肖永富 于保君 曹正林

（1.中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130013）

主題詞：模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真 塑料件 模流 輕量化設(shè)計

1 前言

隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重，對車輛的排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，這就要求車輛向節(jié)能與新能源汽車方向發(fā)展，對于傳統(tǒng)燃油車，車身輕量化可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，對于新能源車，可以增加續(xù)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(yè)的發(fā)展，以塑代鋼成為實(shí)現(xiàn)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(fā)動機(jī)罩蓋、翼子板、車門內(nèi)板、輪罩、后背門、進(jìn)氣歧管、前端框架、發(fā)動機(jī)支架等。塑料相比金屬，有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)造型自由，零部件集成性也較好；當(dāng)然塑料相比金屬也有一些缺點(diǎn)，例如耐高溫性差、剛度低、制造工藝復(fù)雜，成本高[1-2]。

而塑料件的制造涉及高分子材料、流體力學(xué)、熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計等，是一個典型的多學(xué)科應(yīng)用場景，這就增加了塑料件制造過程中的復(fù)雜性及不可預(yù)見性，借助于CAE（計算機(jī)輔助工程）手段可以實(shí)現(xiàn)上述過程的模擬仿真，對零件結(jié)構(gòu)、注塑過程流動特性、熱及壓力傳導(dǎo)以及零件的變形情況提前進(jìn)行預(yù)判，進(jìn)而可以極大的提高產(chǎn)品的開發(fā)效率及提升產(chǎn)品質(zhì)量，所以，進(jìn)行模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真的意義變得非常重要。

2 模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真建模技術(shù)

用于模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真的網(wǎng)格可以是殼單元網(wǎng)格、雙層面網(wǎng)格和體單元網(wǎng)格。對于雙層面網(wǎng)格來說，可以體現(xiàn)零部件準(zhǔn)確的料厚信息，但為了保證網(wǎng)格匹配率，勢必要丟失一些圓角信息，其特點(diǎn)是計算效率高，計算精度適中；對于體網(wǎng)格來說，其特點(diǎn)是可以體現(xiàn)圓角信息和料厚信息，幾何特征較完整，缺點(diǎn)是網(wǎng)格數(shù)量大，計算成本高；對于殼單元網(wǎng)格來說，其優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)格數(shù)量少，計算效率高，缺點(diǎn)是有一些圓角特征體現(xiàn)不出來，計算精度略低。對于汽車塑料件來說，因?yàn)榇蠖鄶?shù)是薄壁件，符合板殼理論，在做結(jié)構(gòu)分析時，一般都進(jìn)行殼單元建模，所以為保證模流和結(jié)構(gòu)有限元的一致性，模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真時建議采用殼單元進(jìn)行建模。當(dāng)然，現(xiàn)在很多模流與結(jié)構(gòu)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(wǎng)格劃分技術(shù)，已經(jīng)比較成熟，可以通過一些專用的前處理網(wǎng)格進(jìn)行建模，有效地提升工作效率，例如莫仲學(xué)等提出了利用前處理軟件HyperMesh幫助提升模流建模質(zhì)量和速度[3]。

3 材料特性

塑料件注塑時為流體狀態(tài)，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(fā)生很大的變化，屬于非牛頓流體，所以模流仿真進(jìn)行材料參數(shù)輸入時，需輸入粘度特性曲線，如圖1所示。此外，熔融狀態(tài)下的塑料件在不同的壓力及溫度下，其體積比容也會發(fā)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(shù)、熱屬性也是需要輸入的參數(shù)，對于做模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真來說，翹曲結(jié)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(qiáng)烈建議對仿真用的材料進(jìn)行測試，獲得真實(shí)的材料參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)。Zhiliang Fan等人對模流仿真的模型和材料參數(shù)問題進(jìn)行了詳細(xì)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(yīng)力應(yīng)變曲線會發(fā)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(xiàn)為各向異性，不同角度的應(yīng)力應(yīng)變曲線也會出現(xiàn)很大的差異。

圖3 不同纖維含量應(yīng)力應(yīng)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(xiàn)為各方向上纖維張量會隨著位置出現(xiàn)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(fù)雜，需要進(jìn)行材料本構(gòu)模型的搭建，為達(dá)到仿真的高精度，在復(fù)合材料建模上需要花費(fèi)一定的時間，例如張玉麗等人對復(fù)合材料進(jìn)行了多尺度建模，并與傳統(tǒng)建模方法進(jìn)行了結(jié)果對比，驗(yàn)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(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真分析技術(shù)

