柏宏 劉晶 彭丹 庫(kù)才旗

摘 要：復(fù)合材料的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的主要途徑之一。目前常用的結(jié)構(gòu)仿真軟件的材料模型無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)復(fù)合材料零件各向異性的特性，為提高復(fù)合材料尾門(mén)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文基于Moldflow，Digimat和Abaqus的聯(lián)合仿真方法，進(jìn)行復(fù)合材料尾門(mén)的輕量化設(shè)計(jì)。將聯(lián)合仿真和傳統(tǒng)仿真的結(jié)果與通過(guò)試驗(yàn)獲得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，精度有了顯著的提升，驗(yàn)證了聯(lián)合仿真技術(shù)的可靠性。

關(guān)鍵詞：尾門(mén) 復(fù)合材料 聯(lián)合仿真 輕量化

1 引言

隨著能源短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題的日益突出，汽車(chē)輕量化技術(shù)勢(shì)在必行。世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的報(bào)告指出，汽車(chē)的自身重量每減少10%，燃油的消耗可降低6%～8%[1]。汽車(chē)輕量化技術(shù)可以分為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料的應(yīng)用和先進(jìn)制造工藝3個(gè)主要方面[2]。其中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料替代傳統(tǒng)鋼制件實(shí)現(xiàn)輕量化的開(kāi)發(fā)成為汽車(chē)行業(yè)的新熱點(diǎn)之一。汽車(chē)的輕量化最終要分解落實(shí)到相關(guān)零部件的輕量化[3]。尾門(mén)結(jié)構(gòu)是汽車(chē)的大型覆蓋件之一，在車(chē)身質(zhì)量中占有較大比重。因此，將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于尾門(mén)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)尾門(mén)輕量化的重要途徑。

復(fù)合材料的使用給仿真分析帶來(lái)一定困難。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)仿真方法是假設(shè)材料是各向同性或正交各向異性，通過(guò)材料測(cè)試得到材料的力學(xué)特性，然后建立有限元模型進(jìn)行仿真分析[4]。然而，復(fù)合材料呈現(xiàn)明顯的各向異性特性，現(xiàn)存結(jié)構(gòu)仿真軟件的材料本構(gòu)模型無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)。注塑成型的塑料件，尤其是含玻纖的制品，受其成型工藝的影響必然會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力、熔接線和纖維取向[5]。若結(jié)構(gòu)分析時(shí)沒(méi)有充分考慮這些對(duì)產(chǎn)品性能的影響，最后得到的分析結(jié)果會(huì)偏離實(shí)際。換句話說(shuō)，仿真失去了意義。為有效避免該問(wèn)題，聯(lián)合仿真成為必然選擇。高曉東等人[6]對(duì)成型后的全塑輪胎進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，研究注射模具澆口的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。張立強(qiáng)等人[7]建立復(fù)合材料汽車(chē)前罩的多尺度聯(lián)合仿真模型進(jìn)行剛度仿真，驗(yàn)證了聯(lián)合仿真方法具有更高精度。

本文基于Moldflow-Digimat-Abaqus聯(lián)合仿真技術(shù)，以汽車(chē)復(fù)合材料尾門(mén)為研究對(duì)象，首先進(jìn)行模流分析模擬其注塑成型過(guò)程，預(yù)測(cè)產(chǎn)品填充時(shí)間、流動(dòng)前沿溫度、熔接線位置以及纖維取向等，然后將其映射到相應(yīng)的有限元模型開(kāi)展結(jié)構(gòu)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料尾門(mén)更加真實(shí)可靠的仿真。

2 聯(lián)合仿真方法

傳統(tǒng)仿真方法假設(shè)材料呈均勻化分布，這樣得到的材料屬性與實(shí)際情況不符，甚至存在很大偏差，最后獲得的仿真結(jié)果無(wú)法有效對(duì)產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計(jì)與生產(chǎn)發(fā)揮指導(dǎo)性作用。隨著復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于汽車(chē)配件的制造，傳統(tǒng)仿真在精度方面已不能滿足復(fù)合材料研究需求，聯(lián)合仿真成為必然選擇。

目前的聯(lián)合仿真方法主要如下：（1） Autodesk公司的Simulation Mechanical軟件與Moldflow軟件可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接;（2）使用Moldex3D軟件進(jìn)行模流分析，可以直接輸出各結(jié)構(gòu)求解器格式類(lèi)型的文件，然后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的邊界條件設(shè)置求解;（3）使用Autodesk Helius PFA軟件將模流分析軟件的分析結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)分析軟件中的分析模型上;（4）使用Digimat軟件將模流分析軟件的分析結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)分析軟件中相應(yīng)的分析模型上[8]。

