汽車復合材料前端模塊工藝及性能仿真的發展綜述

張勝強，張營，朱盼，芮曉麗，朱松

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

前言

復合材料的前端支架的尺寸精度、尺寸穩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。熱塑性復合材料的力學性能與制件的成型工藝息息相關，而工藝參數對制件成型又有顯著的影響。因此，控制每個工藝參數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的優化及匹配，從而控制產品的尺寸精度；并能夠有效縮短產品開發周期、提高模具設計和產品成形質量、減少試模費用和勞動強度。在結構性能CAE仿真中，將模擬工藝過程中產生的真實纖維分布結果與殘余應力帶入后續的三維 CAE結構模型，可有效提高結構剛度、強度的預測準確性[3]。

1 復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對注塑成品質量的影響，采用正交實驗設計方法[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對試驗結果的影響規律。同時，還可以討論單一因素對試驗結果的影響趨勢、揭示影響機理，為后續注塑實驗提供扎實的理論基礎。

1.1 注塑工藝仿真的理論分析

目前，注塑工藝模擬軟件Moldflow因其預測效果可靠在國內外得到業內人士及企業的一致認可[6-9]。Moldflow軟件的預測原理為：依據塑料的流變學、連續介質力學、傳熱學、數值計算分析等基礎理論，來構建所用塑料在模具型腔內的流動、傳熱的數學模型。

前端支架制品在厚度方向上的尺寸遠遠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選擇

針對注塑過程中的問題，國內外學者在注塑工藝參數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致充模時間、封口時間、制品質量的不同。

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，發現注射壓力、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，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雜的薄壁結構，在成型過程中容易出現翹曲、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化目標，采用正交試驗方法并結合模流分析軟件 Moldflow對薄壁塑件的注塑成型工藝參數進行了優化；Tang等分析了各種注塑工藝參數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工藝參數；Erzurumlu等采用Moldflow模擬研究了不同材料不同結構的塑料件發生的翹曲，并優化工藝參數。

翹曲變形[23-25]主要受三個因素的影響：

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

2）收縮差異。塑料制品的結構中不同部位厚度的差異，導致薄厚壁的結晶度的不同，產生不均勻的體積收縮，易使制品變形和翹曲；

3）取向差異。即結晶性塑料各向異性顯著，內應力大，脫模后制品內未結晶的分子有繼續結晶的傾向，最終使制品翹曲變形。

2 復合材料注塑件結構性能的CAE技術

2.1 復合材料注塑件結構性能的有限元方法

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

楊衛等[27]采用有限元經典單胞模型，通過短纖維直徑尺度上的應力——應變來模擬整個復合材料宏觀應力——應變特征，能夠分析細觀結構對宏觀有效性能的影響。由于經典單胞模型對材料的微觀結構做了較多理想化的假定，如短纖維周期性排列等，使得模擬結果存在一定誤差。

郭然等[28]則基于Voronoi單元有限元法，結合網格重劃技術模擬顆粒增強復合材料中顆粒夾雜與基體界面的脫層狀態，分析了夾雜相和基體之間脫層對復合材料習慣結構和宏觀性能的影響。

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值方法，利用細觀力學模型并結合計算力學方法來研究復合材料中的平均應力應變場，模擬計算了旋轉體和非旋轉體纖維增強復合材料的有效彈性模量。結果表明復合材料的細觀結構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 復合材料注塑件結構性能的軟件模擬方法

依托商用軟件為基礎，國內外學者針對復合材料注塑件的力學性能等進行了細致的研究。劉斌等[30]提出了將型腔表面分割成不同區域，用Moldflow分析的結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。康永林等[32]人通過應用ANSYS有限元軟件，對沿板截面方向的應力應變和位移的分布進行了分析，并模擬了樹脂復合輕質夾層板的彎曲誠信過程中錯動量的分布以及變化規律，為輕質夾層板的設計與實際生產提供了技術參考。

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測方法的基礎上，提出了用于二維機織復合材料靜強度的預測方法，并對復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已得到了顯著進步，但在行業領域內，對材料的表征技術以及對長玻纖增強復合材料行為特征加以了解的技術目前尚處于初級階段。因此，精確而可靠的復合材料的性能表征，對于設計工程師完成預測分析、縮短產品交付時間以及加速開發和生產啟動的時間進度至關重要。

3 結論

盡管注塑成型模擬技術在實際應用中已十分成熟，在注塑模具設計、工藝參數優化、結構性能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）復雜注塑件幾何設計一般采用經驗設計與拓撲優化相結合的方法，工序繁瑣復雜，對設計人員有較高要求。

b）大多數研究者一般以復合材料層合板或試驗標準件為研究對象，而對于結構復雜、尺寸較大的汽車承載結構件的研究較少。

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

d）針對復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及結構性能的影響。

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

[1] 樊新民,車劍飛.工程塑料及其應用[J].北京:機械工業出版社, 2006,3.

