袁寶文 陳文輝 周波 袁亞雄 黃海龍
摘? 要:本文通過(guò)借助CAE仿真分析手段,對(duì)某樹脂行李箱開發(fā)設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品翹曲變形情況和負(fù)載變形情況,進(jìn)行了仿真量化分析?;诜治龅贸龅母饕蛩貙?duì)產(chǎn)品尺寸變形的影響數(shù)值,在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和模具上進(jìn)行了相應(yīng)的預(yù)變形設(shè)計(jì),來(lái)消除翹曲和負(fù)載對(duì)樹脂行李箱產(chǎn)品裝配尺寸的影響。最終通過(guò)將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與模具件的對(duì)比印證,成功解決了樹脂行李箱的翹曲變形和負(fù)載變形,提高了行李箱總成實(shí)物樣品的尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的一致性。
關(guān)鍵詞:樹脂行李箱蓋;翹曲變形;負(fù)載變形;預(yù)變形補(bǔ)償
中圖分類號(hào):U465? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ?文章編號(hào):1005-2550(2024)03-0031-07
Deformation Analysis and Anti-deformation Design of Resin Trunk Lid
Abstract: This article quantitatively analyzes the warping deformation and load deformation during the development and design stage of a resin trunk Lid compartment using CAE simulation analysis. Based on the analysis of the influence values of various factors on product size deformation, corresponding anti-deformation designs were carried out on the data structure and model to eliminate the influence of warping and loading deformation on the assembly size of resin trunk lid products. Finally, by comparing the design data with the mold components, the warping deformation and load deformation of the resin luggage compartment were successfully solved, and the consistency between the dimensions of the physical sample of the trunk Lid assembly and the design dimensions was improved.
Key Words: Resin Trunk Lid; Warping Deformation; Load Deformation; Anti-Deformation Compensation
1? ? 引言
在乘用車電動(dòng)化發(fā)展日新月異的今天,對(duì)車身輕量化的需求也越發(fā)迫切。行李箱系統(tǒng)作為汽車重要的開閉件系統(tǒng),傳統(tǒng)鈑金材料的行李箱在輕量化方面已經(jīng)發(fā)展到了瓶頸期。樹脂材料憑借其自身優(yōu)異的成型性和低密度等特性,成為了一個(gè)更好的行李箱材料的選擇方案。典型塑料的比重僅為鋼的1/7,等彎曲彎度和等彎曲強(qiáng)度下塑料對(duì)鋼的減重百分?jǐn)?shù)也能達(dá)到35%以上[1]。在考慮到輕量化、力學(xué)性能、環(huán)保等諸多因素后,本次開發(fā)的行李箱,其內(nèi)外板材料采用改性聚丙烯塑料(PP+添加劑)。最終在關(guān)鍵性能基本等同原型車金屬行李箱的情況下,使樹脂行李箱的重量下降了25%以上。