本文所采用的聯(lián)合仿真技術(shù)是基于模流分析軟件Moldflow、材料建模平臺(tái)Digimat以及結(jié)構(gòu)性能分析軟件Abaqus的現(xiàn)代仿真技術(shù)，從微觀上纖維取向與分布對(duì)復(fù)合材料尾門(mén)宏觀上的力學(xué)性能有顯著影響的角度出發(fā)，綜合考慮了材料的各向異性特性、注塑成型工藝等因素進(jìn)行復(fù)合材料尾門(mén)的輕量化設(shè)計(jì)。復(fù)合材料尾門(mén)聯(lián)合仿真流程如圖1所示，首先將尾門(mén)的三維模型導(dǎo)入Moldflow中，劃分工藝仿真網(wǎng)格，并模擬其注塑成型工藝過(guò)程，獲得尾門(mén)纖維分布及方向信息。然后由于工藝仿真網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格有較大差異，應(yīng)用Digimat-MAP模塊將纖維方向數(shù)據(jù)映射至Abaqus結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格，獲得帶有纖維分布和方向信息的結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格，映射后結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格中的數(shù)值越大表示該位置處纖維方向的一致性越好。同時(shí)，通過(guò)Digimat-MF模塊建立復(fù)合材料各向異性材料模型，包含纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)、基體與纖維混合情況等信息，獲得不同纖維方向下的材料屬性。最后應(yīng)用Abaqus對(duì)復(fù)合材料尾門(mén)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能的有限元仿真。

Digimat使用均勻化方法獲得尾門(mén)不同位置處的各向異性材料特性。該方法通過(guò)代表性體積單元RVE（Representative Volume Element）建立宏觀與微觀間的聯(lián)系[9]。第一步，基于Mori-Tanaka理論生成由相同纖維構(gòu)成的顆粒。第二步，通過(guò)Voigt模型，得到RVE的等效材料屬性。

3 尾門(mén)內(nèi)板模流分析

尾門(mén)一般分為內(nèi)板、外板、加強(qiáng)板3部分[10]。其中，加強(qiáng)板是金屬件，外板填充物是滑石粉，只有內(nèi)板是填充長(zhǎng)玻纖，所以只有內(nèi)板才需考慮材料的各向異性特性，故首先進(jìn)行尾門(mén)內(nèi)板模流分析。

3.1 分析前處理

通過(guò)軟件UG建立尾門(mén)內(nèi)板的三維模型，如圖2所示，將其導(dǎo)入軟件Moldflow并劃分工藝仿真網(wǎng)格，如圖3所示。網(wǎng)格最大縱橫比小于6，滿足模擬分析要求。

尾門(mén)內(nèi)板材料選用Chisso Petrochemical公司的PP+LGF30（聚丙烯+30%長(zhǎng)玻璃纖維）。注塑成型工藝會(huì)直接影響尾門(mén)內(nèi)板的成型質(zhì)量，根據(jù)制品要求與材料屬性，設(shè)置工藝參數(shù)：模具表面溫度為45℃，熔體溫度為265℃，當(dāng)控制條件充填體積達(dá)到99%時(shí)進(jìn)行速度/壓力切換，填充壓力為100MPa，保壓控制條件為以80%以上充填壓力持續(xù)10s。其余參數(shù)采用Moldflow系統(tǒng)默認(rèn)值。

3.2 模擬結(jié)果分析

當(dāng)熔體前沿以近似相等的時(shí)間到達(dá)型腔的各個(gè)末端被視為良好的填充過(guò)程，而且填充時(shí)間決定了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。填充時(shí)間分析結(jié)果如圖4所示，充填時(shí)間大約1.937秒，整體填充順暢。

注塑成型過(guò)程中，熔體流動(dòng)前沿溫度反映了制品溫度分布的合理性。溫差越小，成型質(zhì)量越好。流動(dòng)前沿溫度分析結(jié)果如圖5所示，產(chǎn)品大表面料流動(dòng)前沿溫度比較均勻，最高溫和最低溫相差1.7℃，滿足要求。

注塑件的收縮行為會(huì)影響產(chǎn)品的最終尺寸和形狀。體積收縮率分析結(jié)果如圖6所示，體積收縮整體較均衡，集中在3%～6%，僅在澆口位置附近產(chǎn)品的體積收縮率相對(duì)較大，應(yīng)注意加強(qiáng)冷卻，及增加保壓時(shí)間。

注塑成型過(guò)程中，由于澆口位置的不同，熔體從各澆口流向同一位置時(shí)流向不同會(huì)產(chǎn)生纖維取向不一致的問(wèn)題。這會(huì)影響材料各向異性特性，并導(dǎo)致制品不同區(qū)域的材料性能差別很大。纖維取向結(jié)果如圖7所示。

