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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-09-02 12:25
摘 要：從選材與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、成型工藝優(yōu)化和性能測試仿真方面，綜述了近幾年國內(nèi)在塑料類汽車零部件仿真模擬技術(shù)方面的研究進(jìn)展情況。其中，在成型工藝優(yōu)化方面，重點(diǎn)總結(jié)了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色關(guān)聯(lián)等算法在注射成型工藝優(yōu)化方面的應(yīng)用情況，同時(shí)也介紹了多種算法聯(lián)合仿真的研究進(jìn)展情況。最后對(duì)應(yīng)用于塑料類汽車零部件的仿真模擬技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：汽車零部件；塑料；模擬仿真；成型工藝優(yōu)化
隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的塑料材料被用于制作汽車零部件，塑料類汽車零部件具有質(zhì)輕、耐腐蝕、不生銹、比強(qiáng)度和比剛度高的特點(diǎn)，且容易加工，易于制成各種形狀的制品，不僅在汽車內(nèi)外飾件中得到廣泛的應(yīng)用，而且也越來越多地應(yīng)用于汽車各類結(jié)構(gòu)件中。塑料類汽車零部件的設(shè)計(jì)與制造流程涉及選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型和性能檢測等多個(gè)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且成本高昂，會(huì)使新產(chǎn)品的研發(fā)流程變長、研發(fā)成本高漲，不利于新產(chǎn)品在市場上的推廣。而現(xiàn)代仿真模擬技術(shù)的引入，能夠極大地改善這一狀況。通過該技術(shù)，研發(fā)人員能夠在更短的時(shí)間內(nèi)完成產(chǎn)品研發(fā)，節(jié)省大量資金，并顯著提升研發(fā)效率。近年來，國內(nèi)對(duì)塑料類汽車零部件仿真模擬技術(shù)的研究不斷深入，國內(nèi)學(xué)者和研究人員均取得了顯著的成果。筆者根據(jù)近幾年的國內(nèi)文獻(xiàn)，從選材與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、成型工藝優(yōu)化和性能測試方面，綜述了國內(nèi)近幾年塑料類汽車零部件仿真模擬技術(shù)的研究進(jìn)展情況，并對(duì)該類技術(shù)的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
1、 選材與結(jié)構(gòu)優(yōu)化
采用塑料材料代替金屬材料制造汽車零部件時(shí)，為了保證塑料類汽車零部件在具有較好減重效果的同時(shí)還能保持良好的應(yīng)用性能，需要進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過仿真模擬技術(shù)，可以減少實(shí)際結(jié)構(gòu)的修正次數(shù)、降低材料的耗費(fèi)、提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率。
對(duì)于纖維增強(qiáng)塑料(FRP)類汽車零部件，部分是通過纏繞或鋪層的方式進(jìn)行制備，而纏繞和鋪層的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)零部件的減重效果和性能有重要的影響。郭巍等[1]運(yùn)用Abaqus軟件對(duì)FRP汽車儲(chǔ)氣罐進(jìn)行仿真分析，選擇了碳纖維的纏繞層數(shù)、纏繞角度，以及玻璃纖維的纏繞層數(shù)、纏繞單層厚度4個(gè)對(duì)FRP儲(chǔ)氣罐體質(zhì)量、應(yīng)力和位移影響較為顯著的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用拉丁超立方抽樣方法獲得32組抽樣數(shù)據(jù)，建立了一種Kriging代理模型，用于將結(jié)構(gòu)參數(shù)和評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最后利用遺傳粒子群優(yōu)化算法(GAPSO)求得最優(yōu)解。最終結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化后，F(xiàn)RP儲(chǔ)氣罐的質(zhì)量減輕了14.7%，獲得了顯著的減重效果，同時(shí)還能保持良好的力學(xué)性能。
秦曉宇等[2]論證了碳纖維復(fù)合材料(CFRP)屬油底殼的可行性，利用Fibersim軟件探討了油底殼結(jié)構(gòu)4種鋪層方案(0°，90°，45°和-45°)的鋪覆可行性，發(fā)現(xiàn)在這4種方案下，采用完整纖維鋪層鋪覆的方式，均會(huì)造成不同的鋪覆缺陷，因此需要進(jìn)行裁剪處理(剪口和分塊)。根據(jù)不合格率和完整度兩項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)剪口處理方案為最佳方案。
