基于Moldflow的保险杠中玻纤的取向分析

王恒兵，潘 燕，史 文，李又兵

(重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆 400054)

从安全角度看，汽车发生碰撞事故时塑料保险杠能起到缓冲作用，保护前后车体;从外观看，具有强度、刚性和装饰性，可以很自然地与车体结合在一块，浑然成一体，成为装饰轿车外型的重要部件。材料的选择对于保险杠的强度、刚度具有重大影响。保险杠传统选用的材料多为PP+弹性体材料和其他一些助剂或填充剂。本研究选用PP+短玻纤作为保险杠的分析材料，并通过Moldflow来预测材料的刚强度。国内余玲［1］、马克明［2］、黄虹［3］、谭安平［4］对浇注系统以及模拟流动进行分析，但对玻纤的取向描述不多。丛穆［5］等描述了某汽车前保险杠现有模具的设置，分析了新型材料用于该保险杠成型的可行性，并对可能出现的质量问题进行了预测。张学良等［6］采用针阀控制顺序进料延时保压的热流道浇注系统，对某汽车后保险杠的填充时间、锁模力、翘曲变形以及熔接痕等进行了模拟分析，并进行优化。曹亮［7］通过改变Moldflow中注塑参数来优化模具结构。但以上研究都未对保险杠中玻纤的取向进行分析。

玻璃纤维增强聚丙烯具有弹性模量高、强度大、尺寸稳定、热变形温度高、电性能优良、价格较低等优点。笔者通过Moldflow中的Molding window及Filling+pack来研究其最佳的加工条件和玻纤的取向，并以此预测制件的强度。

1 塑件结构特点

某轿车后保险杠结构如图1所示，结构对称，外形尺寸为 1 756 mm×806 mm×530 mm，壁厚2.73 mm。通过CAD doctor对塑件模型进行修复，并通过Moldflow采用最大纵横比修复处理得到塑件的网格单元。

图1 某轿车后保险杠结构

2 材料及工艺参数设定

保险杠的选用的材料为Basell Polyolefins Europe公司的Hostacom G3 R11，聚丙烯(PP)+短切玻璃纤维［SGF(30%)］，在Moldflow中显示的材料性质如表1所示。

表1 GFRPP Hostacom G3 R11物性

3 浇注系统

采用的浇注系统6点均匀进浇，如图2所示。浇注系统对称布置，采用矩形浇口，尺寸为8 mm×4 mm。

图2 浇注系统

4 模拟结果分析

通过Moldflow中的Molding window模拟分析，推荐的模具温度为53℃，熔体温度为257℃，最大注射压力180 MPa，如表2所示。

表2 Molding window推荐值

通过Moldflow中的Molding Window进行模拟分析，得到图3所示的制件冷却时间和模具温度关系。由图3可得到制件冷却时间为30 s，保压压力为注射压力的80%，保压10 s，速度/压力控制转换为98%。

通过Moldflow中的filling+pack来模拟保险杠中的玻纤的取向。

图3 制件冷却时间和模具温度关系

4.1 PP/GF保险杠中GF平均取向

图4为玻璃纤维的平均纤维取向，从图4中可以看出浇口附近即A、B区域玻纤的取向程度低，玻纤取向程度在0.5左右;取向程度高的区域主要分布在保险杠的中部及边缘区域，即C、D区。C、D区玻纤取向度在0.8左右，而保险杠最大程度的取向发生在其边缘区域，其最大取向度可以达到0.995 2。由图4可推测出保险杠整体的力学性能并不一致。

图4 平均纤维取向

4.2 PP/GF保险杠拉伸弹性模量分布

通过MPI模拟分析得到如图5的第1方向的拉伸模量分布和如图6的第2方向的拉伸模量分布。图5在A、B区域的第1主方向的拉伸模量在4 000 MPa左右，图6在A、B区域第2主方向的拉伸模量在3 500 MPa左右，显示第1主方向的拉伸模量和第2主方向的拉伸模量基本一致，推测其力学性能是较均匀的。结合图5及图6可得:C、D区域的取向度越大，其第1主方向的拉伸模量就越大，最大可达到6 300 MPa，第2主方向的拉伸模量就越小，最小可达到2 200 MPa。拉伸模量与拉伸强度具有一定的联系，这对于预测保险杠的强度是很重要的一个依据。

结合保险杠的平均纤维取向以及拉伸弹性模量分布可以看出:保险杠中部的纤维取向与保险杠纵向方向基本一致，其在沿着玻纤取向的方向也就是第1方向的拉伸模量大，当汽车保险杠中部受到撞击时保险杠可以吸收更多的能量;图4中浇口附近的各个方向的拉伸模量较均匀。

5 结论

1)浇口附近玻纤取向度低，在保险杠中部及边缘区域玻纤取向度高。

2)保险杠拉伸弹性模量分布与玻纤平均纤维取向是对应的，取向程度越大，则第1方向的拉伸模量就越大，反之亦然。

3)结合玻纤的平均纤维取向和伸弹性模量分布研究，可对保险杠的强度进行预测。

［1］余玲，陈是德，张诗.基于Moldflow的汽车保险杠浇注系统优化设计［J］.模具工业，2011，37(1):17-20.

［2］马克明，刘红.PA6/GF复合材料注射成型模拟流动分析［J］.工程塑料应用，2005，33(11):25-27.

［3］黄虹，王海民，邱方军，等.Moldflow软件在汽车保险杠浇口设计中的应用［J］.塑料，2009，38(6):15-18.

［4］谭安平，向渝，李才能.基于Moldflow的保险杠不同浇注系统比较分析［J］.精密成形工程，2011，3(2):68-72.

［5］丛穆，江梅，陈丽萍.Moldflow技术在汽车前保险杠成型分析中的应用［J］.材料·工艺·设备，2011(5):51-55.

［6］张学良，罗晓哗.基于Moldflow的汽车大型覆盖件注射成型工艺研究［J］.应用与试验，2011(3):83-84.

［7］曹亮.轿车后保险杠裙围凹陷变形原因探析与解决方案［J］.工程塑料应用，2009，37(11):34-36.

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