基于CAE模擬分析的汽車注塑儀表板產(chǎn)品設計

李淵博，夏金林，楊健宇，王少軍

(安徽華菱汽車有限公司,安徽馬鞍山 243000)

0 引言

隨著國際和國內(nèi)汽車行業(yè)高度發(fā)展，為適應市場變化,各整車廠對汽車的研發(fā)周期有了更高的要求。在整車的研發(fā)過程中，汽車的設計及驗證階段占據(jù)整車開發(fā)周期的1/2之多，要想有效地縮短汽車的研發(fā)周期，就必須從設計和驗證階段切入，提高產(chǎn)品設計效率。這就要求汽車各系統(tǒng)設計人員具備專業(yè)的CAE分析能力，在設計階段有效地縮短設計時間，提出相對準確的產(chǎn)品設計方案。市場的需求推動了CAE分析軟件在產(chǎn)品設計階段的應用，模擬分析能有效地發(fā)現(xiàn)和識別設計產(chǎn)品在后期制造過程中可能出現(xiàn)的成型缺陷，讓設計人員在產(chǎn)品結(jié)構及選材方面提前提出較為優(yōu)化的技術方案，盡而減少設計時間、節(jié)約后期因設計變更而產(chǎn)生的制造成本。這就要求從事產(chǎn)品設計的研發(fā)人員應盡早具備相應的CAE軟件分析能力。

本文作者以某重型卡車注塑儀表板本體為設計對象，對儀表板的設計過程及相關的模擬分析進行梳理。儀表板本體設計外形尺寸為2 047 mm×620 mm×310 mm，其結(jié)構形狀如圖1所示。產(chǎn)品設計結(jié)構較為復雜、尺寸精度及產(chǎn)品強度要求高；后期在產(chǎn)品制造的過程中，將會出現(xiàn)難以預計的局部變形和產(chǎn)品收縮等設計風險。為確認儀表板結(jié)構設計的合理性、可制造性，結(jié)合模流分析CAE軟件Moldflow對儀表板本體注塑成型進行有限元建模分析，提前預測產(chǎn)品在成型過程中局部變形及收縮過限風險。

圖1 儀表板本體

1 儀表板本體產(chǎn)品初步設計模型

1.1 儀表板各功能區(qū)域精度設定

根據(jù)儀表板本體所裝配的功能組件，把儀表板劃分為5個功能區(qū)，具體為駕駛員可視操縱區(qū)(1號位置)、前部除霜區(qū)域(2號位置)、ECU檢測區(qū)域(3號位置)、右側(cè)下飾搭接區(qū)域(4號位置)、乘客側(cè)出風口區(qū)(5號位置)、左側(cè)下飾板搭接區(qū)(6號位置)，具體如圖1所示。

1.2 儀表板本體選材

為保證儀表板的整體強度及以生產(chǎn)制造成本作為先期考慮點，初步選擇為PP+GF20。

1.3 初版產(chǎn)品模型CAE模態(tài)分析

如圖2所示，將塑料件的3D模型利用CAD Doctor修正后，導入到Moldflow軟件中，劃分雙層面網(wǎng)格，表面三角形單元是212 194個，節(jié)點是101 963個，平均縱橫比為1.567 9，最大縱橫比7.425 6，最小縱橫比為1.15，匹配百分比為93.4%，相互網(wǎng)格匹配百分比為97.8%，能滿足各分析方案要求。

圖2 塑料件有限元網(wǎng)格模型

1.3.1 塑料件初定材料

采用PP+GF20材料(合肥杰事杰新材料股份公司生產(chǎn))，相對密度為1.08 g/cm3，物性特征曲線如圖3所示。

圖3 PP+GF20材料物性特征曲線

1.3.2 模態(tài)分析結(jié)果

(1)產(chǎn)品設計料厚分析

Moldflow軟件導入有限元數(shù)據(jù)網(wǎng)格，進行初步料厚分析。具體分析云圖如圖4所示。

云圖分析：產(chǎn)品主壁厚為3 mm；1號區(qū)域產(chǎn)品最大厚度6.5 mm，2號區(qū)域產(chǎn)品最大厚度為2.0 mm，將對產(chǎn)品成型制造精度產(chǎn)生較大影響。

改善方案：1號區(qū)卡扣區(qū)域由6.5 mm改為5.6 mm,前部邊沿由6.5 mm改為3.0 mm,卡扣與邊沿料厚搭接采用均勻過渡；2號區(qū)域從反面加膠至3.0 mm，與主壁厚保持一致，產(chǎn)品反面骨架支撐面下降1 mm。

圖4 料厚分析(初版模型)

(2)產(chǎn)品體積收縮率分析

通過有限元模態(tài)對產(chǎn)品的體積收縮率進行分析，具體如圖5所示：產(chǎn)品前部較大區(qū)域及其他局部體積收縮率最高達到11.03%，最小為2.23%，收縮率落差較大。

