汽车复合材料前端模块工艺及性能仿真的发展综述

张胜强，张营，朱盼，芮晓丽，朱松

（1.中国汽车技术研究中心，天津 300300；2.上汽通用有限公司，上海 201201；3.天津市城市规划设计研究院，天津 300202）

前言

复合材料的前端支架的尺寸精度、尺寸稳定性以及刚度有较高的要求，以便保证前端支架与车身的安装配合精度。热塑性复合材料的力学性能与制件的成型工艺息息相关，而工艺参数对制件成型又有显著的影响。因此，控制每个工艺参数对于控制制件的成型尺寸与精度极为重要[1-3]。

因此，在试模制作前进行注塑工艺模拟有助于工艺参数的优化及匹配，从而控制产品的尺寸精度；并能够有效缩短产品开发周期、提高模具设计和产品成形质量、减少试模费用和劳动强度。在结构性能CAE仿真中，将模拟工艺过程中产生的真实纤维分布结果与残余应力带入后续的三维 CAE结构模型，可有效提高结构刚度、强度的预测准确性[3]。

1 复合材料的注塑工艺仿真

注塑工艺过程中涉及到多个工艺参数对注塑成品质量的影响，采用正交实验设计方法[4,5]对注塑工艺进行模流分析，可以有效确定不同因素、不同水平下各个工艺参数对试验结果的影响规律。同时，还可以讨论单一因素对试验结果的影响趋势、揭示影响机理，为后续注塑实验提供扎实的理论基础。

1.1 注塑工艺仿真的理论分析

目前，注塑工艺模拟软件Moldflow因其预测效果可靠在国内外得到业内人士及企业的一致认可[6-9]。Moldflow软件的预测原理为：依据塑料的流变学、连续介质力学、传热学、数值计算分析等基础理论，来构建所用塑料在模具型腔内的流动、传热的数学模型。

前端支架制品在厚度方向上的尺寸远远小于其他方向上的尺寸，注塑成型的充填过程可以用基于黏性、非等温、不可压缩条件下的Hele-Shaw流动模型，建立描述该过程的连续性方程、动量守恒方程和能量方程[10,11]。

1.2 注塑工艺的仿真参数选择

针对注塑过程中的问题，国内外学者在注塑工艺参数方面已开展了大量仿真研究工作[12-22]。

Staub研究不同宽度和厚度矩形腔的浇口尺寸对充模压力影响，对 LDOE、HDPE、PS、PP、中冲击性聚苯乙烯（MIPS）及高冲击性聚苯乙烯（HIPS）进行流动实验，在螺旋模流道中，考察熔融温度、注射压力对螺旋流动长度和厚度的影响。Kalyon证明，高聚物密度、流动性和热性能的不同会导致充模时间、封口时间、制品质量的不同。

G.Williams和 H.Alord研究了聚合物在热壁和冷壁直形与锥形腔中温度、压力及流速的分布，浇口、模腔形状、材料特性、工艺条件对了流动的影响。Gilmore和Spencer用聚苯乙烯在柱塞式注塑机上研究热塑性塑料的可模塑性条件，发现注射压力、保压压力、切换时间、熔体温度和模具温度对制品的收缩率影响甚大。

Boan则用聚乙烯、聚苯乙烯研究模塑条件下的充模流体动力学，实验表明，注射压力、熔体温度的改变可以缩短充模时间。

1.3 注塑工艺翘曲的仿真

前端支架作为形状复杂的薄壁结构，在成型过程中容易出现翘曲、熔接痕、缩痕、气穴等缺陷，其中翘曲变形对于制件的使用影响最大。

许荔珉以零件翘曲变形为优化目标，采用正交试验方法并结合模流分析软件 Moldflow对薄壁塑件的注塑成型工艺参数进行了优化；Tang等分析了各种注塑工艺参数对注塑制品翘曲变形的影响，并采用 Taguchi方法寻求塑件翘曲变形的最优工艺参数；Erzurumlu等采用Moldflow模拟研究了不同材料不同结构的塑料件发生的翘曲，并优化工艺参数。

