探究聯合仿真在汽車電子節溫器零部件模具開發中的應用

上海依工塑料五金有限公司 楊華榮

在目前汽車零部件發過過程，需要經過產品設計.模具設計.實驗室各種環境試驗臺裝機實驗，再到定型生產，一般需要二到三年的開發驗證周期，隨著科學技術的不斷創新發展，零部件模具開發的過程已經充分利用了模流技術，模具開發質量有了明顯提高，但是結構強度設計和塑件模具開發還是有明顯的斷層，一旦產品結構設計或模具結構考慮不周導致塑件強度達不到設計需求，會導致模具開發延遲或者推倒重來，嚴重影響整個項目的開發進度；隨著主機廠車型的更新換代速度加快，對汽車零部件廠提出了縮短開發周期硬性要求；本文以研究結構仿真（Nastran in-cad）和注塑仿真（Moldflow）聯合（Helius-PFA）應用為研究對象，為更貼近現實的仿真技術應用及模具開發提出可參考借鑒的方法及使用流程。

隨著汽車主機廠加快車型的更新速度，對零部件行業項目開發提出了縮短開發周期及降低開發成本等硬性要求，同時對零部件的安全可靠性要求不僅沒降低反而提出了更高層次的標準和要求。對于汽車零部件行業廠家來說，只有結合利用先進的科學技術，才能為汽車主機廠提供可靠穩定的產品，積極促進產品結構的轉變，全面提高管理及技術水平。因此，為了更好地滿足現實發展需要，本文基于Moldflow注塑仿真和Nastran結構仿真聯合應用在節溫器零部件產品開發上，著重研究PPS含玻纖材料在注塑熔接線處的強度分析，提前預測產品注塑后可能導致在實驗中的失效風險，縮短開發時間及降低開發成本。

1 產品3D的前處理

圖1為節溫器的一個部件，在節溫器中有聯通冷卻液管道及密封作用。

圖1 節溫器部件圖

產品有一圈細小的圓角結構及爛面，最新版的Moldflow因為兼容性很強取消了CADdoctor模塊，如果單做模流分析可以不用處理產品3D，進入Moldflow界面劃分網格，如果網格無缺陷且縱橫比滿足系統要求，就可以直接進行分析；考慮到nastran in-cad網格能力較弱，如果模型不進行前處理可能會導致網格劃分失??；因此需要利用UG軟件去除微小圓角及修復爛面，直至幾何體檢查通過為止。

2 Moldflow注塑仿真分析

Moldflow分析產品在注塑整個過程中的潛在缺陷及工藝建議，包含注塑時間、注塑壓力、熔融溫度、熔接線位置及產品變形等幾十種結果，本文著重介紹強度分析對Moldflow求解器的詳細設置。

2.1 Moldflow網格劃分流程

CAE是利用有限元原理把復雜問題分成一個個簡單問題進行求解的過程，系統精度對網格有一定的要求，Moldflow要求縱橫比20以下，無自由邊.重疊面等缺陷，且聯合仿真對比熔接面強度分析還要求必須是3D網格；首先導入產品后網格類型更改為雙層面進行網格劃分；第二步檢查網格質量，縱橫比要修復到20以下越小越好，并且無其他網格缺陷；第三步網格類型更改為3D網格再次劃分網格，雙層面的質量越好，3D網格的質量也就越好，因為3D網格類型下無法修復網格缺陷的，這也就是選擇在雙層面網格的基礎上劃分3D網格的原因。

2.2 Moldflow分析設置及注意點

聯合仿真要求分析流程中最少包含填充及保壓工藝才可進行后續的數據擬合，作者因需要想更貼近現實情況，模型處理中已加進水路，分析流程中包含冷卻.填充.保壓及變形四個模塊；如果不進行熔接面強度分析，Moldflow不需進行任何特殊設置和平常一樣設置就行，本文需要進行熔接線強度分析所以需要把輸出熔接面設置打開，方法為工藝設置》高級選項》求解器參數（點編輯）》界面選項中勾選“熔接面強度分析”，至此Moldflow設置已完成點擊分析按鈕進行正常的分析環節。

3 Nastran in-CAD進行前處理及輸出擬合結構文件

Nastran軟件需要對產品3D進行網格劃分及載荷設置，之后進行輸出結構網格文件設置。熔接面強度分析要求結構網格數量盡可能密，最好能達到模流分析網格的數量，在擬合軟件（Helius-PFA）界面中有匹配性檢查程序，但是網格越多也意味著計算量越大，計算周期也就越長，這之間的度要大家自行把握；本文采用方法是采用和Moldflow網格劃分中同樣的網格尺寸，因兩個軟件劃分網格的方式和邏輯不同，結構軟件網格數量比模流網格數量要少很多。

