上海依工塑料五金有限公司 楊華榮

在目前汽車零部件發(fā)過過程，需要經(jīng)過產(chǎn)品設計.模具設計.實驗室各種環(huán)境試驗臺裝機實驗，再到定型生產(chǎn)，一般需要二到三年的開發(fā)驗證周期，隨著科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，零部件模具開發(fā)的過程已經(jīng)充分利用了模流技術(shù)，模具開發(fā)質(zhì)量有了明顯提高，但是結(jié)構(gòu)強度設計和塑件模具開發(fā)還是有明顯的斷層，一旦產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計或模具結(jié)構(gòu)考慮不周導致塑件強度達不到設計需求，會導致模具開發(fā)延遲或者推倒重來，嚴重影響整個項目的開發(fā)進度；隨著主機廠車型的更新?lián)Q代速度加快，對汽車零部件廠提出了縮短開發(fā)周期硬性要求；本文以研究結(jié)構(gòu)仿真（Nastran in-cad）和注塑仿真（Moldflow）聯(lián)合（Helius-PFA）應用為研究對象，為更貼近現(xiàn)實的仿真技術(shù)應用及模具開發(fā)提出可參考借鑒的方法及使用流程。

隨著汽車主機廠加快車型的更新速度，對零部件行業(yè)項目開發(fā)提出了縮短開發(fā)周期及降低開發(fā)成本等硬性要求，同時對零部件的安全可靠性要求不僅沒降低反而提出了更高層次的標準和要求。對于汽車零部件行業(yè)廠家來說，只有結(jié)合利用先進的科學技術(shù)，才能為汽車主機廠提供可靠穩(wěn)定的產(chǎn)品，積極促進產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，全面提高管理及技術(shù)水平。因此，為了更好地滿足現(xiàn)實發(fā)展需要，本文基于Moldflow注塑仿真和Nastran結(jié)構(gòu)仿真聯(lián)合應用在節(jié)溫器零部件產(chǎn)品開發(fā)上，著重研究PPS含玻纖材料在注塑熔接線處的強度分析，提前預測產(chǎn)品注塑后可能導致在實驗中的失效風險，縮短開發(fā)時間及降低開發(fā)成本。

1 產(chǎn)品3D的前處理

圖1為節(jié)溫器的一個部件，在節(jié)溫器中有聯(lián)通冷卻液管道及密封作用。

圖1 節(jié)溫器部件圖

產(chǎn)品有一圈細小的圓角結(jié)構(gòu)及爛面，最新版的Moldflow因為兼容性很強取消了CADdoctor模塊，如果單做模流分析可以不用處理產(chǎn)品3D，進入Moldflow界面劃分網(wǎng)格，如果網(wǎng)格無缺陷且縱橫比滿足系統(tǒng)要求，就可以直接進行分析；考慮到nastran in-cad網(wǎng)格能力較弱，如果模型不進行前處理可能會導致網(wǎng)格劃分失??；因此需要利用UG軟件去除微小圓角及修復爛面，直至幾何體檢查通過為止。

2 Moldflow注塑仿真分析

Moldflow分析產(chǎn)品在注塑整個過程中的潛在缺陷及工藝建議，包含注塑時間、注塑壓力、熔融溫度、熔接線位置及產(chǎn)品變形等幾十種結(jié)果，本文著重介紹強度分析對Moldflow求解器的詳細設置。

2.1 Moldflow網(wǎng)格劃分流程

CAE是利用有限元原理把復雜問題分成一個個簡單問題進行求解的過程，系統(tǒng)精度對網(wǎng)格有一定的要求，Moldflow要求縱橫比20以下，無自由邊.重疊面等缺陷，且聯(lián)合仿真對比熔接面強度分析還要求必須是3D網(wǎng)格；首先導入產(chǎn)品后網(wǎng)格類型更改為雙層面進行網(wǎng)格劃分；第二步檢查網(wǎng)格質(zhì)量，縱橫比要修復到20以下越小越好，并且無其他網(wǎng)格缺陷；第三步網(wǎng)格類型更改為3D網(wǎng)格再次劃分網(wǎng)格，雙層面的質(zhì)量越好，3D網(wǎng)格的質(zhì)量也就越好，因為3D網(wǎng)格類型下無法修復網(wǎng)格缺陷的，這也就是選擇在雙層面網(wǎng)格的基礎上劃分3D網(wǎng)格的原因。

2.2 Moldflow分析設置及注意點

聯(lián)合仿真要求分析流程中最少包含填充及保壓工藝才可進行后續(xù)的數(shù)據(jù)擬合，作者因需要想更貼近現(xiàn)實情況，模型處理中已加進水路，分析流程中包含冷卻.填充.保壓及變形四個模塊；如果不進行熔接面強度分析，Moldflow不需進行任何特殊設置和平常一樣設置就行，本文需要進行熔接線強度分析所以需要把輸出熔接面設置打開，方法為工藝設置》高級選項》求解器參數(shù)（點編輯）》界面選項中勾選“熔接面強度分析”，至此Moldflow設置已完成點擊分析按鈕進行正常的分析環(huán)節(jié)。