但是,受材料自身特性和加工工藝的影響,樹脂行李箱相比金屬行李箱在形狀尺寸上的變化會(huì)更復(fù)雜,故設(shè)計(jì)階段做好變形分析并以此作出預(yù)變形補(bǔ)償設(shè)計(jì),是樹脂行李箱開發(fā)時(shí)尺寸控制方面的重點(diǎn)課題。目前行業(yè)內(nèi)對(duì)單個(gè)塑料件的翹曲變形研究已經(jīng)較為深入,但對(duì)于樹脂行李箱這種內(nèi)外板復(fù)合翹曲,并疊加粘接過(guò)程變形和負(fù)載變形問(wèn)題的研究模型尚不多見(jiàn),本次針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了探索性研究及實(shí)物驗(yàn)證。
2? ? 樹脂行李箱的結(jié)構(gòu)說(shuō)明
作為乘用車常用的開閉件系統(tǒng),行李箱需要具有良好的各種耐久性能。因此,樹脂行李箱在結(jié)構(gòu)上仍需要采用傳統(tǒng)內(nèi)外板結(jié)合構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu),來(lái)保證行李箱自身的彎曲、扭轉(zhuǎn)等力學(xué)性能。接下來(lái)參照?qǐng)D1,對(duì)金屬行李箱和樹脂行李箱的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比說(shuō)明。
如圖1所示,金屬行李箱由多塊分別沖壓成形的金屬內(nèi)外板,通過(guò)常規(guī)的焊接和包邊、涂膠結(jié)合而成。樹脂行李箱則由一體式注塑成形的滑石粉聚丙烯外板和長(zhǎng)玻纖聚丙烯內(nèi)板,經(jīng)過(guò)表面處理后由聚氨酯粘接劑壓合粘接而成。無(wú)論是零部件的成型加工工藝,還是最終總成的連接工藝,金屬行李箱與樹脂行李箱均有較大差異。為避免加工工藝的區(qū)別導(dǎo)致樹脂行李箱尺寸精度管理方面的問(wèn)題,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就需要分析并制定對(duì)策來(lái)盡可能消除樹脂行李箱的尺寸變形。
3? ? 樹脂行李箱的變形因素及影響量
針對(duì)樹脂行李箱材料、結(jié)構(gòu)及具體加工工藝方案等方面,梳理了樹脂行李箱變形的潛在影響因子。相比傳統(tǒng)的鈑金行李箱,樹脂行李箱的尺寸精度除了受傳統(tǒng)的各對(duì)手件的反作用力影響外,樹脂件自身的注塑翹曲變形和粘接過(guò)程中的翹曲變形會(huì)極大地影響行李箱整體的尺寸精度。故本次從樹脂行李箱的翹曲變形和負(fù)載變形兩個(gè)方面進(jìn)行分析。
3.1? ?翹曲變形
翹曲變形是指塑件的實(shí)物形狀尺寸偏離了設(shè)計(jì)尺寸,是塑件常見(jiàn)且無(wú)法避免的缺陷之一。其產(chǎn)生機(jī)理是,快速注射時(shí)塑件在模腔里冷卻時(shí)各個(gè)位置的局部溫度不同,內(nèi)部就會(huì)在塑件的冷卻過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力,從而導(dǎo)致在成品脫模后發(fā)生翹曲變形。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員希望在制造階段能夠消除塑料件翹曲變形造成的質(zhì)量問(wèn)題,而模具設(shè)計(jì)者又希望能夠在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)出塑件可能產(chǎn)生翹曲變形的原因及變形量,以便對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,從而提高生產(chǎn)的塑件的尺寸精度。