賈慧芳等[3]利用仿真技術(shù)對(duì)車門內(nèi)飾板的靜動(dòng)態(tài)屬性(包括模態(tài)屬性、剛度屬性和強(qiáng)度屬性)進(jìn)行了分析，基于多屬性多目標(biāo)集成手段，利用第二代非劣排序遺傳算法協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)了車門內(nèi)飾板零部件的厚度，得到了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅使內(nèi)飾板的靜動(dòng)態(tài)屬性滿足了標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且使內(nèi)飾板的總質(zhì)量有效減輕了12.5%，實(shí)現(xiàn)了輕量化，最終使車門內(nèi)飾板通過了實(shí)際生產(chǎn)和路試驗(yàn)證。另外，該作者還利用仿真技術(shù)對(duì)汽車前保險(xiǎn)杠隨機(jī)振動(dòng)性能進(jìn)行了分析[4]，通過集成平臺(tái)，采用多島遺傳算法對(duì)前保險(xiǎn)杠厚度進(jìn)行了優(yōu)化迭代，將保險(xiǎn)杠的質(zhì)量減輕了9.38%，使保險(xiǎn)杠的減重效果與疲勞性能得到了最優(yōu)匹配，從而通過了整車路試驗(yàn)證。
賴春輝[5]通過拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和形貌優(yōu)化確定了復(fù)合材料汽車尾門的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、尾門各部件的厚度和尾門加強(qiáng)筋肋的布置與尺寸。優(yōu)化結(jié)果表明，與傳統(tǒng)鈑金尾門相比，復(fù)合材料汽車尾門質(zhì)量減輕了3.15 kg (不包括玻璃、焊點(diǎn)和膠黏劑)，零件數(shù)目減少了71%。
朱佳文等[6]針對(duì)某新能源車型前地板后本體件的性能、成型工藝和裝配要求，使用短切玻纖熱塑性復(fù)合材料替代原鋁合金材料，對(duì)后本體件進(jìn)行了輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。使用UG軟件建模，然后導(dǎo)入HyperWorks 中分析了后本體的典型工況。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料前地板后本體件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足性能和工藝方面的要求，與原鋁合金地板相比，復(fù)合材料地板的應(yīng)力安全系數(shù)較高，同時(shí)達(dá)到了減重10.37%的效果。
馬尚標(biāo)等[7]采用短切玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料代替原鋼質(zhì)材料用于制造蓄電池托盤，對(duì)托盤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。通過SolidWorks軟件建模，然后導(dǎo)入Hyper Works中，分析了托盤的典型工況。發(fā)現(xiàn)采用短切玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料制造的蓄電池托盤在剛度和強(qiáng)度方面滿足性能要求，應(yīng)力安全系數(shù)高于鋼質(zhì)托盤，同時(shí)相對(duì)于鋼質(zhì)材料托盤，達(dá)到了減重40.74%的效果。
王國旺[8]針對(duì)電動(dòng)汽車電池包箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。首先對(duì)原金屬電池包進(jìn)行有限元建模，提取了5種靜力學(xué)工況和約束模態(tài)工況下金屬電池包性能參數(shù)值，以此作為復(fù)合材料電池包優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束；然后將片材模塑料(SMC)復(fù)合材料應(yīng)用到電池包箱體上蓋板，將CFRP 應(yīng)用到下箱體，采用Altair OptiStruct&HyperStudy 軟件集對(duì)復(fù)合材料上蓋板和下箱體進(jìn)行了多步結(jié)構(gòu)優(yōu)化；最后，對(duì)優(yōu)化后的復(fù)合材料電池包進(jìn)行了多工況性能分析(包含隨機(jī)振動(dòng)、機(jī)械沖擊、擠壓、底部球擊和跌落等)，從而驗(yàn)證了復(fù)合材料電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的可靠性。
牟云涵等[9]利用有限元軟件Abaqus 研究了椰殼纖維增強(qiáng)聚丙烯(PP)復(fù)合材料應(yīng)用于汽車內(nèi)飾的可行性。結(jié)果表明，椰殼纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，可用于制造汽車安全氣囊蓋板。
2、成型工藝優(yōu)化
