樹脂行李箱變形分析和預變形研究

袁寶文 陳文輝 周波 袁亞雄 黃海龍

摘? 要：本文通過借助CAE仿真分析手段，對某樹脂行李箱開發設計階段的產品翹曲變形情況和負載變形情況，進行了仿真量化分析。基于分析得出的各因素對產品尺寸變形的影響數值，在數據結構和模具上進行了相應的預變形設計，來消除翹曲和負載對樹脂行李箱產品裝配尺寸的影響。最終通過將設計數據與模具件的對比印證，成功解決了樹脂行李箱的翹曲變形和負載變形，提高了行李箱總成實物樣品的尺寸與設計尺寸的一致性。

關鍵詞：樹脂行李箱蓋；翹曲變形；負載變形；預變形補償

中圖分類號：U465? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：1005-2550（2024）03-0031-07

Deformation Analysis and Anti-deformation Design of Resin Trunk Lid

Abstract： This article quantitatively analyzes the warping deformation and load deformation during the development and design stage of a resin trunk Lid compartment using CAE simulation analysis. Based on the analysis of the influence values of various factors on product size deformation， corresponding anti-deformation designs were carried out on the data structure and model to eliminate the influence of warping and loading deformation on the assembly size of resin trunk lid products. Finally， by comparing the design data with the mold components， the warping deformation and load deformation of the resin luggage compartment were successfully solved， and the consistency between the dimensions of the physical sample of the trunk Lid assembly and the design dimensions was improved.

Key Words： Resin Trunk Lid; Warping Deformation; Load Deformation; Anti-Deformation Compensation

1? ? 引言

在乘用車電動化發展日新月異的今天，對車身輕量化的需求也越發迫切。行李箱系統作為汽車重要的開閉件系統，傳統鈑金材料的行李箱在輕量化方面已經發展到了瓶頸期。樹脂材料憑借其自身優異的成型性和低密度等特性，成為了一個更好的行李箱材料的選擇方案。典型塑料的比重僅為鋼的1/7，等彎曲彎度和等彎曲強度下塑料對鋼的減重百分數也能達到35%以上[1]。在考慮到輕量化、力學性能、環保等諸多因素后，本次開發的行李箱，其內外板材料采用改性聚丙烯塑料（PP+添加劑）。最終在關鍵性能基本等同原型車金屬行李箱的情況下，使樹脂行李箱的重量下降了25%以上。

但是，受材料自身特性和加工工藝的影響，樹脂行李箱相比金屬行李箱在形狀尺寸上的變化會更復雜，故設計階段做好變形分析并以此作出預變形補償設計，是樹脂行李箱開發時尺寸控制方面的重點課題。目前行業內對單個塑料件的翹曲變形研究已經較為深入，但對于樹脂行李箱這種內外板復合翹曲，并疊加粘接過程變形和負載變形問題的研究模型尚不多見，本次針對上述問題進行了探索性研究及實物驗證。

2? ? 樹脂行李箱的結構說明

作為乘用車常用的開閉件系統，行李箱需要具有良好的各種耐久性能。因此，樹脂行李箱在結構上仍需要采用傳統內外板結合構成的框架結構，來保證行李箱自身的彎曲、扭轉等力學性能。接下來參照圖1，對金屬行李箱和樹脂行李箱的結構特征進行簡單對比說明。

如圖1所示，金屬行李箱由多塊分別沖壓成形的金屬內外板，通過常規的焊接和包邊、涂膠結合而成。樹脂行李箱則由一體式注塑成形的滑石粉聚丙烯外板和長玻纖聚丙烯內板，經過表面處理后由聚氨酯粘接劑壓合粘接而成。無論是零部件的成型加工工藝，還是最終總成的連接工藝，金屬行李箱與樹脂行李箱均有較大差異。為避免加工工藝的區別導致樹脂行李箱尺寸精度管理方面的問題，在結構設計時就需要分析并制定對策來盡可能消除樹脂行李箱的尺寸變形。

3? ? 樹脂行李箱的變形因素及影響量

針對樹脂行李箱材料、結構及具體加工工藝方案等方面，梳理了樹脂行李箱變形的潛在影響因子。相比傳統的鈑金行李箱，樹脂行李箱的尺寸精度除了受傳統的各對手件的反作用力影響外，樹脂件自身的注塑翹曲變形和粘接過程中的翹曲變形會極大地影響行李箱整體的尺寸精度。故本次從樹脂行李箱的翹曲變形和負載變形兩個方面進行分析。