因此,就需要在模具設(shè)計(jì)之前,通過(guò)軟件模擬分析塑料件在X、Y、Z3個(gè)方向的理論變形量及變形產(chǎn)生的原因,結(jié)合塑件的成型經(jīng)驗(yàn),計(jì)算出塑件各方向上的預(yù)變形量[2]。對(duì)于樹脂行李箱來(lái)說(shuō),其內(nèi)外板均存在一定的翹曲變形,且因材料、厚度的差異,內(nèi)外板的翹曲量差異較大,準(zhǔn)確地模擬分析內(nèi)外板各自的變形量是本次研究的重難點(diǎn)。
3.1.1 外板翹曲變形
樹脂行李箱的外板需要有較高的表面硬度、抗劃痕性能和抗熱變形性能,同時(shí)需具備良好的成形性。在聚丙烯塑料中加入滑石粉可有效的改善制品的表面硬度、抗劃痕性和耐熱性,并有效改善塑料材料的流動(dòng)性和成型收縮率[3]。
本次樹脂行李箱外板選擇的是添加了滑石粉的聚丙烯外板。在滑石粉的作用下,聚丙烯外板的成型收縮率雖大幅下降,但由于外板整體尺寸較大,故樹脂外板仍會(huì)存在較大翹曲變形,下面結(jié)合圖2進(jìn)行說(shuō)明。
圖2(a)為樹脂行李箱外板注塑澆口布置圖,受結(jié)構(gòu)和外觀商品性等因素限制,外板共布置有6個(gè)澆口,采用順序閥控制進(jìn)料時(shí)間。圖2(b)為填充等值線圖,表示填充速度的快慢。圖2(c)為充填結(jié)束時(shí)的體積溫度圖,表示熔體充模時(shí)的溫度情況。圖2(d)為總體形變圖,表示形變量與理論尺寸的差異量??梢园l(fā)現(xiàn),在下端拐角部位,因料流填充速度較慢,填充結(jié)束時(shí)溫度較低,外板會(huì)產(chǎn)生最大8.6mm的翹曲變形。
3.1.2 內(nèi)板翹曲變形
樹脂行李箱內(nèi)板的各項(xiàng)力學(xué)性能決定了行李箱總成的整體性能,故內(nèi)板需要選用強(qiáng)度、剛度、尺寸穩(wěn)定性均較好的塑料材料。在各種塑料中,長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯(LGF-PP)可以在成型階段較好地保留其玻纖的長(zhǎng)度,使制得的塑料制品同時(shí)具有高模量和高沖擊強(qiáng)度,而且尺寸穩(wěn)定性、抗蠕變性、耐疲勞性等性能更優(yōu)[4-5],是樹脂內(nèi)板的優(yōu)秀材料選項(xiàng)。本次內(nèi)板采用的是添加了長(zhǎng)玻纖的聚丙烯。
行李箱內(nèi)板特征、結(jié)構(gòu)較外板更為復(fù)雜,且內(nèi)板材料流動(dòng)性更差,故注塑時(shí)的材料收縮變形問(wèn)題也不容忽視,結(jié)合圖3進(jìn)行說(shuō)明內(nèi)板的翹曲問(wèn)題。
圖3(a)為注塑澆口布圖,內(nèi)板共布置有13個(gè)澆口。圖3(b)為填充等值線圖,圖3(c)為充填結(jié)束時(shí)的體積溫度圖,圖3(d)為總體形變圖。同外板的變形原因類似,內(nèi)板在上端揚(yáng)角部,因材料流動(dòng)行程較大,材料填充速度較慢,填充結(jié)束時(shí)溫度較低,會(huì)產(chǎn)生最大5.4mm的翹曲變形。
3.1.3 粘接變形
如圖4(a)所示,樹脂行李箱是由內(nèi)板和外板粘接構(gòu)成的。除去內(nèi)板和外板自身存在較大的翹曲變形,在粘接過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一定的變形量。如圖4(b)所示,自然狀態(tài)粘接壓合內(nèi)外板時(shí),外板由于自身剛性較差,粘接劑的壓縮反力會(huì)導(dǎo)致外板邊緣部位產(chǎn)生約0.8mm的變形。
3.2? ?負(fù)載變形