在塑料類汽車零部件眾多成型工藝中，注射成型是最主要的成型工藝，注射成型的工藝參數(shù)較多，不同的工藝參數(shù)設(shè)置對(duì)汽車零部件的最終形態(tài)、尺寸精度、性能等有不同的影響，因此需要針對(duì)每個(gè)汽車零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行工藝調(diào)試和優(yōu)化。傳統(tǒng)的上機(jī)調(diào)試耗時(shí)長、成本高，而采用仿真模擬技術(shù)可以大幅縮短工藝調(diào)試的時(shí)間，避免材料和能源的浪費(fèi)。其中，模流分析是最常用的注射成型工藝參數(shù)優(yōu)化模擬技術(shù)，其一般與正交試驗(yàn)相結(jié)合，通過極差或方差分析得出不同工藝對(duì)最終成型零部件質(zhì)量(翹曲量、體積收縮率等)的影響程度，并獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)。這類技術(shù)可用于多種塑料汽車零部件，如汽車前端框架[10]、汽車內(nèi)飾面板[11]、汽車前大燈配光鏡[12]、汽車座椅調(diào)角器[13]、汽車電控單元保護(hù)殼[14]等。常用的模流分析軟件為Moldflow 或Moldex3D 軟件。除極差或方差分析外，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色關(guān)聯(lián)、粒子群算法、響應(yīng)面等也常結(jié)合模流分析用于注射成型工藝優(yōu)化中，且優(yōu)化結(jié)果優(yōu)于極差或方差分析。
2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
為了解決汽車斗框塑件注射成型時(shí)產(chǎn)生的翹曲變形量高和收縮率大的問題，方群霞等[15]通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測優(yōu)化了塑件的多個(gè)注射成型工藝參數(shù)。使用粒子群算法(PSO)改進(jìn)了所采用的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由此構(gòu)建了一種可以將注塑工藝參數(shù)與翹曲變形量和體積收縮率關(guān)聯(lián)起來的預(yù)測模型。結(jié)果表明，通過預(yù)測模型，能將塑件的翹曲變形量和體積收縮率分別降低至0.95 mm以下和4%以下。
馬旭東等[16]針對(duì)車用飾件的注塑工藝參數(shù)優(yōu)化，將正交試驗(yàn)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)合，并結(jié)合翹曲、收縮和殘余應(yīng)力3 個(gè)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行了綜合分析，獲得了綜合評(píng)分的最小值，為0.063。隨后在正交試驗(yàn)樣本的基礎(chǔ)上，建立了6-10-3的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后利用遺傳算法進(jìn)行尋優(yōu)，將綜合評(píng)分的最小值為尋優(yōu)目標(biāo)，優(yōu)化得到了最佳的注塑工藝參數(shù)，通過CAE 的驗(yàn)證。獲得的綜合評(píng)分值為0.031，相比正交試驗(yàn)優(yōu)化值，提升了50.8%。
陶詩豪等[17]以某汽車儀表板大型注塑件產(chǎn)品為研究對(duì)象，將翹曲變形量和體積收縮率作為優(yōu)化指標(biāo)，對(duì)注塑工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在Moldflow 軟件模擬仿真的基礎(chǔ)上，利用Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法采集數(shù)據(jù)，通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和非支配排序遺傳算法獲得了最佳的工藝參數(shù)組合。在最佳工藝參數(shù)組合下，體積收縮率與翹曲變形量分別降低了8.58%和8.83%，從而汽車儀表板的成型質(zhì)量得到有效提高。
陳毅超等[18]通過有限元仿真對(duì)某品牌汽車B 柱外飾板進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)的合理性，以翹曲變形量為指標(biāo)，運(yùn)用Moldflow 軟件和正交試驗(yàn)法優(yōu)化了外飾板的注塑工藝參數(shù)，然后利用Matlab平臺(tái)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過遺傳算法進(jìn)行全局尋優(yōu)，在最優(yōu)工藝參數(shù)組合下得到輕量化設(shè)計(jì)前后兩模型的最大翹曲變形量和制件質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)采用的輕量化設(shè)計(jì)可使制件減重達(dá)9.71%、翹曲變形量減小8.37%，較好地實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
2.2 灰色關(guān)聯(lián)