3.1? ?翹曲變形

翹曲變形是指塑件的實物形狀尺寸偏離了設計尺寸，是塑件常見且無法避免的缺陷之一。其產生機理是，快速注射時塑件在模腔里冷卻時各個位置的局部溫度不同，內部就會在塑件的冷卻過程中產生應力，從而導致在成品脫模后發生翹曲變形。產品設計人員希望在制造階段能夠消除塑料件翹曲變形造成的質量問題，而模具設計者又希望能夠在設計階段預測出塑件可能產生翹曲變形的原因及變形量，以便對模具結構進行優化，從而提高生產的塑件的尺寸精度。因此，就需要在模具設計之前，通過軟件模擬分析塑料件在X、Y、Z3個方向的理論變形量及變形產生的原因，結合塑件的成型經驗，計算出塑件各方向上的預變形量[2]。對于樹脂行李箱來說，其內外板均存在一定的翹曲變形，且因材料、厚度的差異，內外板的翹曲量差異較大，準確地模擬分析內外板各自的變形量是本次研究的重難點。

3.1.1 外板翹曲變形

樹脂行李箱的外板需要有較高的表面硬度、抗劃痕性能和抗熱變形性能，同時需具備良好的成形性。在聚丙烯塑料中加入滑石粉可有效的改善制品的表面硬度、抗劃痕性和耐熱性，并有效改善塑料材料的流動性和成型收縮率[3]。

本次樹脂行李箱外板選擇的是添加了滑石粉的聚丙烯外板。在滑石粉的作用下，聚丙烯外板的成型收縮率雖大幅下降，但由于外板整體尺寸較大，故樹脂外板仍會存在較大翹曲變形，下面結合圖2進行說明。

圖2（a）為樹脂行李箱外板注塑澆口布置圖，受結構和外觀商品性等因素限制，外板共布置有6個澆口，采用順序閥控制進料時間。圖2（b）為填充等值線圖，表示填充速度的快慢。圖2（c）為充填結束時的體積溫度圖，表示熔體充模時的溫度情況。圖2（d）為總體形變圖，表示形變量與理論尺寸的差異量。可以發現，在下端拐角部位，因料流填充速度較慢，填充結束時溫度較低，外板會產生最大8.6mm的翹曲變形。

3.1.2 內板翹曲變形

樹脂行李箱內板的各項力學性能決定了行李箱總成的整體性能，故內板需要選用強度、剛度、尺寸穩定性均較好的塑料材料。在各種塑料中，長玻纖增強聚丙烯（LGF-PP）可以在成型階段較好地保留其玻纖的長度，使制得的塑料制品同時具有高模量和高沖擊強度，而且尺寸穩定性、抗蠕變性、耐疲勞性等性能更優[4-5]，是樹脂內板的優秀材料選項。本次內板采用的是添加了長玻纖的聚丙烯。

行李箱內板特征、結構較外板更為復雜，且內板材料流動性更差，故注塑時的材料收縮變形問題也不容忽視，結合圖3進行說明內板的翹曲問題。

圖3（a）為注塑澆口布圖，內板共布置有13個澆口。圖3（b）為填充等值線圖，圖3（c）為充填結束時的體積溫度圖，圖3（d）為總體形變圖。同外板的變形原因類似，內板在上端揚角部，因材料流動行程較大，材料填充速度較慢，填充結束時溫度較低，會產生最大5.4mm的翹曲變形。

3.1.3 粘接變形

如圖4（a）所示，樹脂行李箱是由內板和外板粘接構成的。除去內板和外板自身存在較大的翹曲變形，在粘接過程中也會產生一定的變形量。如圖4（b）所示，自然狀態粘接壓合內外板時，外板由于自身剛性較差，粘接劑的壓縮反力會導致外板邊緣部位產生約0.8mm的變形。

3.2? ?負載變形

行李箱作為乘用車重要的開閉件系統，除對自身的彎曲剛性、扭轉剛性有較高的要求，還作為負載平臺需要能承受多個對手件的反作用力。同鈑金行李箱類似，關閉狀態下影響樹脂行李箱尺寸的負載主要有如下四種：1、行李箱扭桿彈簧通過鉸鏈作用在行李箱上的扭轉力，2、行李箱密封條的擠壓反力，3、行李箱橡膠緩沖塊的壓縮反力，4、行李箱鎖止力。因工況與金屬行李箱一致，本次對這四種負載的產生原理和形變量僅做簡要說明。

