CAE技術(shù)在復(fù)雜SMC汽車(chē)零部件成型中的應(yīng)用

本文通過(guò)在復(fù)雜的SMC零件從制品設(shè)計(jì)到成型的過(guò)程中利用計(jì)算機(jī)模擬分析進(jìn)行流動(dòng)模擬、工藝設(shè)計(jì)等工作，從而闡明了該技術(shù)在復(fù)雜SMC零件生產(chǎn)過(guò)程中的有效性。

一、前言

汽車(chē)是現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ?，其發(fā)展趨勢(shì)為換型快，開(kāi)發(fā)周期短，批量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而復(fù)合材料具有重量輕、制造成本低、零部件集成度高等特點(diǎn)，在汽車(chē)制造中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
復(fù)合材料與金屬材料相比具有較大的優(yōu)越性：

1、密度小，強(qiáng)度高。復(fù)合材料的密度一般在1.6～2.0g/cm3，約是鋼的1/4，鋁的2/3；其比強(qiáng)度與鋼接近；2、熱膨脹系數(shù)低。通過(guò)相關(guān)鋪層設(shè)計(jì)，可使其熱膨脹系數(shù)接近0，利用這一特點(diǎn)可制作尺寸精度要求高的構(gòu)件；3、復(fù)合材料具有較好的減震性、隔熱性、消音性、吸能性，可用于內(nèi)、外飾、吸能器等零件，以減輕振動(dòng)，減少噪音，保持車(chē)內(nèi)溫度，尤其是用作吸能器，具有優(yōu)越的抗沖擊性和彈性回復(fù)性，在車(chē)禍中可大大降低對(duì)人體的傷害；4、成本較低，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。 123456

通過(guò)部件整合可以有效的降低汽車(chē)開(kāi)發(fā)費(fèi)用和生產(chǎn)成本，在中等批量的車(chē)型中采用復(fù)合材料取代鋁材可降低成本40％，并且可縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。復(fù)合材料與鋼鐵相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)：具有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，可提高汽車(chē)質(zhì)量23％，每輛汽車(chē)降低成本14％，重量減輕22％，零部件數(shù)量減少約22件，緊固件、附件數(shù)量減少27件。通過(guò)改變纖維、機(jī)體的種類(lèi)及相對(duì)含量、纖維排列方式、鋪層結(jié)構(gòu)等可以滿(mǎn)足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的各種要求，復(fù)合材料多為整體成型，如老式福特全順汽車(chē)車(chē)頭需要19個(gè)金屬件和一個(gè)塑料件，而新式全順汽車(chē)只需要一個(gè)SMC部件就可以實(shí)現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程、減少加工時(shí)間、減少零件數(shù)量、減輕車(chē)身重量等。

相對(duì)于金屬材料沖壓成型來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料的模壓成型是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜、可預(yù)測(cè)性較差的過(guò)程，是在全封閉的環(huán)境中完成的。針對(duì)此特點(diǎn)其過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，使其過(guò)程和結(jié)果變?yōu)榭梢灶A(yù)測(cè)，從而明確其成型工藝方向，減少重復(fù)試驗(yàn)、縮短開(kāi)發(fā)周期。 123456

二、CAE技術(shù)在復(fù)雜SMC零件成型中的應(yīng)用
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是以多種科學(xué)理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的軟件為工具，通過(guò)虛擬試驗(yàn)的方法分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的一門(mén)綜合技術(shù)，它具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、靈活、可多次重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為對(duì)許多復(fù)雜系統(tǒng)（工程的、非工程的）進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、評(píng)估必不可少的手段，也就是說(shuō)，建立仿真模型并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)的一門(mén)技術(shù)。

SMC成型過(guò)程涉及到材料流變學(xué)、熱傳導(dǎo)學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和液體力學(xué)等諸多交叉學(xué)科領(lǐng)域，是一個(gè)十分復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程。這一過(guò)程可以抽象地分為三個(gè)方面：模壓流動(dòng)過(guò)程、纖維取向過(guò)程以及固化過(guò)程。對(duì)這三個(gè)過(guò)程做出準(zhǔn)確、可靠的預(yù)測(cè)分析對(duì)SMC工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義。對(duì)復(fù)雜SMC零件而言，材料的流動(dòng)對(duì)其成型起到?jīng)Q定性作用，合理的鋪層設(shè)計(jì)將有助于材料在模腔的流動(dòng)，而合理的流動(dòng)對(duì)于產(chǎn)品成型和其結(jié)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)起到關(guān)鍵的作用。

