汽車復(fù)合材料前端模塊工藝及性能仿真的發(fā)展綜述

張勝強，張營，朱盼，芮曉麗，朱松

（1.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；2.上汽通用有限公司，上海 201201；3.天津市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，天津 300202）

前言

復(fù)合材料的前端支架的尺寸精度、尺寸穩(wěn)定性以及剛度有較高的要求，以便保證前端支架與車身的安裝配合精度。熱塑性復(fù)合材料的力學(xué)性能與制件的成型工藝息息相關(guān)，而工藝參數(shù)對制件成型又有顯著的影響。因此，控制每個工藝參數(shù)對于控制制件的成型尺寸與精度極為重要[1-3]。

因此，在試模制作前進行注塑工藝模擬有助于工藝參數(shù)的優(yōu)化及匹配，從而控制產(chǎn)品的尺寸精度；并能夠有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高模具設(shè)計和產(chǎn)品成形質(zhì)量、減少試模費用和勞動強度。在結(jié)構(gòu)性能CAE仿真中，將模擬工藝過程中產(chǎn)生的真實纖維分布結(jié)果與殘余應(yīng)力帶入后續(xù)的三維 CAE結(jié)構(gòu)模型，可有效提高結(jié)構(gòu)剛度、強度的預(yù)測準(zhǔn)確性[3]。

1 復(fù)合材料的注塑工藝仿真

注塑工藝過程中涉及到多個工藝參數(shù)對注塑成品質(zhì)量的影響，采用正交實驗設(shè)計方法[4,5]對注塑工藝進行模流分析，可以有效確定不同因素、不同水平下各個工藝參數(shù)對試驗結(jié)果的影響規(guī)律。同時，還可以討論單一因素對試驗結(jié)果的影響趨勢、揭示影響機理，為后續(xù)注塑實驗提供扎實的理論基礎(chǔ)。

1.1 注塑工藝仿真的理論分析

目前，注塑工藝模擬軟件Moldflow因其預(yù)測效果可靠在國內(nèi)外得到業(yè)內(nèi)人士及企業(yè)的一致認(rèn)可[6-9]。Moldflow軟件的預(yù)測原理為：依據(jù)塑料的流變學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、傳熱學(xué)、數(shù)值計算分析等基礎(chǔ)理論，來構(gòu)建所用塑料在模具型腔內(nèi)的流動、傳熱的數(shù)學(xué)模型。

前端支架制品在厚度方向上的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他方向上的尺寸，注塑成型的充填過程可以用基于黏性、非等溫、不可壓縮條件下的Hele-Shaw流動模型，建立描述該過程的連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量方程[10,11]。

1.2 注塑工藝的仿真參數(shù)選擇

針對注塑過程中的問題，國內(nèi)外學(xué)者在注塑工藝參數(shù)方面已開展了大量仿真研究工作[12-22]。

Staub研究不同寬度和厚度矩形腔的澆口尺寸對充模壓力影響，對 LDOE、HDPE、PS、PP、中沖擊性聚苯乙烯（MIPS）及高沖擊性聚苯乙烯（HIPS）進行流動實驗，在螺旋模流道中，考察熔融溫度、注射壓力對螺旋流動長度和厚度的影響。Kalyon證明，高聚物密度、流動性和熱性能的不同會導(dǎo)致充模時間、封口時間、制品質(zhì)量的不同。

G.Williams和 H.Alord研究了聚合物在熱壁和冷壁直形與錐形腔中溫度、壓力及流速的分布，澆口、模腔形狀、材料特性、工藝條件對了流動的影響。Gilmore和Spencer用聚苯乙烯在柱塞式注塑機上研究熱塑性塑料的可模塑性條件，發(fā)現(xiàn)注射壓力、保壓壓力、切換時間、熔體溫度和模具溫度對制品的收縮率影響甚大。

Boan則用聚乙烯、聚苯乙烯研究模塑條件下的充模流體動力學(xué)，實驗表明，注射壓力、熔體溫度的改變可以縮短充模時間。

1.3 注塑工藝翹曲的仿真

前端支架作為形狀復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)，在成型過程中容易出現(xiàn)翹曲、熔接痕、縮痕、氣穴等缺陷，其中翹曲變形對于制件的使用影響最大。

許荔珉以零件翹曲變形為優(yōu)化目標(biāo)，采用正交試驗方法并結(jié)合模流分析軟件 Moldflow對薄壁塑件的注塑成型工藝參數(shù)進行了優(yōu)化；Tang等分析了各種注塑工藝參數(shù)對注塑制品翹曲變形的影響，并采用 Taguchi方法尋求塑件翹曲變形的最優(yōu)工藝參數(shù)；Erzurumlu等采用Moldflow模擬研究了不同材料不同結(jié)構(gòu)的塑料件發(fā)生的翹曲，并優(yōu)化工藝參數(shù)。

翹曲變形[23-25]主要受三個因素的影響：

1）冷卻差異。具體表現(xiàn)為模具型腔內(nèi)部溫度分布不均勻，致使制件在熱收縮的過程中收縮不均勻，而導(dǎo)致制件的翹曲變形；

2）收縮差異。塑料制品的結(jié)構(gòu)中不同部位厚度的差異，導(dǎo)致薄厚壁的結(jié)晶度的不同，產(chǎn)生不均勻的體積收縮，易使制品變形和翹曲；

