查 燕，鄭方莉，肖 劍，楊衛(wèi)民，謝鵬程∗
（北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100029）
摘 要： 為提高復(fù)合材料注塑件的仿真準確性，基于多尺度聯(lián)合仿真方法，以汽車發(fā)動機正時鏈條導(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 %，實現(xiàn)了汽車發(fā)動機正時鏈條導(dǎo)軌的減量化設(shè)計。
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)運而生。減量化設(shè)計的原則是通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在保證產(chǎn)品強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、高強度和比模量等優(yōu)點，其中復(fù)合材料的力學(xué)性能是由基體和增強相復(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)計中常存在優(yōu)化盲區(qū)、保守設(shè)計等局限性，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。張立強等［4］基于多尺度聯(lián)合仿真對汽車前罩進行剛度仿真，驗證了多尺度聯(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)實現(xiàn)了復(fù)合材料注塑零件輕量化設(shè)計。綜上，本文基于多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)對復(fù)合材料注塑成型進行研究，以汽車發(fā)動機正時鏈條導(dǎo)軌為研究目標，進行汽車發(fā)動機正時鏈條導(dǎo)軌的減量化設(shè)計。
1 多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)
傳統(tǒng)的仿真方法在進行結(jié)構(gòu)性能分析時將實驗所得的材料參數(shù)直接賦予整體結(jié)構(gòu)，也就是認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)果往往與實際不符，甚至存在很大誤差［6］，最終無法準確有效地對制品進行性能評價。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，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，為進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)達到減量化設(shè)計提供可靠的技術(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)動機正時鏈導(dǎo)軌為研究對象，導(dǎo)軌的強度和剛度對整個發(fā)動機的穩(wěn)定運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)動機正時鏈條導(dǎo)軌的三維模型
圖3 汽車發(fā)動機正時鏈條導(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)采用一點進澆。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℃。當控制條件充填體積達到98 %時進行速度/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。
當熔體前沿以近似相等時間到達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進行力學(xué)性能分析。
如圖6所示，通過Abaqus 進行力學(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，這是因為傳統(tǒng)仿真認為材料是各向同性，當結(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。這是因為多尺度聯(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，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)提供更精準的技術(shù)支持。
3 正時鏈導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的減量化設(shè)計
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一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化以達到注塑零件減量化設(shè)計的目的。在設(shè)計正時鏈傳動系統(tǒng)過程中，固定導(dǎo)軌被設(shè)計成內(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一步設(shè)計內(nèi)凹形式以達到減量化設(shè)計目標，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)計前后結(jié)構(gòu)的剛度，結(jié)果如圖10所示，原始設(shè)計中正時鏈條導(dǎo)軌的最大位移量為1. 009 mm，減量化設(shè)計后正時鏈導(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)的強度，并且實現(xiàn)了汽車發(fā)動機正時鏈條導(dǎo)軌的減量化設(shè)計。
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)強度的同時，實現(xiàn)了汽車發(fā)動機正時鏈條導(dǎo)軌的減量化設(shè)計；
（3）多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)保留了注射成型工藝特點，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)計具有重要意義。
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