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(tǒng)、冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真及優(yōu)化設(shè)計，并且模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)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(chǎn)品潛在的質(zhì)量缺陷，優(yōu)化注射工藝，提高塑料件開發(fā)效率。近年來，模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，如汽車、家電等行業(yè)都得到了大量的應(yīng)用。

模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真與塑料件注塑成型工藝相關(guān)，模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真技術(shù)已開展多年，且已經(jīng)在實(shí)際注塑工藝中發(fā)揮了很大的作用，用于指導(dǎo)塑料件產(chǎn)品開發(fā)，并取得了很好的效果。利用模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真技術(shù)可以對澆口形式、澆口數(shù)量、澆口位置以及截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。米利波等人通過正交試驗(yàn)?zāi)M對遙控器外殼的澆口位置、數(shù)量和橫截面尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，最終得到了合理的截面尺寸和澆口數(shù)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(shù)對移動電源殼蓋熱流道注射模進(jìn)行了設(shè)計，針對移動電源殼壁薄且表面質(zhì)量要求高的特點(diǎn)，借助于Moldflow軟件的填充結(jié)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(tǒng)，既解決了產(chǎn)品填充困難問題，又節(jié)約了材料，提升了成型效率[9]。Sun Bao-fu 等人對手機(jī)后蓋兩種澆口形式進(jìn)行了對比，從填充時間、困氣、熔接線、翹曲四方面進(jìn)行對比，選出了較優(yōu)的澆口方案[10]。Hanwu Liu 等人對汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)行了模流仿真分析，并對澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了成型過程參數(shù)優(yōu)化[11]。王鳳等人對保險杠注塑順序閥控制技術(shù)進(jìn)行了研究，通過合理設(shè)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(shù)[12]。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，冷水系統(tǒng)的隨形水路應(yīng)運(yùn)而生，與傳統(tǒng)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(yōu)勢。歷邵等人基于3D 打印技術(shù)，對儀表罩注塑模具隨形冷卻水路進(jìn)行了設(shè)計，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)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(chǎn)品驗(yàn)證試驗(yàn)表明溫度均勻性最多提高44.6%[13]。

模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真分析已經(jīng)用于指導(dǎo)注塑模具的加工制造，可以有效地提升模具開發(fā)的效率。朱陸林等人申請了基于CAE分析制造的模具發(fā)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(fā)明專利[15]。模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真涉及工藝參數(shù)較多，這就導(dǎo)致注塑成型結(jié)果可能受多重因素影響，挖掘出對某一項注塑結(jié)果的最優(yōu)工藝參數(shù)組合尤為重要。如果各因素都進(jìn)行考慮，進(jìn)行優(yōu)化分析，試驗(yàn)矩陣就會非常龐大，計算效率低下，這時候就需要進(jìn)行合理的試驗(yàn)矩陣設(shè)計。Ruonan ZHAO 等人采用Moldflow 模流軟件，利用田口試驗(yàn)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(guān)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(jié)果得到了每個因素的最優(yōu)水平，并最終組合出了最優(yōu)的工藝參數(shù)[16]。唐西西等人利用正交試驗(yàn)以及CAE 軟件獲取導(dǎo)致工藝缺陷的注塑工藝參數(shù)權(quán)重以及第一優(yōu)化注塑工藝參數(shù)，基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)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(yàn)因子，翹曲變形為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合PB 篩選試驗(yàn)及最佳爬坡試驗(yàn)選取建模中心點(diǎn)，基于響應(yīng)面分析法建立模型，對注射成型工藝進(jìn)行了優(yōu)化[18]。

