查 燕，鄭方莉，肖 劍，楊衛(wèi)民，謝鵬程∗
（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）
摘 要： 為提高復(fù)合材料注塑件的仿真準(zhǔn)確性，基于多尺度聯(lián)合仿真方法，以汽車發(fā)動機(jī)正時鏈條導(dǎo)軌為例，根據(jù)導(dǎo)軌纖維配向以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌減量化結(jié)構(gòu)，在保證整體應(yīng)力水平在安全范圍內(nèi)的同時，最大應(yīng)力降低了12 %，質(zhì)量減輕了4 %，實(shí)現(xiàn)了汽車發(fā)動機(jī)正時鏈條導(dǎo)軌的減量化設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： 減量化；聯(lián)合仿真；復(fù)合材料；注射成型
前言
數(shù)據(jù)顯示，我國固體廢物年產(chǎn)生總量超 1×1010 t，其中廢棄塑料約為6. 3×107 t，由于塑料的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，難以自然降解，回收成本過高，不當(dāng)使用和處置致使環(huán)境污染指數(shù)遞增［1］。針對解決這一現(xiàn)象，減量化理念應(yīng)運(yùn)而生。減量化設(shè)計(jì)的原則是通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證產(chǎn)品強(qiáng)度等安全性能的同時，減少原材料的用量，從源頭節(jié)約資源，減少廢棄物的產(chǎn)生［2］，是實(shí)現(xiàn)資源有效利用，塑料污染源頭防治的有效途徑之一。
復(fù)合材料作為綜合性能優(yōu)異的輕質(zhì)材料替代了傳統(tǒng)鋼材被廣泛應(yīng)用于汽車制造行業(yè)，具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度和比模量等優(yōu)點(diǎn)，其中復(fù)合材料的力學(xué)性能是由基體和增強(qiáng)相復(fù)合后顯現(xiàn)的綜合特性，但由于纖維和基體在力學(xué)性能上相差很大，加之纖維形狀和分布的隨機(jī)性，導(dǎo)致復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能非常復(fù)雜［3］。目前，有限元仿真分析被廣泛應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及性能評價中，但傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析軟件是假設(shè)材料各向同性，忽略了由于材料成型工藝所導(dǎo)致的材料各向異性對于結(jié)構(gòu)性能評價的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常存在優(yōu)化盲區(qū)、保守設(shè)計(jì)等局限性，導(dǎo)致產(chǎn)品呈現(xiàn)厚重、系統(tǒng)容積大等問題。為了很好地解決這些問題，多尺度聯(lián)合仿真成為首要選擇。張立強(qiáng)等［4］基于多尺度聯(lián)合仿真對汽車前罩進(jìn)行剛度仿真，驗(yàn)證了多尺度聯(lián)合仿真方法具有更高精度和可靠性。張玉麗等［5］基于聯(lián)合仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料注塑零件輕量化設(shè)計(jì)。綜上，本文基于多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)對復(fù)合材料注塑成型進(jìn)行研究，以汽車發(fā)動機(jī)正時鏈條導(dǎo)軌為研究目標(biāo)，進(jìn)行汽車發(fā)動機(jī)正時鏈條導(dǎo)軌的減量化設(shè)計(jì)。
1 多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)
傳統(tǒng)的仿真方法在進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析時將實(shí)驗(yàn)所得的材料參數(shù)直接賦予整體結(jié)構(gòu)，也就是認(rèn)為制件的材料屬性處處相等，從而忽視了成型工藝導(dǎo)致的材料各向異性對于結(jié)構(gòu)性能評價的影響，這樣所得到的仿真結(jié)果往往與實(shí)際不符，甚至存在很大誤差［6］，最終無法準(zhǔn)確有效地對制品進(jìn)行性能評價。隨著復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于汽車注塑零件，相比較傳統(tǒng)仿真方法，聯(lián)合仿真技術(shù)能夠綜合考慮復(fù)合材料非線性特征、注射成型工藝特點(diǎn)等因素，從而更可靠地預(yù)測產(chǎn)品的力學(xué)性能。