其余一些分析結(jié)果如下：注塑最大壓力應(yīng)低于60MPa，產(chǎn)品填充的最大注塑壓力為37.04Mpa，壓力適中，適合生產(chǎn);最大鎖模力為2186T，鎖模力不應(yīng)超過(guò)注塑機(jī)的最大鎖模力7000t，滿足要求;在筋位，卡口，熔接線處存在困氣現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)措施改善排氣，以加強(qiáng)其流動(dòng)性;兩股料流交匯處會(huì)產(chǎn)生熔接線，熔接線會(huì)影響成品的整體性。應(yīng)避免在應(yīng)力集中處，同時(shí)盡量增大熔接線匯合角;分析結(jié)果顯示產(chǎn)品變形較均勻，局部變形相對(duì)較大，注意在實(shí)際成型時(shí)要加強(qiáng)冷卻，通過(guò)后續(xù)分段保壓能很大的改善產(chǎn)品的變形量。

4 尾門(mén)性能分析

4.1 分析前處理

通過(guò)Digimat軟件中的MF模塊建立30%玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料模型，并通過(guò)Digimat軟件中的Map模塊將尾門(mén)模流分析所獲得的纖維取向與分布信息映射到Abaqus結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格中，實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型網(wǎng)格之間的信息變換。再通過(guò)Abaqus軟件中的Digimat模塊將材料模型和模流分析結(jié)果同時(shí)導(dǎo)入[11]。最后，利用Digimat軟件中的CAE功能使Moldflow、Digimat以及Abaqus連接起來(lái)，通過(guò)非線性多維模擬準(zhǔn)確仿真尾門(mén)的橫向剛度。

如圖8所示，尾門(mén)橫向剛度有限元模型的約束方式是： 鉸鏈車(chē)身側(cè)安裝孔約束六個(gè)方向自由度（即完全約束），鎖芯約束Z方向移動(dòng)自由度。加載條件是：鎖芯加載Y向500N作用力。分析結(jié)果讀取加載點(diǎn)Y向最大加載位移和卸載位移。

4.2 仿真結(jié)果分析

聯(lián)合仿真與常規(guī)仿真得到的尾門(mén)橫向剛度分析結(jié)果如圖9所示。同時(shí)，為驗(yàn)證聯(lián)合仿真技術(shù)的可靠性，將聯(lián)合仿真與常規(guī)仿真得到的分析結(jié)果與通過(guò)試驗(yàn)獲得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)中，加載點(diǎn)Y向最大加載位移為45.48mm。橫向剛度聯(lián)合仿真分析中，最大加載位移為38.46mm，是試驗(yàn)結(jié)果的84.56%。橫向剛度常規(guī)仿真分析中，最大加載位移為24.09mm，是試驗(yàn)結(jié)果的52.97%。對(duì)比聯(lián)合仿真和常規(guī)仿真的分析結(jié)果，可知聯(lián)合仿真的分析結(jié)果更具有有效性和可靠性。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)仿真過(guò)程中，材料屬性默認(rèn)為均勻化分布，而聯(lián)合仿真充分考慮尾門(mén)材料的各向異性特性，使得材料屬性更加接近真實(shí)材料。

5 總結(jié)

本文在考慮材料各向異性影響情況下，基于聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)復(fù)合材料尾門(mén)進(jìn)行橫向剛度仿真，并將聯(lián)合仿真結(jié)果和傳統(tǒng)仿真方法得到的結(jié)果與通過(guò)試驗(yàn)獲得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，獲得以下結(jié)論：

（1）基于Moldflow-Digimat-Abaqus的聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)復(fù)合材料尾門(mén)橫向剛度進(jìn)行仿真，可以考慮復(fù)合材料各向異性對(duì)尾門(mén)橫向剛度結(jié)果的影響;

（2）橫向剛度聯(lián)合仿真分析中，最大加載位移為38.46mm，是試驗(yàn)結(jié)果的84.56%。橫向剛度常規(guī)仿真分析中，最大加載位移為24.09mm，是試驗(yàn)結(jié)果的52.97%。這說(shuō)明復(fù)合材料注塑成型過(guò)程中，微觀纖維取向及分布情況是制品宏觀力學(xué)性能的關(guān)鍵因素;

（3）使用聯(lián)合仿真分析方法對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行仿真分析所得到的結(jié)果更具有效性和可靠性，這為復(fù)合材料產(chǎn)品的性能預(yù)測(cè)提供了重要的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃（柳科計(jì)字2017第19號(hào)）資助項(xiàng)目。項(xiàng)目名稱：汽車(chē)?yán)w維增強(qiáng)塑料覆蓋件設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)研究與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)（2017AA10104）。

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