基于多尺度聯(lián)合仿真的注塑制品輕量化設(shè)計(jì)

張玉麗，邱 煒，傅南紅，楊華光，謝鵬程*

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315801；3.寧波長(zhǎng)飛亞塑料機(jī)械制造有限公司，浙江 寧波 315000)

0 前言

研究表明，若汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量降低10 %，燃油效率可提高6 %～8 %；若汽車(chē)車(chē)重每減少100 kg，CO2的排放量可減少約12.5 g/km[1]。汽車(chē)車(chē)身約占汽車(chē)總質(zhì)量的30 %，空載情況下，約70 %的油耗用在車(chē)身質(zhì)量上[2]，汽車(chē)輕量化勢(shì)在必行。目前，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的主要途徑有優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、提高零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)零件的集成化和中空化以及用輕質(zhì)材料代替鋼鐵等[3]。復(fù)合材料作為一種綜合性能優(yōu)異的輕質(zhì)材料，而躋身于汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域，成為代替鋼鐵的熱門(mén)材料，并且呈現(xiàn)由復(fù)合材料制造簡(jiǎn)單零件向復(fù)雜構(gòu)件轉(zhuǎn)變，逐步替代傳統(tǒng)材料的趨勢(shì)。目前，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)配件的制造，包括儀表板、門(mén)板、座椅、引擎蓋等內(nèi)飾件，保險(xiǎn)杠、擋泥板、圓頂?shù)韧獠垦b飾件以及風(fēng)扇葉片、天然氣踏板等功能件[4]。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)整體約占汽車(chē)總重的12 %，是汽車(chē)輕量化的重點(diǎn)[5]。近些年來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)逐步向高強(qiáng)化、小型化、輕量化方向發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)高燃油經(jīng)濟(jì)性、低CO2排放特性[6]。發(fā)動(dòng)機(jī)支架是將發(fā)動(dòng)機(jī)固定在車(chē)架上的直接支撐，其可靠性直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，如何在保證強(qiáng)度與安全性能的前提下實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)支架的輕量化設(shè)計(jì)是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。目前，復(fù)合材料的研究還存在諸多難點(diǎn)，包括不同區(qū)域處的纖維取向各異、有關(guān)復(fù)合材料的測(cè)試比較困難并且難以獲得精確的復(fù)合材料經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｒ虼耍疚膶⒁环N多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料注射成型研究中，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的輕量化設(shè)計(jì)。

1 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的性能缺陷

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成系統(tǒng)懸置支架的強(qiáng)度、剛度對(duì)整車(chē)的安全性及壽命有很大的影響。汽車(chē)懸置支架支撐著動(dòng)力總成的總質(zhì)量，應(yīng)避免產(chǎn)生過(guò)大的靜態(tài)位移而影響動(dòng)力總成的正常工作，即使是在動(dòng)力總成的各類(lèi)極限工況下也能提供足夠的支撐，而不發(fā)生斷裂。懸置支架目前大部分使用的還是鑄鋁、鋼材等金屬材料[7-9]，由于復(fù)合材料能夠減輕總質(zhì)量，并且能夠提升零部件的設(shè)計(jì)自由度，各大車(chē)企逐漸推出復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架。某型發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架由 50 %玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺66注射成型，但是懸置支架的右側(cè)總發(fā)生如圖1所示的斷裂破壞現(xiàn)象。

圖1 懸置支架斷裂失效圖Fig.1 Failure map of the mount bracket

2 多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)的可靠性驗(yàn)證

傳統(tǒng)仿真方法是根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的材料參數(shù)直接進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析，而本研究所采用的多尺度聯(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以及性能分析軟件Abaqus的綜合評(píng)價(jià)體系，從微觀纖維取向與分布對(duì)制品的宏觀力學(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、注射成型工藝等多方面因素。多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)路線如下，采用Moldflow進(jìn)行注射成型過(guò)程模擬，獲取制件的纖維分布與取向信息，并通過(guò)Digimat-MAP模塊將所得的纖維取向與分布信息映射至Abaqus結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格中，同時(shí)將Digimat-MF模塊建立的材料模型導(dǎo)入至Abaqus的材料庫(kù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能仿真分析。

