基于联合仿真分析的复合材料尾门轻量化设计

柏宏 刘晶 彭丹 库才旗

摘 要：复合材料的应用是实现汽车轻量化的主要途径之一。目前常用的结构仿真软件的材料模型无法准确表达复合材料零件各向异性的特性，为提高复合材料尾门仿真结果的准确性，本文基于Moldflow，Digimat和Abaqus的联合仿真方法，进行复合材料尾门的轻量化设计。将联合仿真和传统仿真的结果与通过试验获得的结果进行对比分析，精度有了显著的提升，验证了联合仿真技术的可靠性。

关键词：尾门 复合材料 联合仿真 轻量化

1 引言

随着能源短缺、环境污染等问题的日益突出，汽车轻量化技术势在必行。世界铝业协会的报告指出，汽车的自身重量每减少10%，燃油的消耗可降低6%～8%[1]。汽车轻量化技术可以分为结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺3个主要方面[2]。其中，纤维增强复合材料替代传统钢制件实现轻量化的开发成为汽车行业的新热点之一。汽车的轻量化最终要分解落实到相关零部件的轻量化[3]。尾门结构是汽车的大型覆盖件之一，在车身质量中占有较大比重。因此，将纤维增强复合材料用于尾门设计是实现尾门轻量化的重要途径。

复合材料的使用给仿真分析带来一定困难。传统的结构仿真方法是假设材料是各向同性或正交各向异性，通过材料测试得到材料的力学特性，然后建立有限元模型进行仿真分析[4]。然而，复合材料呈现明显的各向异性特性，现存结构仿真软件的材料本构模型无法准确表达。注塑成型的塑料件，尤其是含玻纤的制品，受其成型工艺的影响必然会产生残余应力、熔接线和纤维取向[5]。若结构分析时没有充分考虑这些对产品性能的影响，最后得到的分析结果会偏离实际。换句话说，仿真失去了意义。为有效避免该问题，联合仿真成为必然选择。高晓东等人[6]对成型后的全塑轮胎进行联合仿真分析，研究注射模具浇口的最优化设计。张立强等人[7]建立复合材料汽车前罩的多尺度联合仿真模型进行刚度仿真，验证了联合仿真方法具有更高精度。

本文基于Moldflow-Digimat-Abaqus联合仿真技术，以汽车复合材料尾门为研究对象，首先进行模流分析模拟其注塑成型过程，预测产品填充时间、流动前沿温度、熔接线位置以及纤维取向等，然后将其映射到相应的有限元模型开展结构分析，实现对复合材料尾门更加真实可靠的仿真。

2 联合仿真方法

传统仿真方法假设材料呈均匀化分布，这样得到的材料属性与实际情况不符，甚至存在很大偏差，最后获得的仿真结果无法有效对产品的实际设计与生产发挥指导性作用。随着复合材料广泛应用于汽车配件的制造，传统仿真在精度方面已不能满足复合材料研究需求，联合仿真成为必然选择。

目前的联合仿真方法主要如下：（1） Autodesk公司的Simulation Mechanical软件与Moldflow软件可以实现无缝对接;（2）使用Moldex3D软件进行模流分析，可以直接输出各结构求解器格式类型的文件，然后再进行结构分析的边界条件设置求解;（3）使用Autodesk Helius PFA软件将模流分析软件的分析结果映射到结构分析软件中的分析模型上;（4）使用Digimat软件将模流分析软件的分析结果映射到结构分析软件中相应的分析模型上[8]。

本文所采用的联合仿真技术是基于模流分析软件Moldflow、材料建模平台Digimat以及结构性能分析软件Abaqus的现代仿真技术，从微观上纤维取向与分布对复合材料尾门宏观上的力学性能有显著影响的角度出发，综合考虑了材料的各向异性特性、注塑成型工艺等因素进行复合材料尾门的轻量化设计。复合材料尾门联合仿真流程如图1所示，首先将尾门的三维模型导入Moldflow中，划分工艺仿真网格，并模拟其注塑成型工艺过程，获得尾门纤维分布及方向信息。然后由于工艺仿真网格与结构有限元网格有较大差异，应用Digimat-MAP模块将纤维方向数据映射至Abaqus结构分析网格，获得带有纤维分布和方向信息的结构有限元网格，映射后结构有限元网格中的数值越大表示该位置处纤维方向的一致性越好。同时，通过Digimat-MF模块建立复合材料各向异性材料模型，包含纤维质量分数、基体与纤维混合情况等信息，获得不同纤维方向下的材料属性。最后应用Abaqus对复合材料尾门进行结构性能的有限元仿真。

Digimat使用均匀化方法获得尾门不同位置处的各向异性材料特性。该方法通过代表性体积单元RVE（Representative Volume Element）建立宏观与微观间的联系[9]。第一步，基于Mori-Tanaka理论生成由相同纤维构成的颗粒。第二步，通过Voigt模型，得到RVE的等效材料属性。

3 尾门内板模流分析

尾门一般分为内板、外板、加强板3部分[10]。其中，加强板是金属件，外板填充物是滑石粉，只有内板是填充长玻纤，所以只有内板才需考虑材料的各向异性特性，故首先进行尾门内板模流分析。