[2] Zhang S.Q., Sun L.Y., et al. Energy Absorption/Dissipation Perfor-mances of Magnetic- sensitive Rubber ( MSR ) with Hollow Iron Balls[A].Proceeding of the 2015 International Mechanical Enginee-ring Congress & Exposition IMECE 2015.

[3] 陸剛,李興普.現代車用材料應用手冊[J].2007.

[4] OZCELIKB, SONAT I. Warpage and structural analysis of thin shell plastic in the plastic injection molding [J]. Mater Des, 2009, 30:367-375.

[5] 陳曉平.薄殼件注塑成型工藝參數優化研究[D].杭州:浙江大學,2005.

[6] 劉際澤.塑料制品與模具設計題案[M].北京:中國輕工業出版社,2001.

[7] 項輝宇,孫筱雯, 孫勝,等. 注塑過程 CAE 及其對模具與工藝設計的作用[J].山東大學學報:工學版, 2004, 34(2): 27-30.

[8] 周永泰.中國模具工業的現狀與發展[J].電加工與模具,2005 (B04):8-12.

[9] 李美芳.CAE 技術及其發展趨勢[J].制造業信息化,2005, 4: 82-83.

[10] 趙龍志, 梁炬星, 趙明娟,等. Moldflow 在儀表板右蓋板支架注塑模設計中的應用[J].中國塑料, 2009 (10): 87-91.

[11] 張冬,孫玲,辛勇. 基于 CAE 的全順汽車保險杠澆注系統優化研究[J].塑料, 2009, 38(2): 106-108.

[12] Kasting H E, Staub R B, Klingebiel W J. Compression molding of thermoplastic material:US. Patent 3, 988,401[P]. 1976.

[13] 張勝強.磁敏彈性體微結構的掃描電鏡表征原理剖析及前處理方法優化[J].中國測試,42(9):1-5.

[14] Barre P. Injection moulded plastic container with good environm-ental stress crack resistance and material for its fabrication:Europ-ean Patent EP 0856554[P]. 2003.

[15] Barrie I T. Method of encapsulating an insert in plastics material by injection molding:U S. Patent 3,991,146[P]. 1976.

[16] Barrie I T.Injection moulding process: U S. Patent 3,906,066[P]. 1975.

[17] Barrie I T. Understanding how an injection mold fills[J].SPE jour-nal,1971,27:64-69.

[18] Kalyon D M,Yu D W,Jeong S Y. Melt rheology of two engineering thermoplastics:poly(ether imide) and poly (2,6-dimethyl-1,4-pheny-lene ether)[J]. Journal of Rheology,1988,32:789.

[19] Spencer R S,Gilmore G D. Equation of State for Polystyrene[J].Journal of Applied Physics,1950, 21（6）:523-526.

[20] Spencer R S,Gilmore G D. Role of Pressure,Temperature and Time in the Injection Molding Process[J]. Modern Plastics,1950,27(8),143-144.

[21] Spencer R S,Gilmore G D. Residual strains in injection molded polystyrene[J]. Modern Plastics,1950, 28(4):97-105.

[22] Spencer R S,Gilmore G D,Wiley R M. Behavior of granulated polymers under pressure[J]. Journal of Applied physics,1950,21(6):527-531.

[23] 徐亞君,楊偉,單桂芳,等.聚丙烯注射成型收縮研究進展[J].中國塑料, 2009 (2): 1-7.

[24] 楊虎振.基于 CAE 技術的注塑制品翹曲變形研究 [D][D].江蘇:江蘇大學, 2008.

[25] 李欣欣,黃瑤, 王雷剛.薄壁塑件注射成型工藝參數優化[J].塑料工業.

[26] F Fiedler, Aad G, Abajyan T, et al. Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC[J]. Physics Letters B, 2012, 716(1): 1-29.

[27] 楊慶生,楊衛,陳浩然 1,唐立民. 復合材料的宏觀性能與參數設計[J].力學與實踐, 1996, 18(3): 1-7.

[28] 郭然,施惠基, 姚振漢. 顆粒增強復合材料界面開裂力學性能的模擬[J].航空材料學報, 2003, 23(2): 18-24.

[29] 方岱寧,劉鐵旗.纖維增強高分子聚合物基復合材料有效性能的三維數值分析[J].復合材料學報, 1997, 14(3): 81-86.

[30] 劉斌,覃孟然,馮彥洪,等.大型注射模型腔剛度優化分析[J].模具工業, 2007, 33(4): 1-4.

[31] 陳志新,黃凡.基于 Moldflow和Ansys的注塑模具變形模擬分析[J].機械設計與制造, 2009, 3(3): 246-248.

[32] 康永林,王波,李冠成.樹脂復合輕質夾層鋼板彎曲成形性的數值模擬[J].北京科技大學學報, 2000, 5: 014.

[33] 方括,張青,閆國華.應用 ANSYS的復合材料層合板靜強度預測[J].玻璃鋼/復合材料, 2011 (1).