2.1 材料模型建立及分析條件設(shè)置

通過(guò)三維建模軟件Solidworks建立汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架模型，如圖2所示，左側(cè)為立體圖，右側(cè)為后視圖，并保存為stp格式。該懸置支架的總體尺寸為176 mm×103 mm×120 mm，體積為345.93 cm3，上半部分壁厚為32 mm，肋板寬為2 mm，厚為6 mm。中間圓環(huán)部分壁厚為5 mm，肋板寬為3 mm，厚為3 mm。

(a)立體圖 (b)后視圖圖2 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的三維模型Fig.2 Three-dimensional model of automobile engine mount brackets

采用Moldflow進(jìn)行復(fù)合材料注射成型分析，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的材料選用巴斯夫股份公司的Ultramid A3WG10(聚酰胺66+50 %玻璃纖維)，熔體密度為1.341 2 g/cm3，固體密度為1.507 5 g/cm3。澆注系統(tǒng)為一點(diǎn)進(jìn)澆，采用直徑為2 mm的圓錐形澆口，流道直徑為6 mm。模具表面溫度為85 ℃，熔體溫度為300 ℃。經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化后，確定速度/壓力切換控制條件為充填體積達(dá)到99 %，保壓控制條件為以80 %充填壓力持續(xù)10 s。以3D網(wǎng)格格式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用ARD-RSC模型(由長(zhǎng)度確定)計(jì)算纖維取向。

圖3 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料注射成型懸置支架的纖維取向張量分布圖Fig.3 Fiber orientation tensor distribution map of injection molded mount brackets of glass fiber reinforced composite

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的纖維取向張量分布圖，如圖3所示。纖維取向張量越接近于1，纖維在此區(qū)域沿流動(dòng)方向的取向程度越高。由圖3可知，纖維取向張量最大值為0.938 5，填充末端的纖維取向情況較差，懸置支架的兩側(cè)黃綠色區(qū)域沿流動(dòng)方向的取向程度較高，即沿豎直方向的取向程度較高。

采用Digimat建立50 %玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺66復(fù)合材料的模型，并將注射成型分析所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。通過(guò)Digimat-MF模塊建立材料模型時(shí)，以聚酰胺66為基體，玻璃纖維為增強(qiáng)相，分別依次設(shè)置單一材料的屬性并設(shè)置微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。在后續(xù)力學(xué)性能分析中，通過(guò)Abaqus中的Digimat模塊將力學(xué)模型和纖維取向與分布信息同時(shí)導(dǎo)入。

采用Abaqus進(jìn)行力學(xué)性能分析，由于要求懸置支架所能承受的斷裂載荷大于12 000 N，因而將兩側(cè)受力面耦合到彈性中心，并在彈性中心加載12 000 N集中力，懸置支架下表面與車(chē)架接觸處約束6個(gè)方向的自由度。懸置支架的受力情況及約束條件，如圖4所示。

圖4 懸置支架的受力情況及約束條件Fig.4 Load-up conditions and constraint conditions of the mount bracket

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

傳統(tǒng)仿真方法與多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)所得的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的應(yīng)力分布圖，如圖5所示，多尺度聯(lián)合仿真結(jié)果顯示，應(yīng)力最大值為201.067 MPa，傳統(tǒng)仿

真分析結(jié)果顯示，應(yīng)力最大值為129.794 MPa，為多尺度聯(lián)合仿真分析所得應(yīng)力最大值的64.55 %。由于50 %玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺66的斷裂應(yīng)力為180 MPa，傳統(tǒng)仿真結(jié)果表明，應(yīng)力水平處于安全范圍內(nèi)，而多尺度聯(lián)合仿真結(jié)果顯示，局部應(yīng)力已超出強(qiáng)度極限，應(yīng)力較高區(qū)域主要集中在懸置支架兩側(cè)橫向肋板、縱向肋板與斜肋板包圍的三角形區(qū)域內(nèi)，與實(shí)際斷裂破壞出現(xiàn)的位置相吻合。