覃嶺等[19]以大型薄壁塑件汽車后保險(xiǎn)杠為研究對(duì)象，通過Moldflow分析和田口實(shí)驗(yàn)法對(duì)保險(xiǎn)杠注塑工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法將多目標(biāo)的優(yōu)化轉(zhuǎn)為單目標(biāo)優(yōu)化，從而得到了最佳工藝參數(shù)組合。
張建鵬等[20]以線束連接器上蓋的體積收縮率、翹曲變形量和導(dǎo)軌偏移量為指標(biāo)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析將這3個(gè)指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為關(guān)聯(lián)度均值的單目標(biāo)優(yōu)化。通過響應(yīng)面試驗(yàn)構(gòu)建了工藝參數(shù)和關(guān)聯(lián)度均值間的優(yōu)化模型，研究各成型工藝參數(shù)的不同水平對(duì)關(guān)聯(lián)度均值的影響，進(jìn)而最大限度優(yōu)化了工藝參數(shù)，并以此優(yōu)化模型為基礎(chǔ)實(shí)行了逆向變形補(bǔ)償，進(jìn)一步降低了塑件的變形。
陳拓等[21]以汽車雙色開關(guān)面板為優(yōu)化對(duì)象，以體積收縮率作為面板外殼的單目標(biāo)、體積收縮率和整體翹曲變形量作為面板內(nèi)殼的多目標(biāo)，進(jìn)行了工藝優(yōu)化。然后結(jié)合主成分分析、灰色關(guān)聯(lián)度和優(yōu)劣解距離法確定了灰色相對(duì)貼近度，進(jìn)而得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合和各因素的影響程度，達(dá)到了優(yōu)化目的。
周紀(jì)委等[22-23]針對(duì)塑件在成型過程中出現(xiàn)的翹曲變形和體積收縮問題，利用Moldex3D軟件進(jìn)行模流分析，并通過灰色關(guān)聯(lián)度分析將翹曲變形量和體積收縮率轉(zhuǎn)化為灰色關(guān)聯(lián)度值，從而將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單一目標(biāo)(灰色關(guān)聯(lián)度值)優(yōu)化，進(jìn)而使翹曲變形量和體積收縮率都獲得了較好的優(yōu)化效果。
方明月等[24]針對(duì)汽車儀表內(nèi)飾件，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和灰色關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行優(yōu)化，以解決注塑過程中出現(xiàn)的翹曲和體積收縮問題。通過灰色關(guān)聯(lián)分析，可將內(nèi)飾件的多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化問題，最終得到了最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，可使翹曲量和體積收縮率同時(shí)最小。相對(duì)于極差分析，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方案可以獲得更優(yōu)的優(yōu)化效果，翹曲量和體積收縮率相比默認(rèn)工藝參數(shù)分別降低了46.44%和23.71%。
代元祥等[25]以灰色系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)PA66氣門室蓋注塑工藝正交優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，發(fā)現(xiàn)纖維含量和熔體溫度是影響翹曲變形量最大的兩個(gè)因子。使用Design-expert軟件，以纖維含量和熔體溫度作為輸入，翹曲變形量作為輸出，進(jìn)行響應(yīng)面法尋優(yōu)，最終顯著提升了氣門室蓋的注塑質(zhì)量。
2.3 聯(lián)合仿真
將多種仿真模擬技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合，可以充分發(fā)揮各技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，以獲得更為精確的優(yōu)化效果。為了改善進(jìn)氣歧管的翹曲變形，提高歧管的進(jìn)氣性能，歐陽宇等[26]利用Box-Benhnken設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面試驗(yàn)，通過構(gòu)建隨機(jī)森林回歸模型，對(duì)PA6/GF30 進(jìn)氣歧管注射成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并利用Moldflow 和Ansys 聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)歧管的進(jìn)氣性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，歧管翹曲變形量下降了27%，進(jìn)氣流量偏差率由原來的-3.944 153 2%～3.554 111%下降至-2.545 082 2%～1.697 694 7%，進(jìn)氣不均勻度由原來的7.498 3%下降至4.242 8%，大大提高了歧管的進(jìn)氣性能。