近年來，隨著工藝技術(shù)的提高，一些新的注塑工藝已經(jīng)在注塑成型中開始采用，典型的有氣輔成型技術(shù)、水輔成型技術(shù)以及預(yù)變形技術(shù)，這些新的工藝技術(shù)在提升產(chǎn)品質(zhì)量及提高注塑效率上都有著明顯的優(yōu)勢，這些新工藝相應(yīng)地也應(yīng)用了CAE仿真技術(shù)。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(diǎn)，構(gòu)建了EGAIM 氣體保壓階段及脫模后自然冷卻階段制品內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變的力學(xué)模型。采用耦合有限元法對EGAIM 平板制件的翹曲變形進(jìn)行模擬計算，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致[19]。張輩欽對抽真空注塑模具的設(shè)計及應(yīng)用進(jìn)行了研究，重點(diǎn)對抽真空部分及借助保壓補(bǔ)縮階段實(shí)現(xiàn)壁厚處填充的注塑工藝，提高注塑周期等技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了探索[20]。陳忠仕等人對方管短玻纖增強(qiáng)聚合物水輔注塑成型穿透進(jìn)行了模擬機(jī)試驗(yàn)方面的研究，基于描述聚合物復(fù)合材料的粘彈性方程White-Metzner 及流體動力學(xué)3 大控制方程，采用有限體積法（FVM）開發(fā)的軟件對由直線構(gòu)成的方形截面管材短玻璃纖維增強(qiáng)聚合物水輔成型的穿透進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證[21]。王超房等人對基于預(yù)變形的長條狀注塑制品翹曲控制進(jìn)行了研究，針對長條狀注塑制品比常規(guī)尺寸制品更易變形、變形量更大，且傳統(tǒng)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(yù)變形反補(bǔ)償控制制品翹曲變形，并利用CAE 技術(shù)進(jìn)行多次預(yù)變形設(shè)計來確定制品最終的預(yù)變形量和預(yù)變形曲線，基于預(yù)變形后的制品設(shè)計圖紙完成了模具設(shè)計和制品制造，生產(chǎn)出了滿足精度要求的制品[22]。

綜上所述，模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真技術(shù)已經(jīng)深入注射成型領(lǐng)域，并指導(dǎo)注射模具開發(fā)，對于工藝參數(shù)的優(yōu)化也已經(jīng)開發(fā)出了各種優(yōu)化算法的應(yīng)用，取得了很好的效果，隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，近年來，開發(fā)出了氣輔成型、水輔成型、預(yù)變形先進(jìn)的模擬仿真技術(shù)應(yīng)用。

5 模流結(jié)果映射

進(jìn)行模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真，需要將模流結(jié)果體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)仿真軟件中，這就需要在模流軟件和結(jié)構(gòu)軟件之間有一個數(shù)據(jù)的傳遞。早期一些接口軟件要求模流和結(jié)構(gòu)共用一套網(wǎng)格，進(jìn)行一一映射，隨著近年來算法的優(yōu)化，大多數(shù)軟件都不需要網(wǎng)格的一一映射，且大部分都可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)不同結(jié)構(gòu)分析軟件的格式數(shù)據(jù)，但用軟件自帶接口通用性并不好，很多還需要進(jìn)行文本編輯后才可以導(dǎo)入結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行求解，難度系數(shù)較大。目前市面上已經(jīng)有從模流到結(jié)構(gòu)的接口軟件，如Digimat、Helius等，可以實(shí)現(xiàn)模流結(jié)果到結(jié)構(gòu)軟件的映射。圖5 為Digimat 軟件實(shí)現(xiàn)模流軟件到結(jié)構(gòu)軟件的映射圖[5]。

6 模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真技術(shù)

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(chǎn)品缺陷，屬于模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真的內(nèi)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(jié)構(gòu)仿真的內(nèi)容，這就需要進(jìn)行模流-結(jié)構(gòu)的聯(lián)合仿真。模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真難度之所以很大，是因?yàn)檎麄€聯(lián)合仿真涉及的環(huán)節(jié)太多，比如有限元模型的簡化影響、材料本構(gòu)模型的一致性、模流仿真的精度等，每一個環(huán)節(jié)的精度都會影響最終的仿真結(jié)果，要想獲得準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，且保證合適的計算成本，需要綜合去把控每一個環(huán)節(jié)。

圖5 DigimatT模流到結(jié)構(gòu)映射[5]