3.1 Nastran的網格劃分設置及注意點

Nastran in-cad軟件是作為插件集成在Autodesk inventor中的，不能單獨進行產品3D的前處理及網格劃分工作；首先打開inventor軟件，新建部件》輸入3D數據》環境》選擇Nastran in-CAD選項；第二步進入nastran環境中選擇模型樹中的網格設置，設置網格大小后進行網格劃分，進入模型樹中參數設置選項，輸入TETREDORD把TETREDORD選項設為關閉，第三步雙擊模型樹頂部的分析1選項中勾選非線性靜力選項，點擊模型樹中子工況下的非線性設置1，進入選項頁面中增量數由1改為100，中間輸出選項改為全部。第四步設置載荷及約束工況，本文中約束設置為螺絲孔及安裝面全為固定，載荷設置為密封圈在安裝后給塑件施加的1000N反作用力。

3.2 Nastran設置輸出文件

第一步右鍵單擊模型樹中分析一在彈出菜單中選擇生成nastran文件，第二步在模型樹頂部選擇autodask Nastran文件，在其頁面中單擊保存圖標，保存nas文件到電腦中。

4 利于Helius-PFA軟件進行數據擬合

4.1 材料三向應力應變數據的前處理

聯合仿真需要材料廠商做玻纖0e45e90°三個方向的應力應變測試數據，一般拿到材料廠的數據不是PDF版本就是excel格式的，PDF的格式我們把數據全部錄進excel表格中，然后把Excel格式改成后綴為“.CSV”文件。

4.2 helius導入moldflow數據及結構數據進行擬合映射

進入Advanced material exchange界面，單擊零件映射，在彈出的對話框中選擇方案的文件框中打開模流文件夾下對應的后綴Sdy文件，選擇結構的文件框中選擇輸出nastran結構文件包，后綴為nas文件，第二步軟件會自動檢查產品網格的對齊情況，沒有對齊會自動提示對齊網格，第三步在材料選項中選擇添加非線性材料，在彈出的對話框中選擇導入整理的應力應變數據；第三步選擇映射結果，軟件會把模流數據中的玻纖取向及應力應變和熔接面數據映射到結構網格中；第四步選擇輸出結構包，軟件會把文件導出為三個文件，注意三個文件后綴為hen文件為材料設置文件，nas文件為網格文件，sif文件為接口文件，三個文件除了后綴不一樣外名字要一致，導出后不可以改文件名且需要放個同一個文件夾目錄下。

5 導入Nastran中進行求解運算

（2）在nastran程序打開的情況下，雙擊模型樹中的分析一，在彈窗對話框中點擊選項，勾選輸入結構模型，大位移選項設置為關閉。

（3）點擊面板中的運行按鍵，進行求解運算。

（4）結果解讀，DAMAGE STATE代表高斯點降級情況，1代表未斷裂，2代表已斷裂MATRIX EFFECTIVE STRESS代表機體材料的有效應力，FAILURE MODE代表失效模式0代表未失效，1代表拉伸失效，2代表壓縮失效；SOLID MATRIX TANGENT MODULUS代表機體成分的切線彈性模量，在檢查失效開裂部分的彈性模量遞減值比較有效，可以直觀觀察到可能失效部位彈性模量會有大幅度降低；AME總共輸出有7個結果，作者在本文產品中僅評價了前述的4個結果，結果表明在熔接線位置產品強度有明顯的降低，熔接線處的切面彈性模量已經降至正常機體的1/5；雖然在正常注塑良好情況下產品是安全的，但是不能排除模具在運行過程中排氣堵塞導致的熔接線質量下降風險，因此在模具設計開發階段就在熔接線位置拆了排氣鑲件，有效避免了后續生產過程中的風險。圖2為基體成分切線彈性模量，圖3為基體有效應力云圖。

圖2 基體成分切線彈性模量圖

圖3 基體有效應力云圖

結論：通過實例的仿真分析，考慮玻纖取向的聯合仿真模型得到的應力值與實際的應力值更接近，可以提高含玻纖材料零件仿真計算結果的準確性，證明了聯合仿真在模具開發中有提前預測風險，提前優化改善模具設計的缺陷的功能，在模具開發中可以大量應用積累成功經驗，同時也可降低開發成本縮短開發周期，在提高產品質量方面也可以有更加科學方法及建議。