行李箱作為乘用車重要的開閉件系統(tǒng),除對(duì)自身的彎曲剛性、扭轉(zhuǎn)剛性有較高的要求,還作為負(fù)載平臺(tái)需要能承受多個(gè)對(duì)手件的反作用力。同鈑金行李箱類似,關(guān)閉狀態(tài)下影響樹脂行李箱尺寸的負(fù)載主要有如下四種:1、行李箱扭桿彈簧通過(guò)鉸鏈作用在行李箱上的扭轉(zhuǎn)力,2、行李箱密封條的擠壓反力,3、行李箱橡膠緩沖塊的壓縮反力,4、行李箱鎖止力。因工況與金屬行李箱一致,本次對(duì)這四種負(fù)載的產(chǎn)生原理和形變量?jī)H做簡(jiǎn)要說(shuō)明。
3.2.1 扭簧負(fù)載變形
對(duì)于鵝頸式鉸鏈的乘用車行李箱,扭桿彈簧通過(guò)鉸鏈作用在行李箱開啟方向的扭力矩,是行李箱開啟時(shí)克服行李箱整體重力矩和其他摩擦阻力的重要力矩,也是對(duì)行李箱尺寸變形影響最大的負(fù)載因素。行李箱的開啟特性要求在行李箱開啟的一瞬間,扭桿彈簧的扭矩需遠(yuǎn)超行李箱系統(tǒng)重力和摩擦力的力矩總和,才能保證行李箱瞬間的彈起。行李箱在開啟過(guò)程中,扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)角逐漸減小,同時(shí)扭轉(zhuǎn)力矩逐漸減小,故行李箱關(guān)閉狀態(tài)扭桿彈簧設(shè)定的扭矩是最大的。扭桿彈簧的扭矩一般可以用如下公式進(jìn)行計(jì)算:
式中:d為扭桿彈簧直徑,
L為扭桿彈簧的長(zhǎng)度,
θ為裝配時(shí)扭桿彈簧最大扭轉(zhuǎn)角度,
G為材料的剪切模量。
本次設(shè)定扭簧直徑d=6.0mm,L=958.5mm,θ=191.0°,G=78.5GPa,可以計(jì)算出扭簧的力矩最大為34.6KN·mm,由公式F=M/L(鉸鏈力臂長(zhǎng)度)得出扭簧通過(guò)單側(cè)鉸鏈作用在行李箱內(nèi)板上的力為143N。
3.2.2 密封條負(fù)載變形
如圖5(a)所示,行李箱關(guān)閉時(shí),密封條處于壓縮狀態(tài),會(huì)對(duì)行李箱周圈產(chǎn)生向上的壓縮反力,導(dǎo)致行李箱的形狀和尺寸會(huì)向上發(fā)生變化。EPDM行李箱密封條是一種可壓縮的超彈性體[8],其壓縮反力與壓縮量成正相關(guān)。本次采用的密封條,其壓縮荷重曲線如圖5(b)所示,結(jié)合密封條總長(zhǎng)度和壓縮量,可簡(jiǎn)單近似得出密封條作用在行李箱周圈均勻的壓縮反力總和約為97.68N。
3.2.3 緩沖塊和鎖的負(fù)載變形
緩沖塊在行李箱關(guān)閉狀態(tài)時(shí)也為壓縮狀態(tài),從而對(duì)行李箱產(chǎn)生壓縮反力。緩沖塊的壓縮反力由橡膠壓縮量的大小決定,本次設(shè)定緩沖塊壓縮0.5mm情況下,根據(jù)緩沖塊的壓縮反力曲線可計(jì)算出單側(cè)緩沖塊壓縮反力約為21.1N。
對(duì)于關(guān)閉狀態(tài)的乘用車行李箱系統(tǒng),扭簧、密封條、緩沖塊均對(duì)行李箱產(chǎn)生開啟方向的力,鎖的嚙合作用和系統(tǒng)的重力、摩擦力則提供關(guān)閉方向的力,最終兩種力實(shí)現(xiàn)平衡。但是在關(guān)閉狀態(tài),鎖的嚙合點(diǎn)是行李箱約束系統(tǒng)的下止點(diǎn),故一般認(rèn)為鎖止力不會(huì)使行李箱產(chǎn)生變形位移。
以下圖(6)為行李箱系統(tǒng)負(fù)載變形的CAE分析模型示意圖:
4? ? 預(yù)變形補(bǔ)償設(shè)計(jì)
4.1? ?預(yù)變形補(bǔ)償設(shè)計(jì)原理