本研究所采用的多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)是通過Mol-dex3D模流分析軟件、Digimat 材料建模軟件和Abaqus 性能分析軟件綜合評價，保留注射成型工藝特點(diǎn)，分析制件微觀纖維配向及分布與宏觀力學(xué)性能之間耦合關(guān)系，從而更合理可靠地預(yù)測制件的力學(xué)性能，為進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)達(dá)到減量化設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)支撐。其中聯(lián)合仿真技術(shù)路線如圖1所示，首先通過三維建模軟件建成正時鏈導(dǎo)軌模型導(dǎo)入Moldex3D軟件，劃分工藝仿真網(wǎng)格，并進(jìn)行正時鏈導(dǎo)軌注射成型過程分析，獲得導(dǎo)軌的纖維分布和配向信息，并通過Digimat-MAP 模塊將纖維分布和配向信息映射到 Abaqus 結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格中；最后將Digimat-MF模塊建成的材料模型連同Digi-mat-MAP模塊得到的映射模型同時導(dǎo)入到 Abaqus進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)性能仿真分析。
圖1 多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)路線
2 多尺度聯(lián)合仿真模型的建立
以汽車發(fā)動機(jī)正時鏈導(dǎo)軌為研究對象，導(dǎo)軌的強(qiáng)度和剛度對整個發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和壽命存在很大影響［7-9］，按照多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)路線，針對汽車正時鏈導(dǎo)軌進(jìn)行聯(lián)合仿真模型建立及分析，具體流程如下。
2. 1 分析前處理
通過建模軟件 Solidworks 建立汽車發(fā)動機(jī)正時鏈條導(dǎo)軌的三維模型，如圖2所示，并將其導(dǎo)入到模流分析軟件 Moldex3D劃分工藝仿真網(wǎng)格，如圖3 所示。
圖2 汽車發(fā)動機(jī)正時鏈條導(dǎo)軌的三維模型
圖3 汽車發(fā)動機(jī)正時鏈條導(dǎo)軌的工藝仿真網(wǎng)格
2. 2 模流分析
汽車發(fā)動機(jī)正時鏈條導(dǎo)軌的材料采用巴斯夫股份公司的Uitramid A3WG6（聚酰胺 66+30 % 玻璃纖維），澆注系統(tǒng)采用一點(diǎn)進(jìn)澆。根據(jù)制件要求與材料屬性設(shè)置工藝參數(shù)：模具表面溫度設(shè)為85℃，熔體溫度為290℃。當(dāng)控制條件充填體積達(dá)到98 %時進(jìn)行速度/壓力切換，保壓時間持續(xù)8. 3 s，其余參數(shù)采用 Mold-ex3D 系統(tǒng)默認(rèn)。
當(dāng)熔體前沿以近似相等時間到達(dá)型腔的各個末端被視為良好的充填過程，流動波前時間分析結(jié)果如圖4所示，充填時間大約為1. 227s，整體充填順暢；其中汽車發(fā)動機(jī)正時鏈條導(dǎo)軌的纖維配向分布情況如圖5所示，其中纖維配向最大值為0. 99 無限趨近于1，已知纖維配向張量越接近于1，纖維在此區(qū)域沿流動方向的取向程度越高，所以該導(dǎo)軌模型的整體纖維配向程度較高，只在肋板和銷軸處出現(xiàn)配向張量較低的情況，所以纖維增強(qiáng)效果明顯，結(jié)構(gòu)力學(xué)性能可能提高。
圖4 流動波前時間
圖5 微觀纖維配向分布圖
2. 3 復(fù)合材料模型建立及結(jié)構(gòu)分析設(shè)置
在Digimat-MF模塊建立起30%玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺66復(fù)合材料的材料模型。并通過 Digimat-MAP 模塊將模流分析所得的纖維配向和分布信息映射到Abaqus結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格上實(shí)現(xiàn)不同類型網(wǎng)格之間的信息交換。最終將Digimat中生成的材料模型及映射模型同時導(dǎo)入Abaqus進(jìn)行力學(xué)性能分析。
如圖6所示，通過Abaqus 進(jìn)行力學(xué)性能分析時，導(dǎo)軌的約束條件為：在固定導(dǎo)軌的銷軸處約束6個方向的自由度（即完全約束）。由于鏈條和導(dǎo)軌間的摩擦因數(shù)很小，所以在只考慮導(dǎo)軌上慣性力與鏈條張力的作用，其加載條件為：在接觸面加 1~3 MPa 均載。
圖6 汽車正時鏈條固定導(dǎo)軌上受力及約束情況
2. 4 計(jì)算結(jié)果分析
由傳統(tǒng)仿真與多尺度聯(lián)合仿真分析發(fā)動機(jī)正時鏈導(dǎo)軌力學(xué)性能，其應(yīng)力分布對比圖，如圖7 所示，通過傳統(tǒng)仿真分析結(jié)果顯示，應(yīng)力最大值為103. 1MPa，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在導(dǎo)軌銷軸處，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)仿真認(rèn)為材料是各向同性，當(dāng)結(jié)構(gòu)受載時，其固定部位應(yīng)力最大。采用多尺度聯(lián)合仿真模型分析所得結(jié)果，最大應(yīng)力降低為70 MPa，高應(yīng)力水平集中在銷軸和肋板處，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近銷軸的肋板內(nèi)測，由于在充填過程熔體在到達(dá)肋板處發(fā)生分流導(dǎo)致纖維配向雜亂，如圖5 所示，從而在橫向加載時力學(xué)性能削弱導(dǎo)致應(yīng)力集中，同時也側(cè)面說明了制件微觀纖維配向及分布與宏觀力學(xué)性能之間對應(yīng)關(guān)系，所以多尺度聯(lián)合仿真結(jié)合了材料成型工藝，更合理可靠的預(yù)測了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，已知30% 玻纖增強(qiáng)聚酰胺66的斷裂應(yīng)力為145MPa，所以整體應(yīng)力水平在安全范圍內(nèi)。