翘曲变形[23-25]主要受三个因素的影响：

1）冷却差异。具体表现为模具型腔内部温度分布不均匀，致使制件在热收缩的过程中收缩不均匀，而导致制件的翘曲变形；

2）收缩差异。塑料制品的结构中不同部位厚度的差异，导致薄厚壁的结晶度的不同，产生不均匀的体积收缩，易使制品变形和翘曲；

3）取向差异。即结晶性塑料各向异性显著，内应力大，脱模后制品内未结晶的分子有继续结晶的倾向，最终使制品翘曲变形。

2 复合材料注塑件结构性能的CAE技术

2.1 复合材料注塑件结构性能的有限元方法

许多国内外学者采用数值方法（有限元方法）模拟研究纤维增强复合材料的性能。Fiedler等[26]运用有限元方法模拟了单向纤维增强复合材料在拉伸荷载条件下的失效形式，他们认为当纤维和基体界面粘结性能强时，复合材料的失效主要取决于基体的失效性能；当纤维和基体界面粘结性能弱时，复合材料失效主要由纤维和基体的脱粘导致的。

杨卫等[27]采用有限元经典单胞模型，通过短纤维直径尺度上的应力——应变来模拟整个复合材料宏观应力——应变特征，能够分析细观结构对宏观有效性能的影响。由于经典单胞模型对材料的微观结构做了较多理想化的假定，如短纤维周期性排列等，使得模拟结果存在一定误差。

郭然等[28]则基于Voronoi单元有限元法，结合网格重划技术模拟颗粒增强复合材料中颗粒夹杂与基体界面的脱层状态，分析了夹杂相和基体之间脱层对复合材料习惯结构和宏观性能的影响。

方岱宁等[29]对纤维增强高分子聚合物基有效性能进行了模拟，主要采用三维有限元数值方法，利用细观力学模型并结合计算力学方法来研究复合材料中的平均应力应变场，模拟计算了旋转体和非旋转体纤维增强复合材料的有效弹性模量。结果表明复合材料的细观结构对轴向弹性模量影响较小，而横向有效弹性模量主要取决于受纤维的排列方式。

2.2 复合材料注塑件结构性能的软件模拟方法

依托商用软件为基础，国内外学者针对复合材料注塑件的力学性能等进行了细致的研究。刘斌等[30]提出了将型腔表面分割成不同区域，用Moldflow分析的结果为模具边界载荷条件在ANSYS软件中模拟模具变形情况，并通过实验验证，证明该方法可靠。

陈志新等[31]利用Moldflow的分析结果作为ANSYS分析模腔变形的边界条件，研究了模具的变形情况。康永林等[32]人通过应用ANSYS有限元软件，对沿板截面方向的应力应变和位移的分布进行了分析，并模拟了树脂复合轻质夹层板的弯曲诚信过程中错动量的分布以及变化规律，为轻质夹层板的设计与实际生产提供了技术参考。

方括和张青等[33]基于单层板理论的逐渐累积损伤的静强度预测方法的基础上，提出了用于二维机织复合材料静强度的预测方法，并对复合材料层合板的静强度进行模拟分析。

值得注意的是，在过去的10年间，虽然用于热塑性塑料的建模技术已得到了显著进步，但在行业领域内，对材料的表征技术以及对长玻纤增强复合材料行为特征加以了解的技术目前尚处于初级阶段。因此，精确而可靠的复合材料的性能表征，对于设计工程师完成预测分析、缩短产品交付时间以及加速开发和生产启动的时间进度至关重要。

3 结论

尽管注塑成型模拟技术在实际应用中已十分成熟，在注塑模具设计、工艺参数优化、结构性能CAE仿真等方面也有许多进展，但仍有一些欠缺，大致可以归纳出以下几方面问题：

a）复杂注塑件几何设计一般采用经验设计与拓扑优化相结合的方法，工序繁琐复杂，对设计人员有较高要求。

b）大多数研究者一般以复合材料层合板或试验标准件为研究对象，而对于结构复杂、尺寸较大的汽车承载结构件的研究较少。

c）对于采用复合材料为制作原料的前端支架的设计研究较少，只有少部分针对前端模块塑料件进行静力学分析，并未有人对前端模块进行整车的动力学分析。

d）针对复合材料前端模块的有限元方法研究中，需要着重考虑纤维对于材料本构及结构性能的影响。

e）对于嵌件注塑中的界面问题，研究很少，缺乏界面性能基础数据和界面形成机理的解释，更没有分子尺度对界面性能预测方法和结果，实验测试也比较困难，影响了宏观力学模型的预测精度。

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