基于模流分析汽车保险杠浇口位置分析案例

黄知洋

（浙江工贸职业技术学院 浙江·温州 325000）

《注塑成型工艺与优化设计》是模具专业人才培养的核心课程，其主要内容包括塑料成型的理论基础、聚合物流变学理论、注射成型工艺及塑料模具的模具设计等，是一门知识面广且深，实践性强的综合课程。由于注射成型的过程是模具内部的型腔中进行，不可见的过程使得学生的学习难度增大。学生普遍难学，自信心不足，学习效果也差强人意。Moldflow软件是针对注射成型过程模拟的计算机辅助软件，它对成型过程结构、工艺参数和模具设计等以动画形式表现出来。

1 moldflow软件简介

塑料成型CAE软件-MOLDFLOW注重在加工制造前对设计方案进行模拟评估以及优化处理，减少潜在的设计失误，缩短产品的开发周期；将优化设计贯穿于设计制造的全过程，彻底改变传统的依靠经验的“试错”的设计模式，可视化当今的最先进的成型过程。同时使学生能致力于解决与塑料成型相关的设计和制造问题，优化塑料的消耗，达到成本的最优化。

2 实例分析

本文主要是分析汽车保险杠浇口位置，一般的操作流程为：导入CAD模型——设置网格参数并划分网格——选用相关材料设定工艺参数——进行模拟分析——确定初步的设计方案——改进工艺参数——进行多次模拟分析——确定最终的设计方案。

2.1 建模

首先通过solidworks软件，建立汽车保险杠的几何模型，如图 1、图2。

图1：汽车保险杠模具结构三维图

图2：汽车保险杠产品的三维模型正面、背面

同时检查模型厚度，减少后期分析过程中出现的各种制品缺陷，例如凹坑、气穴、变形等。将模型输出为IGS格式，使得模型数据可以导入Moldflow软件中实现数据共享。

在moldflow中检查模型的模型主要参数，如表1：

表1：汽车保险杠产品主要参数

不同厚度，不同材质会影响其最大流动距离。本案例中采用PP材料，一般其常规成型工艺条件，塑料的流动距离可以达到220mm。

产品厚度结果为：产品平均壁厚为3.0mm左右，最大壁厚5.8mm，整体壁厚符合注塑成型要求。

在设计树中设置其材料规格。双击PP，在弹出的“选择材料”对话框里选择一种牌号，本例选择 LG的 Lupol TE一5011A。

2.2 网格划分

在moldflow中，对模型网格划分重要三种方式，分别为中性面网格、双层面网格和实体网格。

中性面网格是一种单层网格，以二维平面的形式和厚度上来模拟模型，实现流动分析。适合模拟简单、薄壁产品的填充行为，但具有一定局限性，在分析前需做大量的处理工作来保证网格质量。

双层面网格是在模型表面分别形成面，属于半立体空间的结构。适用于取中性面较为困难的模型。因此就有了表面网格独有的网格匹配率的概念。当网格匹配率达到或高于85%时，则认为网格的质量比较好，可以满足冷却、流动、翘曲的分析。

实体网格就是将模型实体形成多种四面体单元，组成实体网格模型，相似度较高，计算更为准确，但是计算成本较高，难度相对较大。

由于汽车保险杠模型结构复杂，在进行网格划分时，必然会出现较多网格缺陷需要修复。同时模型的尺寸较大、总表面积和网格边长值相对较大，网格数量相对较大。所以采用双层面网格技术进行网格划分和分析计算。

为了满足后期分析的需要，相关参数必须达到要求，才能进行计算。例如网格匹配率是表面网格模型与原模型相似程度的一项参数，其值要满足85%以上，分析结果才相对准确。

图3：汽车保险杠产品网格模型

通过上图网格统计显示，相关参数不符合要求，结合Moldflow软件命令，进行修复。

主要指标有：（1）连通区域的个数应该为1；（2）自由边和多重边个数应该为0；（3）配向不正确的单元应该为0；（4）相交单元个数应该为0；（5）完全重叠单元个数应该为0；（6）纵横比数值视具体情况而定，一般最大值应控制在10～20之间；（7）匹配百分比应大于85%；（8）零面积单元个数应该为0。

图4：网格修复后的统计结果

2.3 分析最佳浇口位置

为了较好的模拟整个产品的成型过程应选择的分析类型是：填充+流动+保压。

浇口是注射成型模具的浇注系统中重要的组成部分，通过浇口，连接主流道（分流道）和型腔的熔体通道。浇口数量多少和位置选择是保证塑件成型质量的关键因素，也影响模具的结构设计。

注射模浇口位置的设置决定了聚合物的流动方向和流动平衡。通过优化浇口位置可以显著提高产品质量。浇口位置不合理往往会导致熔体填充不均匀，熔合线性差、翘曲等缺陷。浇口数量对注射压力和焊缝形状有很大影响。当浇口数较少时，可以减少熔接痕的数量，但工艺较长，所需注射压力更高，产品的残余应力也随之增加，从而产生注塑件的翘曲变形。

采用Moldflow软件进行流动模拟分析，得到最佳浇口数量和位置。对于大型复杂零件，尤其是工艺较长的保险杠零件，不可能采用单点浇注，因为单点浇注由于流动距离长，不容易填满型腔。因此，保险杠闸门采用多点浇筑。而且，最佳浇口位置区域位于零件中心附近，这符合形状对称的原则，浇口位置应设置在中间，以避免翘曲变形。

图5：填充分析结果

3 结束语

在聚合物流变学理论的基础上，运用注塑成型分析软件Moldflow，建立了汽车保险杠的有限元模型，进行了注塑成型填充分析，使学生能掌握有限元分析软件-MOLDFLOW的使用，能对塑件的可加工性能作出早期的判断，预先发现成形中可能产生的质量缺陷，并模拟各种工艺方案，通过仿真进行优化设计，以获得最佳的工艺方案和工艺参数，增强工艺的稳定性、降低材料消耗、提高生产效率和产品的质量。