圖7 傳統(tǒng)仿真和多尺度聯(lián)合仿真的應(yīng)力分布對比圖
相比較傳統(tǒng)仿真方法，多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)對于復(fù)合材料注射成型制品的性能評價具有更高精度。這是因?yàn)槎喑叨嚷?lián)合仿真規(guī)避了傳統(tǒng)仿真假設(shè)材料是各向同性的這一局限性，保留了注射成型工藝特點(diǎn)，充分考慮了導(dǎo)軌材料的各向異性特征，使材料屬性更加貼近實(shí)際材料，因此能夠更合理可靠的預(yù)測制件的力學(xué)性能，從而為產(chǎn)品優(yōu)化以及生產(chǎn)提供更精準(zhǔn)的技術(shù)支持。
3 正時鏈導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的減量化設(shè)計(jì)
由上述分析結(jié)果可合理推測該汽車正時鏈導(dǎo)軌在保證結(jié)構(gòu)可靠性的前提下可以進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化以達(dá)到注塑零件減量化設(shè)計(jì)的目的。在設(shè)計(jì)正時鏈傳動系統(tǒng)過程中，固定導(dǎo)軌被設(shè)計(jì)成內(nèi)凹形式作用在鏈條緊邊位置，如圖7所示，導(dǎo)軌肋板和上壁面接觸處分布應(yīng)力值較大，所以優(yōu)化方案是將導(dǎo)軌上壁面由原來的2mm增加至3mm，由于導(dǎo)軌下壁面及中間肋板整體應(yīng)力水平較低，所以可以在導(dǎo)軌下壁面中間位置進(jìn)一步設(shè)計(jì)內(nèi)凹形式以達(dá)到減量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，內(nèi)凹距離為3. 3 mm，合理縮短肋板長度，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的正時鏈導(dǎo)軌，如圖8所示。
圖8 汽車正時鏈條導(dǎo)軌優(yōu)化結(jié)構(gòu)
經(jīng)過減量化設(shè)計(jì)之后，導(dǎo)軌質(zhì)量減輕了4 %，優(yōu)化前后正時鏈條導(dǎo)軌應(yīng)力分布對比結(jié)果如圖9所示，其中低應(yīng)力水平有小幅度升高，但高應(yīng)力水平大幅度降低，其中最大應(yīng)力減小到61. 63 MPa，比原結(jié)構(gòu)降低了12 %，且整體應(yīng)力水平處于安全工作范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。
圖9 正時鏈條導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后應(yīng)力分布對比圖
為進(jìn)一步通過聯(lián)合仿真技術(shù)模擬正時鏈條導(dǎo)軌減量化設(shè)計(jì)前后結(jié)構(gòu)的剛度，結(jié)果如圖10所示，原始設(shè)計(jì)中正時鏈條導(dǎo)軌的最大位移量為1. 009 mm，減量化設(shè)計(jì)后正時鏈導(dǎo)軌的最大位移量為1. 036 mm，由于整體變形量不大，可以認(rèn)為優(yōu)化前后正時鏈條導(dǎo)軌的剛度沒有發(fā)生明顯變化。所以得出結(jié)論是，在滿足剛度不變的前提下，提升了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，并且實(shí)現(xiàn)了汽車發(fā)動機(jī)正時鏈條導(dǎo)軌的減量化設(shè)計(jì)。
圖10 正時鏈導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)變形量云圖
4 結(jié)論
（1）導(dǎo)軌較高應(yīng)力集中在肋板處，與注射成型所得結(jié)構(gòu)纖維配向的分布情況相吻合，驗(yàn)證了多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)在復(fù)合材料注射成型研究中的可靠性；
（2）正時鏈條導(dǎo)軌減量化設(shè)計(jì)后，總質(zhì)量減輕了4 %，最大應(yīng)力值降低了12 %，保證整體應(yīng)力水平處于安全工作范圍，在提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時，實(shí)現(xiàn)了汽車發(fā)動機(jī)正時鏈條導(dǎo)軌的減量化設(shè)計(jì)；
（3）多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)保留了注射成型工藝特點(diǎn)，提高了復(fù)合材料注塑制品仿真的精確度，這對復(fù)合材料注塑制品的性能評價以及減量化設(shè)計(jì)具有重要意義。
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