于保君等[27]以汽車保險(xiǎn)杠面罩為分析對(duì)象，通過DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)模流仿真工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并用于指導(dǎo)試模，將實(shí)際試模結(jié)果與模流仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)模流一結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真。結(jié)果表明，模流一結(jié)構(gòu)聯(lián)合仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果高度吻合，聯(lián)合仿真精度可以達(dá)到86%以上。
為提高注塑產(chǎn)品質(zhì)量，彭培銘等[28]以汽車制動(dòng)插件為例，利用響應(yīng)面法—中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)(CCD)，并結(jié)合注塑CAE 技術(shù)分析模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)制品翹曲變形量的影響，采用標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法和CAE技術(shù)對(duì)上述4個(gè)注塑工藝參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化的參數(shù)組合進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用響應(yīng)面法并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法優(yōu)化的工藝參數(shù)可有效降低插件翹曲變形量，提高注塑產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期。
鄭守銀等[29]基于保險(xiǎn)杠在注射成型過程中存在的體積收縮問題，將正交試驗(yàn)法、Stacking 算法和PSO 優(yōu)化算法相結(jié)合，通過構(gòu)建RSK-ELM 集成模型，對(duì)注射成型過程中溫度、壓力、時(shí)間等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。利用Moldflow軟件對(duì)優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合進(jìn)行仿真分析，表明集成模型具有更高的預(yù)測精度。在優(yōu)化的工藝參數(shù)組合下，保險(xiǎn)杠頂出時(shí)的體積收縮率平均值與正交試驗(yàn)結(jié)果的最小值相比，降低了3.94%，改善了注塑件的收縮變形，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
馬鏡涵等[30]針對(duì)ABS 汽車車門內(nèi)飾柱在注塑過程中的翹曲變形問題，在響應(yīng)面模型基礎(chǔ)上結(jié)合人工魚群算法，對(duì)4個(gè)影響翹曲變形量最大的工藝參數(shù)——熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間進(jìn)行分析，獲得最優(yōu)工藝參數(shù)組合，并利用Moldflow軟件驗(yàn)證了優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合。結(jié)果表明，在最優(yōu)的工藝參數(shù)組合下，內(nèi)飾柱翹曲變形量降低了14.2%，并且人工魚群算法得到的優(yōu)化結(jié)果與Moldflow仿真結(jié)果基本一致，表明在汽車內(nèi)飾柱注塑工藝優(yōu)化過程中，人工魚群算法具有較好的效果。
為減少汽車內(nèi)飾件注塑時(shí)產(chǎn)生的成型質(zhì)量缺陷，張慶等[31]以塑件Z 向翹曲變形量、體積收縮率、縮痕指數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，將拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)與模流分析相結(jié)合，建立灰色關(guān)聯(lián)度與保壓壓力、熔體溫度等工藝參數(shù)之間的Kriging 代理模型，通過自適應(yīng)粒子群算法(APSO)，在Kriging代理模型內(nèi)優(yōu)化各個(gè)工藝參數(shù)。結(jié)果表明，Kriging 代理模型的預(yù)測值與實(shí)際結(jié)果基本一致，在優(yōu)化的最佳工藝參數(shù)組合下，Z向翹曲變形量、體積收縮率、縮痕指數(shù)分別降低了1.21%，30.11%和68.53%，顯著提高了塑件的成型質(zhì)量。
針對(duì)汽車碳罐蓋板注塑時(shí)易產(chǎn)生嚴(yán)重翹曲變形的問題，黃佳佳等[32]采用預(yù)變形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，即在對(duì)碳罐蓋板零件實(shí)物進(jìn)行掃描測量的基礎(chǔ)上，結(jié)合Moldflow 及Hypermesh仿真分析，綜合考慮碳罐蓋板實(shí)際預(yù)變形量與仿真分析變形量之間的差異、產(chǎn)品預(yù)變形設(shè)計(jì)對(duì)蓋板結(jié)構(gòu)剛度的影響等因素，成功構(gòu)建了準(zhǔn)確的預(yù)變形模型，解決了碳罐蓋板注塑時(shí)產(chǎn)生的翹曲變形問題。
