雷紹闊,張 健,姜葉潔,薛 峰,鐘國(guó)留,劉 偉
(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院,廣州 511434)
為了達(dá)到汽車輕量化,很多汽車零部件采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料注塑以替換原來(lái)的金屬材料[1-2],新材料及新工藝的應(yīng)用使得準(zhǔn)確合理的結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)分析更加重要[3]。目前,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析將玻璃纖維取向三個(gè)方向的均化力學(xué)性能作為輸入?yún)?shù)[4-5],分析過(guò)程中沒有考慮玻璃纖維的取向?qū)Ξa(chǎn)品強(qiáng)度的影響;然而玻璃纖維在復(fù)合材料中起到主要的增強(qiáng)作用,沿著玻璃纖維取向方向及垂直玻璃纖維取向方向上的力學(xué)性能差異顯著,因此,玻璃纖維取向是結(jié)構(gòu)分析不可忽略的因素[6-8]。
筆者以含玻璃纖維注塑成型的汽車蓄電池托盤為例,進(jìn)行了模流分析與結(jié)構(gòu)分析的聯(lián)合仿真。首先根據(jù)蓄電池托盤的成型模具方案及工藝應(yīng)用Moldflow完成注塑模流分析,得到玻璃纖維取向結(jié)果,通過(guò)復(fù)合材料仿真軟件Helius將玻璃纖維取向結(jié)果通過(guò)空間位置映射到結(jié)構(gòu)對(duì)齊的Abaqus分析軟件的結(jié)構(gòu)仿真網(wǎng)格中,映射后的結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格模型再提交Abaqus完成分析即為基于Helius的模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真。該聯(lián)合仿真的分析過(guò)程充分考慮纖維取向因素,方法更加合理,預(yù)計(jì)分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。為了證明聯(lián)合仿真的分析精度,根據(jù)設(shè)定的統(tǒng)一工況進(jìn)行了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及實(shí)際樣品測(cè)試。
聯(lián)合仿真的詳細(xì)流程見圖1,聯(lián)合仿真實(shí)施前需要進(jìn)行三項(xiàng)前處理,即建立結(jié)構(gòu)分析模型、建立材料模型、獲取纖維取向。
圖1 聯(lián)合仿真流程圖
(1)建立結(jié)構(gòu)分析模型:根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在前處理軟件Hypermesh中劃分網(wǎng)格,設(shè)定結(jié)構(gòu)分析工況,形成結(jié)構(gòu)分析模型。
(2)建立材料模型:注塑標(biāo)準(zhǔn)樣板,取塑料流動(dòng)方向?yàn)?°、45°、90°三個(gè)方向的樣條進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),經(jīng)過(guò)真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變轉(zhuǎn)換得到材料的三向拉伸曲線,作為聯(lián)合仿真的材料性能輸入。
(3)獲取纖維取向:根據(jù)Hypermesh軟件劃分的網(wǎng)格導(dǎo)出模流分析軟件Moldflow可兼容的pat網(wǎng)格格式文件作為模流分析的建模模型,基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模具方案及注塑工藝參數(shù)進(jìn)行Moldflow模流分析,得到注塑成型的玻璃纖維取向結(jié)果,包含玻璃纖維取向的模流分析結(jié)果以sdy文件的形式輸出。
(4)纖維取向及材料模型的整合:將模流分析網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格分別導(dǎo)入Helius軟件界面,通過(guò)空間對(duì)齊,將模流分析得到的纖維取向結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格模型中;導(dǎo)入三向拉伸曲線,通過(guò)曲線擬合得到材料力學(xué)性能與纖維取向角度的關(guān)系,作為結(jié)構(gòu)分析的材料模型輸入。
(5)實(shí)施聯(lián)合仿真:將映射后的結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格和擬合的材料模型共同提交Abaqus求解器計(jì)算,即得到聯(lián)合仿真結(jié)果,聯(lián)合仿真結(jié)果以odb文件的形式輸出。