近年來，已經(jīng)有人在模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真領(lǐng)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(qiáng)度分析方法及應(yīng)用發(fā)明專利[23]，具體結(jié)構(gòu)如圖6 所示，通過對塑料瓶進(jìn)行模流仿真，將注塑成型的殘余應(yīng)力映射到結(jié)構(gòu)仿真軟件中，采用非線性靜力求解法對塑料瓶強(qiáng)度進(jìn)行了分析，有助于指導(dǎo)塑料瓶的結(jié)構(gòu)和模具設(shè)計以及工藝參數(shù)的設(shè)定。張立強(qiáng)等人對增強(qiáng)聚丙烯塑性復(fù)合材料的汽車前罩進(jìn)行了模流-結(jié)構(gòu)的聯(lián)合仿真，聯(lián)合仿真結(jié)果和傳統(tǒng)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，表明聯(lián)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度聯(lián)合仿真[24]

Marc Kanters 等人對塑料短玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的疲勞壽命進(jìn)行了大量的研究[6]。圖7為帶纖維增強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)樣條以及帶缺口的樣條（不同纖維方向及不同缺口半徑）進(jìn)行拉伸和彎曲疲勞試驗(yàn)，獲得不同交變載荷下的疲勞壽命曲線；第二步對纖維增強(qiáng)塑料進(jìn)行有限元微觀結(jié)構(gòu)建模，由于材料呈各向異性，標(biāo)準(zhǔn)樣件在拉伸時應(yīng)力并不會在斷面內(nèi)平均分布，所以引入了局部應(yīng)力系數(shù)，通過對比試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)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(yàn)結(jié)果，對缺口系數(shù)進(jìn)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(shù)對疲勞結(jié)果影響非常大，缺口系數(shù)很小的誤差就會導(dǎo)致疲勞結(jié)果出現(xiàn)很大差異；第四步纖維增強(qiáng)塑料進(jìn)行注塑模流仿真，并通過微觀CT進(jìn)行掃描，對比仿真與試驗(yàn)纖維微觀結(jié)構(gòu)上的一致性，結(jié)果證明一致性較好，證明模流仿真結(jié)果的有效性；第五步進(jìn)行纖維增強(qiáng)塑料零件級別疲勞壽命分析，同樣在不同的交變載荷下進(jìn)行，最終分析與試驗(yàn)結(jié)果對比呈現(xiàn)較好的線性，誤差在10～30 倍以內(nèi)，并最終通過材料卡片進(jìn)行分析與試驗(yàn)一致性的修正，修正后的仿真與試驗(yàn)可以達(dá)到很好的一致性。

圖7 纖維增強(qiáng)塑料疲勞分析流程[6]

整體來看，目前對于模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真相關(guān)應(yīng)用開展的相對較少，且需要有大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐，仿真的精度還需要進(jìn)一步的提升。

7 結(jié)束語

綜上所述，由于輕量化、造型及功能需求以及化工技術(shù)的進(jìn)步，塑料件在汽車上的應(yīng)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(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真技術(shù)可以有效地提升汽車塑料件的開發(fā)效率。目前模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真國內(nèi)外尚處于起步階段，只有少數(shù)的機(jī)構(gòu)做過相關(guān)研究，模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真的流程還需進(jìn)一步完善，仿真的精度還需要進(jìn)一步提升。

（1）車身塑料件大多是薄壁件，模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真建模適合采用殼單元進(jìn)行，在保證分析效率的同時，可以保證模流與結(jié)構(gòu)采用同樣殼單元網(wǎng)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(jìn)行建模。

（2）模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真的材料特性至關(guān)重要，材料參數(shù)的輸入直接決定下一步模流分析的精度，進(jìn)而會影響模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真的精度，所以材料參數(shù)及特性曲線一定要通過真實(shí)的試驗(yàn)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(shù)已經(jīng)很成熟，且已經(jīng)開發(fā)出了針對各種結(jié)果的優(yōu)化技術(shù)，各行業(yè)也積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，下一步工作應(yīng)該結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，完善數(shù)據(jù)庫及提升仿真的效率和精度。

（4）從模流結(jié)果到結(jié)構(gòu)仿真軟件的映射已經(jīng)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(jìn)行復(fù)合材料的本構(gòu)模型搭建，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對本構(gòu)模型進(jìn)行修正，保證材料模型的準(zhǔn)確性。

（5）模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真開展工作較少，且需要試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效支撐，相關(guān)的理論支撐也需要進(jìn)一步的加強(qiáng)，技術(shù)路線還需迭代和優(yōu)化，但對于模流-結(jié)構(gòu)仿真的需求正在不斷增強(qiáng)，模流-結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真還有大量的工作需要去做。