相比傳統(tǒng)仿真方法，多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)能夠更準(zhǔn)確更可靠地展現(xiàn)復(fù)合材料注射成型制品的實(shí)際性能。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)仿真方法認(rèn)為材料是各向同性的，也就是說(shuō)制件局部的性能是均勻分布的，而多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)中設(shè)定材料是各向異性的，綜合考慮了非線性材料、注射成型工藝等多方面因素，使得仿真分析與實(shí)際情況更接近，從而有效地為產(chǎn)品設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

3 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的輕量化設(shè)計(jì)

由于斷裂破壞位置正好處于懸置支架兩側(cè)的無(wú)肋板支撐區(qū)域，因而順著裂紋走向增加一條肋板，并將懸置支架兩側(cè)肋板的寬度由原來(lái)的2 mm增加至3 mm。肋板加寬后，合理分配各條肋板的位置。考慮到懸置支架的下半部分整體的應(yīng)力水平較低，因而將中間圓環(huán)部位的壁厚由原來(lái)的5 mm減小為3 mm，并且適當(dāng)縮小了懸置支架與車(chē)架的接觸面積，底部鏤空一部分。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架，如圖6所示。

經(jīng)輕量化設(shè)計(jì)后，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的總質(zhì)量由478.84 g降低為444.05 g，質(zhì)量減輕了7.27 %。輕量化設(shè)計(jì)后懸置支架的應(yīng)力分布圖，如圖7所示。由圖7可知，懸置支架的最大應(yīng)力值為135.572 MPa，比原始方案降低了32.57 %，且整體應(yīng)力水平處于安全范圍內(nèi)。

(a)多尺度聯(lián)合仿真 (b)傳統(tǒng)仿真圖5 多尺度聯(lián)合仿真與傳統(tǒng)仿真的應(yīng)力分布對(duì)比圖Fig.5 Comparison of stress distributions between multi-scale co-simulation and traditional simulation

圖6 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架Fig.6 Automobile engine mount bracket with improved structure

圖7 輕量化設(shè)計(jì)后懸置支架的應(yīng)力分布圖Fig.7 Stress distribution map of the mount bracket after light-weight design

懸置支架輕量化設(shè)計(jì)前后變形圖，如圖8所示，圖例中U Magnitude指的是綜合位移。由圖8可知，原始設(shè)計(jì)中懸置支架的最大變形量為0.41 mm，輕量化后懸置支架的最大變形量為0.561 mm，整體變形量略有增加，但是由于變形量比較微小，可以認(rèn)為懸置支架的剛度變化不大。結(jié)果表明，懸置支架經(jīng)輕量化設(shè)計(jì)后的強(qiáng)度和剛度都滿(mǎn)足要求，不僅顯著提升了懸置支架的強(qiáng)度，也實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的輕量化設(shè)計(jì)。

(a)原始設(shè)計(jì) (b)輕量化設(shè)計(jì)后圖8 懸置支架輕量化設(shè)計(jì)前后變形圖Fig.8 Deformation map before and after light-weight design of the mount bracket

4 結(jié)論

(1)兩側(cè)橫向肋板、縱向肋板與斜肋板包圍的三角形區(qū)域內(nèi)局部應(yīng)力大于強(qiáng)度極限，與實(shí)際斷裂破壞出現(xiàn)的位置相吻合，證實(shí)了多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)在復(fù)合材料注射成型研究中的有效性與可靠性；

(2)原始結(jié)構(gòu)經(jīng)輕量化設(shè)計(jì)后，懸置支架總質(zhì)量由478.84 g降低為444.05 g，質(zhì)量減輕了7.27 %，并且懸置支架的最大應(yīng)力值為135.572 MPa，比原始方案降低了32.57 %，整體應(yīng)力水平處于安全范圍內(nèi)，有效提升了懸置支架強(qiáng)度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的輕量化設(shè)計(jì)；

(3)多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)能夠有效提高復(fù)合材料注射成型模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)復(fù)合材料注塑制品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化設(shè)計(jì)具有重要意義。