到保險杠的成本。 保險杠的材料成本往往占總成本的40%， 使用薄壁塑件能大大降低塑件的用料成本， 同時還能縮短注塑成型時的冷卻時間，降低生產工時， 提高生產效率。 為實現上述要求， 選擇保險杠基本厚度為2.2mm。

1.3 工藝分析

因保險杠尺寸較大， 結構復雜， 注塑成型時采用一模一出結構實現。 為保證車輛整體造型的統一， 通常會對保險杠進行涂裝、 涂裝加蝕紋相結合的表面處理工藝。 為保證外觀品質， 需要保險杠有良好的注塑成型品質和涂裝品質， 尤其是注塑成形中的隱性不良缺陷會因涂裝時的高溫烘烤而顯現。

2 模流分析模型的建立

2.1 前處理

在利用Moldflow進行分析之前， 對產品進行網格劃分，因網格劃分的品質將會影響到后續分析的準確度， 因此需要進行多次的反復修改。 本次保險杠采用雙層面創建模型，網格數量為461042， 平均縱橫比為2.32， 單元匹配率為89.2%， 保證分析數據的準確度。 前處理模型如圖3所示。

圖3 前處理模型

2.2 澆口和流道的選擇

對于注塑產品而言， 澆口和流道的選擇是獲得合格產品的關鍵。 保險杠尺寸大， 結構復雜， 為保證產品有良好的外觀品質， 實現進膠順暢， 減少模具內應力， 采用15個點進膠， 6 道順序閥進行填充 （G1-G2G3-G4G5G6G7-G8G9-G10G11-G12G12G14G15）， 采用形狀為T型， 膠口位置放側方的方式澆注塑膠。 大寬邊為15mm， 高度為1.2mm；短寬邊為8mm， 高度為8mm。 熱流道管ψ6mm。 流道和澆口如圖4所示。

圖4 流道和澆口

2.3 工藝參數的設置

模具表面溫度設置為40℃±2℃， 熔體溫度設置為220℃±3℃， 注塑溫度為117℃。 保壓時間和冷卻時間根據Moldflow系統默認設定。

3 模流填充分析

填充分析主要確認材料能否在注塑過程中填充滿型腔，填充過程中能否保證模具內部的平衡， 并根據填充的狀態判定模具的結構、 注塑設備及成型工藝參數是否合理。

3.1 填流時間分析

填流時間指材料注滿模具型腔所需時間。 通過Moldflow的分析， 產品的注塑時間為7.2s， 產品在成型過程中沒有堵塞。 平衡充模， 保險杠的各個遠端亦在同一時刻充滿。填流時間模型如圖5所示。

圖5 填流時間模型

3.2 壓力分析

由于壓力會影響到模具內部的穩定， 一般都會要求各型腔壓力盡可能均勻。 從圖6可見， 保險杠在填充時， 注塑及型腔最大壓力分別為60.13MPa和57.74MPa， 壓力分布較均勻。 保險杠結束填充時， 壓力分布是均勻的， 沒有突變壓力現象。 如圖7所示。

圖6 注塑壓力

圖7 型腔壓力

3.3 流動前沿溫度分析

流動前沿溫度指的是前鋒流溫度， 因前鋒溫度與產品品質有較大關系， 因此合理的前沿溫度應該是均勻分布的。還有前鋒溫度和剪切速率， 從圖8可分析出流動前沿到達位于有限元中心的指定點時聚合物的溫度200℃， 流動前沿主體溫度在材料允許范圍內 （134.0~211.5℃）。

圖8 流動前沿溫度

3.4 剪切速率分析

因剪切速率與表觀粘度的關系對注塑時間有較大影響，所以需要分析剪切速率。 從分析結果顯示最大剪切速率值89942 1/s （圖9澆口處） 在材料允許范圍 （最大剪切速率為100000 1/s） 內， 對產品品質不會有影響。

圖9 剪切速率

3.5 注塑設備分析

為確認注塑設備能夠滿足要求， 確認其注塑壓力和鎖模力， 通過分析可知在5.75s時達到最大68MPa。 壓力小于注塑設備壓力的70% （140MPa×70%=98MPa）， 見圖10。 鎖模力最大為2800T， 小于注塑設備鎖模力 （3000T）， 見圖11。

圖10 注塑壓力

圖11 鎖模力

3.6 產品品質分析

凍結層因子反映的是產品的凝固順序， 從分析結果（圖12） 上看， 產品基本依次凍結。 熔接線指的是兩股料流匯聚區域因材料熱量損失， 融合處所產生的痕跡。 從分析結果 （圖13） 可看出熔接線形成時的熔體溫度高于料溫的最低溫， 可保證保險杠形成品質較好的熔接線。

圖12 凍結層因子

圖13 熔接線

3.7 氣穴分析

因材料從各個方向流向同一個節點時就會形成氣穴。從分析結果 （圖14） 可看出， 氣穴都位于分型面時， 氣體可以排出， 產品不會有氣穴發生的地方。

圖14 氣穴分析

3.8 體積收縮率分析

體積收縮率指的是過渡區域的體積收縮差值， 此產品的差異小于5%， 表示該產品收縮均勻。 如圖15所示。

圖15 體積收縮率分析

3.9 變形分析

根據分析的結果 （圖16~圖19）， 確認產品的整體變形最大為13.11mm， X方向的變形為6.325mm， Y方向的變形為10.51mm， Z方向的變形為6.912mm， 保險杠產品的總體變形符合生產的要求。

圖16 整體變形分析

圖17 X方向分析

圖18 Y方向分析

圖19 Z方向分析

4 結束語

本文基于注塑的流動理論， 通過Moldflow軟件完成了對保險杠產品的注塑成型有限元分析， 建立保險杠有限元分析的基本流程。

從模流分析結果確認了產品的成型條件、 注塑設備，為獲得最優的注塑壓力、 保壓時間、 填充時間等工藝參數提供了重要的理論依據。

確認了產品結構設計、 模具設計的合理性。 降低了產品設計的潛在失效并大大縮短了產品的開發周期和開發成本。