3.2.1 扭簧負載變形

對于鵝頸式鉸鏈的乘用車行李箱，扭桿彈簧通過鉸鏈作用在行李箱開啟方向的扭力矩，是行李箱開啟時克服行李箱整體重力矩和其他摩擦阻力的重要力矩，也是對行李箱尺寸變形影響最大的負載因素。行李箱的開啟特性要求在行李箱開啟的一瞬間，扭桿彈簧的扭矩需遠超行李箱系統重力和摩擦力的力矩總和，才能保證行李箱瞬間的彈起。行李箱在開啟過程中，扭轉彈簧的扭轉角逐漸減小，同時扭轉力矩逐漸減小，故行李箱關閉狀態扭桿彈簧設定的扭矩是最大的。扭桿彈簧的扭矩一般可以用如下公式進行計算：

式中：d為扭桿彈簧直徑，

L為扭桿彈簧的長度，

θ為裝配時扭桿彈簧最大扭轉角度，

G為材料的剪切模量。

本次設定扭簧直徑d=6.0mm，L=958.5mm，θ=191.0°，G=78.5GPa，可以計算出扭簧的力矩最大為34.6KN·mm，由公式F=M/L（鉸鏈力臂長度）得出扭簧通過單側鉸鏈作用在行李箱內板上的力為143N。

3.2.2 密封條負載變形

如圖5（a）所示，行李箱關閉時，密封條處于壓縮狀態，會對行李箱周圈產生向上的壓縮反力，導致行李箱的形狀和尺寸會向上發生變化。EPDM行李箱密封條是一種可壓縮的超彈性體[8]，其壓縮反力與壓縮量成正相關。本次采用的密封條，其壓縮荷重曲線如圖5（b）所示，結合密封條總長度和壓縮量，可簡單近似得出密封條作用在行李箱周圈均勻的壓縮反力總和約為97.68N。

3.2.3 緩沖塊和鎖的負載變形

緩沖塊在行李箱關閉狀態時也為壓縮狀態，從而對行李箱產生壓縮反力。緩沖塊的壓縮反力由橡膠壓縮量的大小決定，本次設定緩沖塊壓縮0.5mm情況下，根據緩沖塊的壓縮反力曲線可計算出單側緩沖塊壓縮反力約為21.1N。

對于關閉狀態的乘用車行李箱系統，扭簧、密封條、緩沖塊均對行李箱產生開啟方向的力，鎖的嚙合作用和系統的重力、摩擦力則提供關閉方向的力，最終兩種力實現平衡。但是在關閉狀態，鎖的嚙合點是行李箱約束系統的下止點，故一般認為鎖止力不會使行李箱產生變形位移。

以下圖（6）為行李箱系統負載變形的CAE分析模型示意圖：

4? ? 預變形補償設計

4.1? ?預變形補償設計原理

預變形補償是利用CAE分析的塑件變形量對塑件進行預變形（反向變形）設計，從而改善成形和裝配后的塑件的尺寸[2]。塑件預變形補償的原理是，模具設計時在零件變形的反方向用預變形進行補償，使成形后的零件形狀尺寸達到原始的設計理論狀態。對于樹脂行李箱這種復合變形疊加的模型，常用的解決方法是將復合變形分解為多種單一變形，并針對各單一變形進行預變形設計來達到消除各單一變形，最終實現對復合變形的反向變形抑制。如圖7所示，以行李箱變形工況最復雜的內板為例，進行預變形分析及補償設計的原理說明。在內板理論位置上，對內板進行模流翹曲分析和負載變形分析，計算出翹曲變形量和負載變形量，從分析得出的變形起始點開始，對內板變形區域在理論位置上反向增加變形量，使變形后的內板尺寸達到理論位置。

采用同樣的方法來消除外板的變形，使外板尺寸也達到理論尺寸。在內外板單品各自的尺寸達到設計要求的情況下，通過粘接治具來消除粘接過程中的變形，最終確保裝配狀態下行李箱的尺寸和位置能達到理論設計狀態。考慮到行李箱內外板整體尺寸較大，為滿足裝配要求，設定內外板單件的尺寸變形公差為±1.5mm以內。

4.2? ?預變形補償設計方法

4.2.1 翹曲預變形

在確定了內外板原材料、成型工藝參數、澆口位置、模具冷卻水路后，結合模擬分析計算出的變形量和拐點位置，分別計算出內外板在X向和Z向的預變形量。下面結合圖8所示，對外板預變形方案進行說明。圖8（a）為外板X向變形量，圖8（b）為外板Z向變形量。可以看出，外板在X向的變形量最大為1.0mm左右，滿足公差設定；在Z向的變形量最大為8.4mm左右，接近最大變形量8.6mm，故對外板Z向變形進行反變形補償設計。每隔100mm取點，確定相應點的預變形量及預變形拐點位置來進行預變形設計。