圖5 產(chǎn)品體積收縮率(初版模型)

云圖分析：收縮率落差較大的區(qū)域為厚料集聚變化處，比如產(chǎn)品前部區(qū)域；此外在產(chǎn)品拐角及結(jié)構復雜處同時出現(xiàn)較大的收縮變形，將會在產(chǎn)品冷卻過程中產(chǎn)生內(nèi)應力。

改善方案：產(chǎn)品前部區(qū)域主體料厚由6.5 mm均勻改為3.0 mm；其他局部區(qū)域較小，可通過注塑工藝及模具澆口設置進行解決。

(3)產(chǎn)品變形分析

Moldflow軟件導入有限元數(shù)據(jù)網(wǎng)格，進行產(chǎn)品變形分析，具體分析云圖如圖6所示：產(chǎn)品X軸向最大變形量為12.43 mm；產(chǎn)品Y軸向最大變形量為20.32 mm；產(chǎn)品Z軸向最大變形量為18.05 mm。

云圖分析：材料方面，初定選材為PP+GF20，材料收縮率較大，且纖維有一定的結(jié)晶取向，致使產(chǎn)品變形較大；結(jié)構方面，產(chǎn)品局部料厚落差過大，收縮應力集中也導致產(chǎn)品過量變形。

改善方案：材料由PP+GF20改為PC/ABS,材料收縮率由1.1%～1.2%改為0.3%～0.5%,取消對結(jié)晶有取向的加強纖維；產(chǎn)品結(jié)構料厚搭接采用均勻厚料3 mm,局部較小區(qū)域采用均勻過渡搭接。

圖6 初版產(chǎn)品變形分析結(jié)果

1.4 終版產(chǎn)品模型CAE模態(tài)分析

按照初版的數(shù)據(jù)改進方案進行優(yōu)化，對產(chǎn)品的結(jié)構及產(chǎn)品料厚重新建模進行驗證分析；導入到Moldflow軟件中，劃分雙層面網(wǎng)格，表面三角形單元是249 482個，節(jié)點是127 351個，平均縱橫比為1.532 8，最大縱橫比為7.153 2，最小縱橫比為1.24，匹配百分比為95.6%，相互網(wǎng)格匹配百分比為98.2%，能滿足此方案中各分析方案要求。

1.4.1 塑料件新材料

采用PC/ABS材料(合肥杰事杰新材料股份公司生產(chǎn))，相對密度為1.14 g/cm3，物性特征曲線如圖7所示。

圖7 PC/ABS材料物性特征曲線

1.4.2 模態(tài)分析結(jié)果

(1)產(chǎn)品設計料厚分析

云圖分析結(jié)果：產(chǎn)品主壁厚調(diào)整均勻壁厚為3mm，具體云圖見圖8。

圖8 料厚分析(終版模型)

(2)產(chǎn)品體積收縮率分析

通過有限元模態(tài)對產(chǎn)品的體積收縮率進行分析，具體如圖9所示：產(chǎn)品收縮率較大區(qū)域與較小區(qū)域在3%～4.9%波動，較初版數(shù)據(jù)波差優(yōu)化了85%。

圖9 產(chǎn)品體積收縮率(終版模型)

(3)產(chǎn)品變形分析

Moldflow軟件導入優(yōu)化數(shù)據(jù)有限元數(shù)據(jù)網(wǎng)格，進行產(chǎn)品變形分析；具體分析云圖如圖10所示：產(chǎn)品X軸向最大變形量為9.01 mm；產(chǎn)品Y軸向最大變形量為3.07 mm；產(chǎn)品Z軸向最大變形量為2.45 mm。

圖10 終版產(chǎn)品變形分析結(jié)果

1.5 產(chǎn)品優(yōu)化前后分析結(jié)果與實際生產(chǎn)對比

對以上分析結(jié)果進行梳理，同時對實際產(chǎn)品的具體檢測數(shù)據(jù)進行對比，具體見表1。實物產(chǎn)品檢測具體見圖11。

表1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析及實物檢測對比表

圖11 產(chǎn)品檢具檢測圖

2 結(jié)論

通過CAE軟件分析，以重卡注塑儀表板本體產(chǎn)品為例研究了產(chǎn)品的結(jié)構設計及材料選型對注塑生產(chǎn)成品尺寸精度的影響，從而為汽車大型注塑產(chǎn)品在概念設計階段提供理論支持，在設計初始階段進行調(diào)結(jié)構及材料選型，進而節(jié)約了汽車開發(fā)前端的產(chǎn)品設計時間，降低后期產(chǎn)品設計的變更周期及開發(fā)成本，為其他類似產(chǎn)品的設計選型提供了理論參考。