2.4 其他算法
為了解決汽車進(jìn)氣歧管的翹曲變形問題，提高進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣性能，歐陽宇等[33]提出了一種隨機(jī)森林智能優(yōu)化算法，用于優(yōu)化進(jìn)氣歧管注塑工藝。該方法將歧管的翹曲變形量作為優(yōu)化目標(biāo)，以正交試驗(yàn)和噪音試驗(yàn)的樣本作為隨機(jī)森林回歸模型的原始數(shù)據(jù)，利用Bootstrap 采樣和回歸決策樹進(jìn)行訓(xùn)練，并將訓(xùn)練結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。訓(xùn)練結(jié)果表明，與實(shí)際參考值相比，預(yù)測的翹曲變形量降低了13.6%，說明利用隨機(jī)森林優(yōu)化算法對(duì)進(jìn)氣歧管注塑工藝進(jìn)行優(yōu)化的精度較高，效果顯著。
為解決汽車輪眉的裝配精度問題，趙煥平等[34]利用模流技術(shù)對(duì)輪眉翹曲變形的原因進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果，采用響應(yīng)面法建立翹曲變形量二階回歸模型，對(duì)模具溫度、熔料溫度、充填時(shí)間和保壓壓力等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，以確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合。模擬結(jié)果顯示，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的最大翹曲變形量降低了18.75%，并且證明對(duì)翹曲變形量影響最大的是充填時(shí)間，熔料溫度和模具溫度次之，保壓壓力對(duì)翹曲變形量的影響最小。由此可見，響應(yīng)面模型作為優(yōu)化方法對(duì)汽車輪眉翹曲變形量的預(yù)測準(zhǔn)確度高，能顯著提高輪眉的成型質(zhì)量。
鐘厲等[35]以碳纖維復(fù)合材料汽車保險(xiǎn)杠為研究對(duì)象，選擇模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間和碳纖維含量為變量參數(shù)，利用Taguchi實(shí)驗(yàn)法得到初步優(yōu)化結(jié)果，再結(jié)合響應(yīng)面模型、NSGA-Ⅱ遺傳算法、Moldflow仿真軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合。結(jié)果表明，優(yōu)化后的翹曲變形量、縮痕量分別減少了4.477 mm和0.011 mm，頂出時(shí)的體積收縮率降低了0.7%，優(yōu)化效果顯著，制品質(zhì)量得到極大改善。該試驗(yàn)結(jié)果對(duì)注射成型工藝參數(shù)與纖維含量的綜合選擇及優(yōu)化具有重要意義。
為了提高轎車前保險(xiǎn)杠塑料外板的合格率，吳俊超等[36]利用模流分析軟件Moldflow2023，采用熵值法建立綜合優(yōu)化目標(biāo)，借助閥澆口功能、DOE功能、田口方法，并結(jié)合數(shù)據(jù)分析軟件Minitab 進(jìn)行響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，對(duì)熔體溫度、充填時(shí)間、保壓時(shí)間、保壓壓力、冷卻介質(zhì)入口溫度、模具表面溫度等有交互作用的注塑工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在不改變模具結(jié)構(gòu)的情況下，使產(chǎn)品合格率由65.35%提高到85.87%。
2.5 CRTM工藝優(yōu)化
除了注射成型工藝外，樹脂傳遞模塑成型(RTM)工藝和壓縮樹脂傳遞模塑成型(CRTM)工藝也可用于塑料汽車零部件的成型，使用的塑料材料大多為纖維增強(qiáng)塑料材料，一般采用PAM-RTM 軟件進(jìn)行優(yōu)化。高猛等[37]以復(fù)合材料電池箱上蓋板為研究對(duì)象，利用RTM 工藝和CRTM 工藝進(jìn)行成型，采用PAM-RTM 軟件分別對(duì)這兩種工藝進(jìn)行了仿真模擬，對(duì)比了RTM 與CRTM 工藝在恒壓注膠和恒流量注膠條件下充模時(shí)間的變化及壓力分布特點(diǎn)，研究了利用這兩種工藝成型不同纖維含量的制品時(shí)對(duì)應(yīng)填充時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)采用恒壓注膠時(shí)，選取不同的注膠壓力，發(fā)現(xiàn)CRTM 工藝的充模時(shí)間與注膠壓力成正比關(guān)系，壓力越低，時(shí)間越短；采用恒流量注膠時(shí)，兩種工藝下的充模時(shí)間相近，而CRTM 工藝的充模壓力相比RTM 工藝明顯降低。利用CRTM工藝成型不同纖維含量的制品時(shí)，對(duì)應(yīng)的充模時(shí)間變化很小，而利用RTM 工藝成型時(shí)，纖維含量增加，充模時(shí)間也隨之顯著增加。