3.1 分析前处理

通过软件UG建立尾门内板的三维模型，如图2所示，将其导入软件Moldflow并划分工艺仿真网格，如图3所示。网格最大纵横比小于6，满足模拟分析要求。

尾门内板材料選用Chisso Petrochemical公司的PP+LGF30（聚丙烯+30%长玻璃纤维）。注塑成型工艺会直接影响尾门内板的成型质量，根据制品要求与材料属性，设置工艺参数：模具表面温度为45℃，熔体温度为265℃，当控制条件充填体积达到99%时进行速度/压力切换，填充压力为100MPa，保压控制条件为以80%以上充填压力持续10s。其余参数采用Moldflow系统默认值。

3.2 模拟结果分析

当熔体前沿以近似相等的时间到达型腔的各个末端被视为良好的填充过程，而且填充时间决定了产品的生产效率。填充时间分析结果如图4所示，充填时间大约1.937秒，整体填充顺畅。

注塑成型过程中，熔体流动前沿温度反映了制品温度分布的合理性。温差越小，成型质量越好。流动前沿温度分析结果如图5所示，产品大表面料流动前沿温度比较均匀，最高温和最低温相差1.7℃，满足要求。

注塑件的收缩行为会影响产品的最终尺寸和形状。体积收缩率分析结果如图6所示，体积收缩整体较均衡，集中在3%～6%，仅在浇口位置附近产品的体积收缩率相对较大，应注意加强冷却，及增加保压时间。

注塑成型过程中，由于浇口位置的不同，熔体从各浇口流向同一位置时流向不同会产生纤维取向不一致的问题。这会影响材料各向异性特性，并导致制品不同区域的材料性能差别很大。纤维取向结果如图7所示。

其余一些分析结果如下：注塑最大压力应低于60MPa，产品填充的最大注塑压力为37.04Mpa，压力适中，适合生产;最大锁模力为2186T，锁模力不应超过注塑机的最大锁模力7000t，满足要求;在筋位，卡口，熔接线处存在困气现象，应当采取相应措施改善排气，以加强其流动性;两股料流交汇处会产生熔接线，熔接线会影响成品的整体性。应避免在应力集中处，同时尽量增大熔接线汇合角;分析结果显示产品变形较均匀，局部变形相对较大，注意在实际成型时要加强冷却，通过后续分段保压能很大的改善产品的变形量。

4 尾门性能分析

4.1 分析前处理

通过Digimat软件中的MF模块建立30%玻纤增强聚丙烯复合材料模型，并通过Digimat软件中的Map模块将尾门模流分析所获得的纤维取向与分布信息映射到Abaqus结构分析网格中，实现不同类型网格之间的信息变换。再通过Abaqus软件中的Digimat模块将材料模型和模流分析结果同时导入[11]。最后，利用Digimat软件中的CAE功能使Moldflow、Digimat以及Abaqus连接起来，通过非线性多维模拟准确仿真尾门的横向刚度。

如图8所示，尾门横向刚度有限元模型的约束方式是： 铰链车身侧安装孔约束六个方向自由度（即完全约束），锁芯约束Z方向移动自由度。加载条件是：锁芯加载Y向500N作用力。分析结果读取加载点Y向最大加载位移和卸载位移。

4.2 仿真结果分析

联合仿真与常规仿真得到的尾门横向刚度分析结果如图9所示。同时，为验证联合仿真技术的可靠性，将联合仿真与常规仿真得到的分析结果与通过试验获得的结果进行对比分析，结果如表1所示。

试验中，加载点Y向最大加载位移为45.48mm。横向刚度联合仿真分析中，最大加载位移为38.46mm，是试验结果的84.56%。横向刚度常规仿真分析中，最大加载位移为24.09mm，是试验结果的52.97%。对比联合仿真和常规仿真的分析结果，可知联合仿真的分析结果更具有有效性和可靠性。这是因为传统仿真过程中，材料属性默认为均匀化分布，而联合仿真充分考虑尾门材料的各向异性特性，使得材料属性更加接近真实材料。

5 总结

本文在考虑材料各向异性影响情况下，基于联合仿真技术对复合材料尾门进行横向刚度仿真，并将联合仿真结果和传统仿真方法得到的结果与通过试验获得的结果进行对比分析，获得以下结论：

（1）基于Moldflow-Digimat-Abaqus的联合仿真技术对复合材料尾门横向刚度进行仿真，可以考虑复合材料各向异性对尾门横向刚度结果的影响;

（2）横向刚度联合仿真分析中，最大加载位移为38.46mm，是试验结果的84.56%。横向刚度常规仿真分析中，最大加载位移为24.09mm，是试验结果的52.97%。这说明复合材料注塑成型过程中，微观纤维取向及分布情况是制品宏观力学性能的关键因素;

（3）使用联合仿真分析方法对复合材料进行仿真分析所得到的结果更具有效性和可靠性，这为复合材料产品的性能预测提供了重要的参考价值和现实意义。

柳州市科学研究与技术开发计划（柳科计字2017第19号）资助项目。项目名称：汽车纤维增强塑料覆盖件设计制造关键技术研究与产品开发（2017AA10104）。

参考文献：

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[4]张玉丽，傅南红，杨华光，武高健，谢鹏程.多尺度联合仿真在复合材料注塑成型中的应用[J].塑料， 2019，48（01）：67-70.

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[8]李西顺，杨明华，孙正峰. 车用塑料件的模流与结构联合仿真分析[J]. 计算机辅助工程，2017（05）：23-28.

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[11]张玉丽，邱炜，傅南红，et al.基于多尺度联合仿真的注塑制品轻量化设计[J].中国塑料，2018，32（09）：136-140.