3）取向差異。即結(jié)晶性塑料各向異性顯著，內(nèi)應(yīng)力大，脫模后制品內(nèi)未結(jié)晶的分子有繼續(xù)結(jié)晶的傾向，最終使制品翹曲變形。

2 復(fù)合材料注塑件結(jié)構(gòu)性能的CAE技術(shù)

2.1 復(fù)合材料注塑件結(jié)構(gòu)性能的有限元方法

許多國內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值方法（有限元方法）模擬研究纖維增強復(fù)合材料的性能。Fiedler等[26]運用有限元方法模擬了單向纖維增強復(fù)合材料在拉伸荷載條件下的失效形式，他們認(rèn)為當(dāng)纖維和基體界面粘結(jié)性能強時，復(fù)合材料的失效主要取決于基體的失效性能；當(dāng)纖維和基體界面粘結(jié)性能弱時，復(fù)合材料失效主要由纖維和基體的脫粘導(dǎo)致的。

楊衛(wèi)等[27]采用有限元經(jīng)典單胞模型，通過短纖維直徑尺度上的應(yīng)力——應(yīng)變來模擬整個復(fù)合材料宏觀應(yīng)力——應(yīng)變特征，能夠分析細(xì)觀結(jié)構(gòu)對宏觀有效性能的影響。由于經(jīng)典單胞模型對材料的微觀結(jié)構(gòu)做了較多理想化的假定，如短纖維周期性排列等，使得模擬結(jié)果存在一定誤差。

郭然等[28]則基于Voronoi單元有限元法，結(jié)合網(wǎng)格重劃技術(shù)模擬顆粒增強復(fù)合材料中顆粒夾雜與基體界面的脫層狀態(tài)，分析了夾雜相和基體之間脫層對復(fù)合材料習(xí)慣結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響。

方岱寧等[29]對纖維增強高分子聚合物基有效性能進行了模擬，主要采用三維有限元數(shù)值方法，利用細(xì)觀力學(xué)模型并結(jié)合計算力學(xué)方法來研究復(fù)合材料中的平均應(yīng)力應(yīng)變場，模擬計算了旋轉(zhuǎn)體和非旋轉(zhuǎn)體纖維增強復(fù)合材料的有效彈性模量。結(jié)果表明復(fù)合材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)對軸向彈性模量影響較小，而橫向有效彈性模量主要取決于受纖維的排列方式。

2.2 復(fù)合材料注塑件結(jié)構(gòu)性能的軟件模擬方法

依托商用軟件為基礎(chǔ)，國內(nèi)外學(xué)者針對復(fù)合材料注塑件的力學(xué)性能等進行了細(xì)致的研究。劉斌等[30]提出了將型腔表面分割成不同區(qū)域，用Moldflow分析的結(jié)果為模具邊界載荷條件在ANSYS軟件中模擬模具變形情況，并通過實驗驗證，證明該方法可靠。

陳志新等[31]利用Moldflow的分析結(jié)果作為ANSYS分析模腔變形的邊界條件，研究了模具的變形情況?？涤懒值萚32]人通過應(yīng)用ANSYS有限元軟件，對沿板截面方向的應(yīng)力應(yīng)變和位移的分布進行了分析，并模擬了樹脂復(fù)合輕質(zhì)夾層板的彎曲誠信過程中錯動量的分布以及變化規(guī)律，為輕質(zhì)夾層板的設(shè)計與實際生產(chǎn)提供了技術(shù)參考。

方括和張青等[33]基于單層板理論的逐漸累積損傷的靜強度預(yù)測方法的基礎(chǔ)上，提出了用于二維機織復(fù)合材料靜強度的預(yù)測方法，并對復(fù)合材料層合板的靜強度進行模擬分析。

值得注意的是，在過去的10年間，雖然用于熱塑性塑料的建模技術(shù)已得到了顯著進步，但在行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，對材料的表征技術(shù)以及對長玻纖增強復(fù)合材料行為特征加以了解的技術(shù)目前尚處于初級階段。因此，精確而可靠的復(fù)合材料的性能表征，對于設(shè)計工程師完成預(yù)測分析、縮短產(chǎn)品交付時間以及加速開發(fā)和生產(chǎn)啟動的時間進度至關(guān)重要。

3 結(jié)論

盡管注塑成型模擬技術(shù)在實際應(yīng)用中已十分成熟，在注塑模具設(shè)計、工藝參數(shù)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)性能CAE仿真等方面也有許多進展，但仍有一些欠缺，大致可以歸納出以下幾方面問題：

a）復(fù)雜注塑件幾何設(shè)計一般采用經(jīng)驗設(shè)計與拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合的方法，工序繁瑣復(fù)雜，對設(shè)計人員有較高要求。

b）大多數(shù)研究者一般以復(fù)合材料層合板或試驗標(biāo)準(zhǔn)件為研究對象，而對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大的汽車承載結(jié)構(gòu)件的研究較少。

c）對于采用復(fù)合材料為制作原料的前端支架的設(shè)計研究較少，只有少部分針對前端模塊塑料件進行靜力學(xué)分析，并未有人對前端模塊進行整車的動力學(xué)分析。

d）針對復(fù)合材料前端模塊的有限元方法研究中，需要著重考慮纖維對于材料本構(gòu)及結(jié)構(gòu)性能的影響。

e）對于嵌件注塑中的界面問題，研究很少，缺乏界面性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和界面形成機理的解釋，更沒有分子尺度對界面性能預(yù)測方法和結(jié)果，實驗測試也比較困難，影響了宏觀力學(xué)模型的預(yù)測精度。

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