栗彬琦等[38]以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板為研究對(duì)象，利用PAM-RTM軟件對(duì)外板的CRTM工藝成型進(jìn)行了仿真分析，對(duì)比了CRTM 工藝與傳統(tǒng)RTM 工藝的成型效果。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樹脂注射壓力較低時(shí)，與RTM 工藝相比，CRTM 工藝的充模時(shí)間縮短了69%～84%，生產(chǎn)效率得到顯著提高。
3、性能測試仿真
除了結(jié)構(gòu)和成型工藝外，塑料類汽車零部件在不同應(yīng)用環(huán)境下的性能狀態(tài)也非常重要，通過仿真模擬技術(shù)，可以快速對(duì)零部件的性能進(jìn)行測試，判斷零部件的失效狀態(tài)，預(yù)測材料的加工特性。
趙豐等[39]以碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料汽車儲(chǔ)氣罐低速?zèng)_擊過程為研究對(duì)象，建立了有限元仿真分析模型，分別從宏觀層面和微觀層面分析了儲(chǔ)氣罐受沖擊后的損傷機(jī)制、作用機(jī)理以及影響因素。結(jié)果表明，在沖擊點(diǎn)附近，當(dāng)復(fù)合材料的損傷集中于該點(diǎn)時(shí)，受沖擊一側(cè)的損傷面積比背離沖擊一側(cè)的損小，且損傷形貌分布不規(guī)則；當(dāng)碳纖維以[90°/90°/90°/90°/90°]的方式進(jìn)行環(huán)向纏繞時(shí)或當(dāng)碳纖維含量為55%時(shí)，儲(chǔ)氣罐具有較好的抗沖擊性能；隨著復(fù)合材料中界面的厚度增加，樹脂對(duì)纖維的保護(hù)作用得到增強(qiáng)，復(fù)合材料的承載能力得到提高。
為了研究碳纖維復(fù)合材料層合板的失效機(jī)理，王晗[40]采用有限元軟件Abaqus對(duì)3種不同鋪層方式的層合板(單向試樣、各向同性試樣、有取向試樣)進(jìn)行了建模仿真，以Hashin失效準(zhǔn)則作為損傷判定依據(jù)，模擬試樣在拉伸和壓縮載荷下的失效破壞模式。結(jié)果表明，試樣的拉伸和壓縮模擬應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果高度一致，可以準(zhǔn)確地預(yù)測試樣的斷裂位置。該方法為分析車輛用復(fù)合材料零部件受到不同載荷時(shí)的失效方式提供了一種有效手段。
劉國平等[41]利用ANSYS有限元軟件對(duì)汽車用碳纖維復(fù)合材料的磨削溫度特性進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)冷卻液、網(wǎng)格形式、熱源分布模型等影響磨削溫度場的因素進(jìn)行了討論，同時(shí)用熱電偶方法測量磨削溫度，并將測量結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，熱電偶測量結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，說明用有限元仿真技術(shù)來模擬碳纖維復(fù)合材料的磨削過程，可以達(dá)到預(yù)測效果，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。
4、結(jié)語
當(dāng)前，在塑料類汽車零部件的仿真模擬技術(shù)中，許多研究的焦點(diǎn)集中在零部件的注射成型工藝上。在這些研究中，Moldflow 等模流分析軟件占據(jù)了主導(dǎo)地位，它們與正交試驗(yàn)、極差分析或方差分析等方法相結(jié)合，用于注射成型工藝優(yōu)化。除成型工藝外，汽車零部件的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣具有舉足輕重的地位。因此，研究者們應(yīng)積極探索更多的仿真模擬技術(shù)，在材料的選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化上加以應(yīng)用，從而為塑料類汽車零部件的研發(fā)提供更為全面和有力的支持。而對(duì)于成型工藝的優(yōu)化，可以進(jìn)一步開發(fā)多種算法，并根據(jù)這些算法的特性進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用，以期達(dá)到更為精確和卓越的優(yōu)化效果。此外，仿真模擬技術(shù)可以在其他成型工藝(如擠出成型、吹塑成型等)上發(fā)揮更多的作用，從而為更多種類的成型工藝提供高效、快速的優(yōu)化途徑。展望未來，隨著仿真模擬技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其在塑料類汽車零部件的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更加重要的作用，而這些技術(shù)的進(jìn)步將推動(dòng)整個(gè)汽車行業(yè)向著更高效、更環(huán)保、更可持續(xù)的方向發(fā)展。
來源：《工程塑料應(yīng)用》作者：高健峰(上海亞大汽車塑料制品有限公司，上海 201708)
來源：Internet
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