預(yù)變形補(bǔ)償是利用CAE分析的塑件變形量對(duì)塑件進(jìn)行預(yù)變形(反向變形)設(shè)計(jì),從而改善成形和裝配后的塑件的尺寸[2]。塑件預(yù)變形補(bǔ)償?shù)脑硎牵>咴O(shè)計(jì)時(shí)在零件變形的反方向用預(yù)變形進(jìn)行補(bǔ)償,使成形后的零件形狀尺寸達(dá)到原始的設(shè)計(jì)理論狀態(tài)。對(duì)于樹脂行李箱這種復(fù)合變形疊加的模型,常用的解決方法是將復(fù)合變形分解為多種單一變形,并針對(duì)各單一變形進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到消除各單一變形,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合變形的反向變形抑制。如圖7所示,以行李箱變形工況最復(fù)雜的內(nèi)板為例,進(jìn)行預(yù)變形分析及補(bǔ)償設(shè)計(jì)的原理說(shuō)明。在內(nèi)板理論位置上,對(duì)內(nèi)板進(jìn)行模流翹曲分析和負(fù)載變形分析,計(jì)算出翹曲變形量和負(fù)載變形量,從分析得出的變形起始點(diǎn)開始,對(duì)內(nèi)板變形區(qū)域在理論位置上反向增加變形量,使變形后的內(nèi)板尺寸達(dá)到理論位置。
采用同樣的方法來(lái)消除外板的變形,使外板尺寸也達(dá)到理論尺寸。在內(nèi)外板單品各自的尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下,通過(guò)粘接治具來(lái)消除粘接過(guò)程中的變形,最終確保裝配狀態(tài)下行李箱的尺寸和位置能達(dá)到理論設(shè)計(jì)狀態(tài)。考慮到行李箱內(nèi)外板整體尺寸較大,為滿足裝配要求,設(shè)定內(nèi)外板單件的尺寸變形公差為±1.5mm以內(nèi)。
4.2? ?預(yù)變形補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法
4.2.1 翹曲預(yù)變形
在確定了內(nèi)外板原材料、成型工藝參數(shù)、澆口位置、模具冷卻水路后,結(jié)合模擬分析計(jì)算出的變形量和拐點(diǎn)位置,分別計(jì)算出內(nèi)外板在X向和Z向的預(yù)變形量。下面結(jié)合圖8所示,對(duì)外板預(yù)變形方案進(jìn)行說(shuō)明。圖8(a)為外板X向變形量,圖8(b)為外板Z向變形量??梢钥闯?,外板在X向的變形量最大為1.0mm左右,滿足公差設(shè)定;在Z向的變形量最大為8.4mm左右,接近最大變形量8.6mm,故對(duì)外板Z向變形進(jìn)行反變形補(bǔ)償設(shè)計(jì)。每隔100mm取點(diǎn),確定相應(yīng)點(diǎn)的預(yù)變形量及預(yù)變形拐點(diǎn)位置來(lái)進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì)。
如圖8(c)所示為外板Z向預(yù)變形點(diǎn)位設(shè)計(jì)。在上端P01~P04做預(yù)變形,方向?yàn)?Z向;在下端P015~P025做預(yù)變形,方向?yàn)?Z向。在確定好外板的預(yù)變形量之后,通過(guò)CAD軟件對(duì)預(yù)變形進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將留有預(yù)變形的外板與原外板進(jìn)行對(duì)比分析,變形結(jié)果如圖8(d)所示。可以看到,留有預(yù)變形的外板其變形趨勢(shì)、變形量與原外板成型的變形趨勢(shì)、變形量基本一致。
設(shè)置有預(yù)變形的外板,試模時(shí)各點(diǎn)位的各向尺寸誤差結(jié)果參見(jiàn)表1,均在1.5mm以內(nèi)(Z向變形1.43mm),滿足預(yù)變形設(shè)計(jì)目標(biāo)。
如圖9所示,采用同樣的翹曲變形抑制方法,對(duì)內(nèi)板做預(yù)變形防止。內(nèi)板變形量最大為5.4mm,主要變形方向也是Z向變形。針對(duì)內(nèi)板Z向進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì),可將內(nèi)板在上端揚(yáng)角部的翹曲變形從5.4mm減小至0.89mm(Z向變形0.83mm),試模件尺寸精度結(jié)果參見(jiàn)表2。
4.2.2 粘接預(yù)變形