汽車蓄電池托盤的裝配結(jié)構(gòu)見圖2。該蓄電池托盤為含玻璃纖維注塑成型,安裝于蓄電池支架上,用于承托蓄電池總成及防止周邊零件被蓄電池酸液腐蝕。因?yàn)槌袚?dān)固定蓄電池的作用,其設(shè)計(jì)制造過(guò)程對(duì)強(qiáng)度要求較高。
圖2 蓄電池托盤裝配結(jié)構(gòu)示意圖
該蓄電池托盤結(jié)構(gòu)見圖3,產(chǎn)品長(zhǎng)為285 mm、寬為219 mm、高為40 mm,主體壁厚為3.5 mm。產(chǎn)品模具方案為中心位置單點(diǎn)熱流道進(jìn)膠,使用材料為聚丙烯加40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的長(zhǎng)玻璃纖維(PP+40%LGF)。為驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確率,設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的驗(yàn)證工況(見圖3),固定2個(gè)安裝點(diǎn),在箭頭所示位置垂直向下施加100 N的力,產(chǎn)品將隨著力的施加而產(chǎn)生變形,根據(jù)傳感器記錄受力點(diǎn)的位置作為仿真的驗(yàn)證對(duì)象。
圖3 蓄電池托盤結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)模具方案建立的模流分析網(wǎng)格模型見圖4。網(wǎng)格類型為3D四面體單元,為保證厚度方向纖維取向分析精度,厚度方向設(shè)定10層網(wǎng)格,產(chǎn)品網(wǎng)格單元總數(shù)為2 736 847。產(chǎn)品為單點(diǎn)熱流道進(jìn)膠,塑料填充時(shí)間等值線圖見圖5。塑料經(jīng)熱澆口注塑入產(chǎn)品中心位置后兩側(cè)同時(shí)填充滿,產(chǎn)品流動(dòng)平衡,玻璃纖維隨塑料流動(dòng)取向,玻璃纖維取向結(jié)果主要根據(jù)塑料的填充流動(dòng)情況分析獲得。
圖4 蓄電池托盤模流分析網(wǎng)格模型
圖5 填充時(shí)間等值線圖
模流分析得到的纖維取向結(jié)果見圖6。纖維取向張量結(jié)果顯示指定主方向上纖維定向的概率。在結(jié)果比例上,接近 1 的值表示纖維在指定的主方向上對(duì)齊的可能性很大,而接近 0 的值表示其可能性很小。纖維取向張量第一值表示,第一主方向上,即最多纖維對(duì)準(zhǔn)的方向上,纖維對(duì)準(zhǔn)的概率,其值處于0.33~1.00。纖維取向張量第一值結(jié)果越大,說(shuō)明該區(qū)域纖維取向越一致,結(jié)果越小說(shuō)明該區(qū)域纖維趨向于沿各個(gè)方向取向。由圖6可以看出:在產(chǎn)品拐角、邊界位置纖維取向張量第一值較小,說(shuō)明該處纖維取向較為紊亂,是流動(dòng)方向改變導(dǎo)致的。
圖6 纖維取向張量
根據(jù)產(chǎn)品設(shè)定工況在Hyperwork中劃分3D網(wǎng)格,其中網(wǎng)格數(shù)量為525 947,厚度方向網(wǎng)格層數(shù)為3,建立邊界條件、載荷,最終輸出結(jié)構(gòu)分析建模文件為inp格式文件,結(jié)構(gòu)分析模型見圖7。
圖7 結(jié)構(gòu)分析模型
將模流分析得到的纖維取向結(jié)果及網(wǎng)格一并導(dǎo)入到復(fù)材分析軟件Helius中,再將結(jié)構(gòu)分析模型導(dǎo)入Helius中,通過(guò)空間位置對(duì)齊兩個(gè)網(wǎng)格模型,將模流分析得到的纖維取向結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)分析模型中,映射結(jié)果見圖8。纖維取向結(jié)果以纖維取向張量的形式映射到結(jié)構(gòu)分析模型中,圖8為纖維取向張量第一值的映射效果對(duì)比。
目前已將纖維取向結(jié)果賦予到結(jié)構(gòu)分析模型中,但最終還需將各取向?qū)?yīng)的材料力學(xué)性能賦予給分析模型。將沿著玻璃纖維取向方向0°、45°、90°的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線輸入Helius,通過(guò)曲線擬合獲取纖維取向與材料力學(xué)性能的關(guān)系式,即可反推獲取各個(gè)纖維取向下的材料力學(xué)性能。三向拉伸曲線擬合效果見圖9。由圖9可以看出,三條擬合曲線均與實(shí)驗(yàn)曲線有較好的貼合,說(shuō)明擬合效果較好。
(a)模流分析得到的纖維取向張量結(jié)果
(b)映射到結(jié)構(gòu)分析模型后的纖維取向張量結(jié)果
圖9 0°、45°、90°三向拉伸曲線擬合結(jié)果