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通過(guò)引入計(jì)算機(jī)模擬這一過(guò)程將使材料的流動(dòng)方向和流動(dòng)時(shí)間可視化，從而指導(dǎo)鋪層設(shè)計(jì)，確定前期對(duì)產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)的方向，其基本的原理為：設(shè)SMC模壓流動(dòng)時(shí)為不可壓縮的流體，結(jié)合動(dòng)量、能量、質(zhì)量守恒方程，得到SMC模壓流動(dòng)的控制方程。其控制方程包括壓力分布方程、熱傳導(dǎo)方程和固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程等。對(duì)于薄殼件流動(dòng)，如果假設(shè)模具表面沒(méi)有滑移；流動(dòng)中的主應(yīng)力是剪應(yīng)力。

由于SMC在模腔中流動(dòng)過(guò)程是一個(gè)非線(xiàn)性的多場(chǎng)耦合問(wèn)題，一方面模壓料在模壓過(guò)程中變形相當(dāng)大；另一方面模壓料的粘度隨應(yīng)變速率、溫度和樹(shù)脂固化度的可變性，使得其本構(gòu)關(guān)系是非線(xiàn)性的。因此擬采用分步計(jì)算的方法，通過(guò)控制體有限元法來(lái)描述模壓料的流動(dòng)狀況，而模壓過(guò)程中的樹(shù)脂流動(dòng)問(wèn)題是一個(gè)具有運(yùn)動(dòng)邊界的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。為了解決這一問(wèn)題，我們將模壓過(guò)程作為一系列準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的瞬間解的組合。在每一時(shí)間步，當(dāng)壓力場(chǎng)確定后，速度場(chǎng)可通過(guò)動(dòng)量方程計(jì)算得到，新的流動(dòng)前鋒的位置可由流動(dòng)前鋒的速度分量和時(shí)間增量來(lái)估算。與壓力場(chǎng)的求解相類(lèi)似，溫度場(chǎng)和轉(zhuǎn)化率可根據(jù)當(dāng)前的速度場(chǎng)來(lái)確定。由計(jì)算所得的溫度和轉(zhuǎn)化率則用于更新粘度，新的粘度值重新用于計(jì)算壓力場(chǎng)，溫度場(chǎng)和轉(zhuǎn)化率計(jì)算，重復(fù)這一過(guò)程直至整個(gè)模腔充滿(mǎn)，以汽車(chē)面罩產(chǎn)品為例：

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圖1 面罩?jǐn)?shù)模


圖2 鋪料示意圖
設(shè)定SMC模壓流動(dòng)過(guò)程中壓力參數(shù)為1000MPa，溫度參數(shù)為160℃,材料為4.2Kg，模腔厚度為3.5mm,其流動(dòng)模擬圖如下：


圖3 模壓料流動(dòng)前沿模擬
觀察材料的流動(dòng)分析圖不同顏色可以看到，材料流動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間不同，其中最長(zhǎng)流動(dòng)時(shí)間為0.1s，具體流動(dòng)如下圖：


圖4 模壓料流動(dòng)區(qū)域劃分


由上表可以看出，在所有成型條件正常時(shí)，產(chǎn)品表面狀態(tài)不會(huì)出現(xiàn)較大問(wèn)題，但若壓力或者材料不穩(wěn)定，在“3”、“4”區(qū)域較容易出現(xiàn)熔接痕和針孔等缺陷。而實(shí)際生產(chǎn)中所有條件不可能完全處于理想狀態(tài)，“物、機(jī)、人”方面某個(gè)環(huán)節(jié)極有可能出現(xiàn)波動(dòng)，為了確保產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性，我們參照計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，對(duì)鋪料方式進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，做出了如下的鋪料圖，在產(chǎn)品試模時(shí)取得了較圓滿(mǎn)的結(jié)果，節(jié)省產(chǎn)品試模時(shí)間。


圖5 產(chǎn)品實(shí)際輔料圖

三、結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)模擬分析已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中去了，在玻璃鋼行業(yè)目前模擬分析主要用在零件的結(jié)構(gòu)分析，產(chǎn)品的成型模擬分析等方面，隨著模擬分析的推廣，目前出現(xiàn)了較大的分析軟件，如ANSYS、ALGOR、ASAQUS、NASRRAN等，雖然每種軟件操作不同，側(cè)重點(diǎn)也有所差異，但其目的都是一樣的，就是希望通過(guò)模擬，使過(guò)程和結(jié)果可視化，從而避免失誤，減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用，縮短開(kāi)發(fā)周期