粘接過(guò)程中產(chǎn)生的變形,主要是粘接劑壓合反力導(dǎo)致的外板形狀變化。內(nèi)板由于自身強(qiáng)度較大,且粘接時(shí)有固定的治具支撐而無(wú)需運(yùn)動(dòng),對(duì)總成的形狀影響較小。為減小外板自身的變形,同時(shí)保證外板粘接時(shí)運(yùn)動(dòng)位移的均一性,就需要使用粘接胎模來(lái)保證外板能夠匹配內(nèi)板型面,從而確保粘接完成品尺寸的穩(wěn)定性。如圖10所示,為粘接時(shí)內(nèi)外板的粘接壓合胎模示意圖和胎膜實(shí)物布置圖。粘接時(shí),治具覆蓋外板粘接面周圈,治具自身的高強(qiáng)度和高精度能有效消除外板粘接過(guò)程中的變形,保證外板在粘接過(guò)程中的尺寸穩(wěn)定性和位置準(zhǔn)確度,使粘接后的行李箱總成有較高的尺寸精度。
4.2.3 負(fù)載預(yù)變形
樹脂行李箱總成的負(fù)載變形情況與金屬行李箱負(fù)載變形基本一致,預(yù)變形的方法也是類似的。通過(guò)前面的分析可知,行李箱的負(fù)載變形主要由扭簧、密封條和緩沖塊的壓縮反力所導(dǎo)致,且扭桿彈簧、密封條和緩沖塊均對(duì)行李箱產(chǎn)生沿開啟方向(近似Z向)的作用力,那么負(fù)載預(yù)變形的方案也就是消除該方向的變形。在構(gòu)建的CAE模型中,加入上述三種負(fù)載,計(jì)算得出行李箱總成的Z向變形量約為0.98mm。
如圖11所示,為行李箱的負(fù)載預(yù)變形方案。通過(guò)在設(shè)計(jì)時(shí),將行李箱鉸鏈安裝面Z向預(yù)留1mm負(fù)載預(yù)變形余量,實(shí)車裝配后扭簧、密封條和緩沖塊的反力會(huì)將行李箱Z向向上頂起0.98mm,使行李箱從裝配位置變形到實(shí)際位置(即設(shè)計(jì)理論位置),從而基本抵消負(fù)載對(duì)行李箱尺寸的變形影響。
5? ? 行李箱實(shí)物驗(yàn)證
在對(duì)行李箱進(jìn)行了復(fù)合的翹曲預(yù)變形和負(fù)載預(yù)變形后,以正式量產(chǎn)模具產(chǎn)品在完成車檢具上進(jìn)行了仿實(shí)車尺寸測(cè)量,結(jié)果如圖12所示??梢钥吹?,采用了預(yù)變形的樹脂行李箱總成的尺寸誤差在±1.5mm以內(nèi),達(dá)成了樹脂行李箱預(yù)變形設(shè)計(jì)的目的。
6? ? 結(jié)論
通過(guò)對(duì)樹脂行李箱翹曲變形和負(fù)載變形的案例分析和驗(yàn)證可知:
(1)樹脂行李箱的預(yù)變形,需要綜合分析構(gòu)成零部件的制造變形和裝配后的負(fù)載變形,針對(duì)不同的變形因素分別擬定相應(yīng)的預(yù)變形對(duì)策,最后將各項(xiàng)對(duì)策方案疊加實(shí)施。
(2)樹脂行李箱的制造變形控制,難點(diǎn)在于對(duì)樹脂內(nèi)板和外板均存在翹曲預(yù)變形,故需要分別對(duì)內(nèi)板、外板進(jìn)行翹曲變形分析,并進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)變形設(shè)計(jì)。
(3)采用粘接劑連接零件時(shí),考慮到粘接壓合時(shí)半固態(tài)粘接劑對(duì)內(nèi)外板存在壓合反力,利用粘接治具來(lái)消除壓合反力帶來(lái)的粘接變形,可以有效保證粘接后的零部件的尺寸精度。
(4)對(duì)于樹脂行李箱復(fù)合翹曲變形問(wèn)題,對(duì)內(nèi)外板進(jìn)行翹曲預(yù)變形使內(nèi)外板分別達(dá)成設(shè)定的尺寸精度,再利用治具消除粘接過(guò)程變形,可基本消除行李箱總成的制造變形。
(5)樹脂行李箱的負(fù)載變形和鈑金行李箱基本一致,重點(diǎn)都是要消除扭桿彈簧和密封條的反力,通過(guò)設(shè)定Z向的預(yù)變形量,可有效減小負(fù)載變形。
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