如圖8（c）所示為外板Z向預變形點位設計。在上端P01～P04做預變形，方向為-Z向；在下端P015～P025做預變形，方向為+Z向。在確定好外板的預變形量之后，通過CAD軟件對預變形進行結構設計，將留有預變形的外板與原外板進行對比分析，變形結果如圖8（d）所示。可以看到，留有預變形的外板其變形趨勢、變形量與原外板成型的變形趨勢、變形量基本一致。

設置有預變形的外板，試模時各點位的各向尺寸誤差結果參見表1，均在1.5mm以內（Z向變形1.43mm），滿足預變形設計目標。

如圖9所示，采用同樣的翹曲變形抑制方法，對內板做預變形防止。內板變形量最大為5.4mm，主要變形方向也是Z向變形。針對內板Z向進行預變形設計，可將內板在上端揚角部的翹曲變形從5.4mm減小至0.89mm（Z向變形0.83mm），試模件尺寸精度結果參見表2。

4.2.2 粘接預變形

粘接過程中產生的變形，主要是粘接劑壓合反力導致的外板形狀變化。內板由于自身強度較大，且粘接時有固定的治具支撐而無需運動，對總成的形狀影響較小。為減小外板自身的變形，同時保證外板粘接時運動位移的均一性，就需要使用粘接胎模來保證外板能夠匹配內板型面，從而確保粘接完成品尺寸的穩定性。如圖10所示，為粘接時內外板的粘接壓合胎模示意圖和胎膜實物布置圖。粘接時，治具覆蓋外板粘接面周圈，治具自身的高強度和高精度能有效消除外板粘接過程中的變形，保證外板在粘接過程中的尺寸穩定性和位置準確度，使粘接后的行李箱總成有較高的尺寸精度。

4.2.3 負載預變形

樹脂行李箱總成的負載變形情況與金屬行李箱負載變形基本一致，預變形的方法也是類似的。通過前面的分析可知，行李箱的負載變形主要由扭簧、密封條和緩沖塊的壓縮反力所導致，且扭桿彈簧、密封條和緩沖塊均對行李箱產生沿開啟方向（近似Z向）的作用力，那么負載預變形的方案也就是消除該方向的變形。在構建的CAE模型中，加入上述三種負載，計算得出行李箱總成的Z向變形量約為0.98mm。

如圖11所示，為行李箱的負載預變形方案。通過在設計時，將行李箱鉸鏈安裝面Z向預留1mm負載預變形余量，實車裝配后扭簧、密封條和緩沖塊的反力會將行李箱Z向向上頂起0.98mm，使行李箱從裝配位置變形到實際位置（即設計理論位置），從而基本抵消負載對行李箱尺寸的變形影響。

5? ? 行李箱實物驗證

在對行李箱進行了復合的翹曲預變形和負載預變形后，以正式量產模具產品在完成車檢具上進行了仿實車尺寸測量，結果如圖12所示。可以看到，采用了預變形的樹脂行李箱總成的尺寸誤差在±1.5mm以內，達成了樹脂行李箱預變形設計的目的。

6? ? 結論

通過對樹脂行李箱翹曲變形和負載變形的案例分析和驗證可知：

（1）樹脂行李箱的預變形，需要綜合分析構成零部件的制造變形和裝配后的負載變形，針對不同的變形因素分別擬定相應的預變形對策，最后將各項對策方案疊加實施。

（2）樹脂行李箱的制造變形控制，難點在于對樹脂內板和外板均存在翹曲預變形，故需要分別對內板、外板進行翹曲變形分析，并進行相應的預變形設計。

（3）采用粘接劑連接零件時，考慮到粘接壓合時半固態粘接劑對內外板存在壓合反力，利用粘接治具來消除壓合反力帶來的粘接變形，可以有效保證粘接后的零部件的尺寸精度。

（4）對于樹脂行李箱復合翹曲變形問題，對內外板進行翹曲預變形使內外板分別達成設定的尺寸精度，再利用治具消除粘接過程變形，可基本消除行李箱總成的制造變形。

（5）樹脂行李箱的負載變形和鈑金行李箱基本一致，重點都是要消除扭桿彈簧和密封條的反力，通過設定Z向的預變形量，可有效減小負載變形。

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