完成纖維取向映射及材料曲線擬合后,Helius將各個(gè)區(qū)域的纖維取向結(jié)果及其對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能曲線賦予到結(jié)構(gòu)分析模型中,調(diào)用Abaqus求解器計(jì)算即可得到聯(lián)合仿真結(jié)果。
為驗(yàn)證聯(lián)合仿真的分析精度,筆者還進(jìn)行了不考慮玻璃纖維取向的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真及設(shè)定工況下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其中,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真輸入的材料參數(shù)根據(jù)沿著塑料流動(dòng)方向所取樣條拉伸曲線獲取,最終傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析輸入的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖10。根據(jù)傳統(tǒng)分析與聯(lián)合仿真的統(tǒng)一工況應(yīng)用實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行受力實(shí)驗(yàn),測(cè)得的產(chǎn)品受力點(diǎn)力-位移曲線見圖11,當(dāng)產(chǎn)品受到工況設(shè)定的100 N的力時(shí),受力點(diǎn)的位移為4.56 mm,該值將作為仿真精度驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)。
圖10 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析輸入的材料真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖11 受力點(diǎn)-位移曲線
圖12為聯(lián)合仿真及傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析得到的受力點(diǎn)位置結(jié)果。由圖12可以看出:傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析得到的受力點(diǎn)位移為3.1 mm,聯(lián)合仿真得到的受力點(diǎn)位移為5.2 mm,對(duì)比實(shí)際測(cè)試的受力點(diǎn)位移4.6 mm,得出傳統(tǒng)分析的誤差為32.6%,聯(lián)合仿真的誤差為13%,聯(lián)合仿真的誤差較傳統(tǒng)分析有明顯降低,說(shuō)明聯(lián)合仿真的分析精度更高。
(a)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
(b)聯(lián)合仿真
圖12 聯(lián)合仿真及傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析得到的受力點(diǎn)位移
隨著汽車輕量化的發(fā)展,玻璃纖維增強(qiáng)塑料在更多汽車零部件上應(yīng)用[9-11],聯(lián)合仿真的開發(fā)與實(shí)施將會(huì)更加廣泛。筆者通過(guò)復(fù)合材料分析軟件Helius將模流分析的纖維取向結(jié)果通過(guò)空間對(duì)齊映射到結(jié)構(gòu)分析模型中,并通過(guò)0°、45°、90°三向拉伸曲線擬合賦予任意玻璃纖維取向的材料性能,最終實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合仿真。
按照設(shè)定工況通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出聯(lián)合仿真分析誤差為13%,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析誤差為32.6%,聯(lián)合仿真分析誤差明顯小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析。筆者采用的聯(lián)合仿真被證明結(jié)果更加接近實(shí)際,可有效縮短產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中修模、試模的次數(shù),避免過(guò)設(shè)計(jì),不僅縮短了整車項(xiàng)目的開發(fā)周期,而且有效降低了開發(fā)及生產(chǎn)成本。同時(shí),聯(lián)合仿真還為含玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車中的應(yīng)用提供CAE支持,促進(jìn)更多的汽車零部件采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料代替金屬材料,從而促進(jìn)汽車輕量化。