3 Nastran in-CAD進行前處理及輸出擬合結(jié)構(gòu)文件

Nastran軟件需要對產(chǎn)品3D進行網(wǎng)格劃分及載荷設置，之后進行輸出結(jié)構(gòu)網(wǎng)格文件設置。熔接面強度分析要求結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量盡可能密，最好能達到模流分析網(wǎng)格的數(shù)量，在擬合軟件（Helius-PFA）界面中有匹配性檢查程序，但是網(wǎng)格越多也意味著計算量越大，計算周期也就越長，這之間的度要大家自行把握；本文采用方法是采用和Moldflow網(wǎng)格劃分中同樣的網(wǎng)格尺寸，因兩個軟件劃分網(wǎng)格的方式和邏輯不同，結(jié)構(gòu)軟件網(wǎng)格數(shù)量比模流網(wǎng)格數(shù)量要少很多。

3.1 Nastran的網(wǎng)格劃分設置及注意點

Nastran in-cad軟件是作為插件集成在Autodesk inventor中的，不能單獨進行產(chǎn)品3D的前處理及網(wǎng)格劃分工作；首先打開inventor軟件，新建部件》輸入3D數(shù)據(jù)》環(huán)境》選擇Nastran in-CAD選項；第二步進入nastran環(huán)境中選擇模型樹中的網(wǎng)格設置，設置網(wǎng)格大小后進行網(wǎng)格劃分，進入模型樹中參數(shù)設置選項，輸入TETREDORD把TETREDORD選項設為關(guān)閉，第三步雙擊模型樹頂部的分析1選項中勾選非線性靜力選項，點擊模型樹中子工況下的非線性設置1，進入選項頁面中增量數(shù)由1改為100，中間輸出選項改為全部。第四步設置載荷及約束工況，本文中約束設置為螺絲孔及安裝面全為固定，載荷設置為密封圈在安裝后給塑件施加的1000N反作用力。

3.2 Nastran設置輸出文件

第一步右鍵單擊模型樹中分析一在彈出菜單中選擇生成nastran文件，第二步在模型樹頂部選擇autodask Nastran文件，在其頁面中單擊保存圖標，保存nas文件到電腦中。

4 利于Helius-PFA軟件進行數(shù)據(jù)擬合

4.1 材料三向應力應變數(shù)據(jù)的前處理

聯(lián)合仿真需要材料廠商做玻纖0e45e90°三個方向的應力應變測試數(shù)據(jù)，一般拿到材料廠的數(shù)據(jù)不是PDF版本就是excel格式的，PDF的格式我們把數(shù)據(jù)全部錄進excel表格中，然后把Excel格式改成后綴為“.CSV”文件。

4.2 helius導入moldflow數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行擬合映射

進入Advanced material exchange界面，單擊零件映射，在彈出的對話框中選擇方案的文件框中打開模流文件夾下對應的后綴Sdy文件，選擇結(jié)構(gòu)的文件框中選擇輸出nastran結(jié)構(gòu)文件包，后綴為nas文件，第二步軟件會自動檢查產(chǎn)品網(wǎng)格的對齊情況，沒有對齊會自動提示對齊網(wǎng)格，第三步在材料選項中選擇添加非線性材料，在彈出的對話框中選擇導入整理的應力應變數(shù)據(jù)；第三步選擇映射結(jié)果，軟件會把模流數(shù)據(jù)中的玻纖取向及應力應變和熔接面數(shù)據(jù)映射到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中；第四步選擇輸出結(jié)構(gòu)包，軟件會把文件導出為三個文件，注意三個文件后綴為hen文件為材料設置文件，nas文件為網(wǎng)格文件，sif文件為接口文件，三個文件除了后綴不一樣外名字要一致，導出后不可以改文件名且需要放個同一個文件夾目錄下。

5 導入Nastran中進行求解運算

（2）在nastran程序打開的情況下，雙擊模型樹中的分析一，在彈窗對話框中點擊選項，勾選輸入結(jié)構(gòu)模型，大位移選項設置為關(guān)閉。

（3）點擊面板中的運行按鍵，進行求解運算。

（4）結(jié)果解讀，DAMAGE STATE代表高斯點降級情況，1代表未斷裂，2代表已斷裂MATRIX EFFECTIVE STRESS代表機體材料的有效應力，F(xiàn)AILURE MODE代表失效模式0代表未失效，1代表拉伸失效，2代表壓縮失效；SOLID MATRIX TANGENT MODULUS代表機體成分的切線彈性模量，在檢查失效開裂部分的彈性模量遞減值比較有效，可以直觀觀察到可能失效部位彈性模量會有大幅度降低；AME總共輸出有7個結(jié)果，作者在本文產(chǎn)品中僅評價了前述的4個結(jié)果，結(jié)果表明在熔接線位置產(chǎn)品強度有明顯的降低，熔接線處的切面彈性模量已經(jīng)降至正常機體的1/5；雖然在正常注塑良好情況下產(chǎn)品是安全的，但是不能排除模具在運行過程中排氣堵塞導致的熔接線質(zhì)量下降風險，因此在模具設計開發(fā)階段就在熔接線位置拆了排氣鑲件，有效避免了后續(xù)生產(chǎn)過程中的風險。圖2為基體成分切線彈性模量，圖3為基體有效應力云圖。

圖2 基體成分切線彈性模量圖

圖3 基體有效應力云圖

結(jié)論：通過實例的仿真分析，考慮玻纖取向的聯(lián)合仿真模型得到的應力值與實際的應力值更接近，可以提高含玻纖材料零件仿真計算結(jié)果的準確性，證明了聯(lián)合仿真在模具開發(fā)中有提前預測風險，提前優(yōu)化改善模具設計的缺陷的功能，在模具開發(fā)中可以大量應用積累成功經(jīng)驗，同時也可降低開發(fā)成本縮短開發(fā)周期，在提高產(chǎn)品質(zhì)量方面也可以有更加科學方法及建議。