基于Moldex3D对汽车天窗壳数值模拟分析.pdf

第 61 卷 第 11 期Vol.61 No.112023 年 11 月November 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.11.022基于 Moldex3D 对汽车天窗壳数值模拟分析吕兴利，刘淑梅，慕江瀚（201620 上海市 上海工程技术大学 材料工程学院）摘要 针对汽车天窗壳在生产过程中易出现包封、缝合线和翘曲变形等问题，首先通过数值模拟软件 Moldex3D对天窗壳进行浇注系统、冷却系统设计；其次对零件的充填缺陷、收缩变形和翘曲变形进行模拟分析，得到零件缺陷产生的原因是充填和保压时间不足、零件壁厚不均匀。通过修改零件成形工艺参数充填时间、保压时间和最大射压压力，实现了产品优化。优化方法适用于各类薄壁塑件，一定程度上减少了试错成本，缩短产品的生产周期。关键词 翘曲变形；收缩变形；充填缺陷；Moldex3D；汽车天窗壳 中图分类号 U463.85 文献标志码 B 文章编号 1673-3142(2023)11-0111-05引用格式：吕兴利，刘淑梅，慕江瀚.基于 Moldex3D 对汽车天窗壳数值模拟分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(11):111-115.Numerical simulation and analysis of automobile sunroof shell based on Moldex3DL Xingli,LIU Shumei,MU Jianghan(School of Materials Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)Abstract In the actual production process,the automobile skylight shell is prone to problems of encapsulating,suture and warping deformation.Through the numerical simulation software Moldex3D,the cooling system of the pouring system was designed,and then the filling defect,shrinkage deformation and warping deformation of the parts were analyzed.It was concluded that the causes of the part defects were insufficient filling time,insufficient pressure retention time and uneven part wall thickness.The product was optimized by modifying the filling time,pressure retention time and maximum ejection pressure of the parts.This optimization method is suitable for all kinds of thin-wall plastic parts,to partly reduce the trial and error cost of enterprises,and to shorten the production cycle of products.Key words warping deformation;contraction deformation;filling defect;Moldex3D;automobile skylight shell0 引言2021 年我国汽车销量 2 627 万辆，同比增长3.8。汽车行业的蓬勃发展使得人们对汽车零部件的品质有了更高要求，尤其是对复杂薄壁类零部件1。汽车天窗壳作为复杂薄壁类零部件，承担了抽风换气、降温节能和降噪除雾的功能。薄壁件的注射成型容易产生充填不足、翘曲等缺陷，CAE模流仿真技术的出现，有效地改善了注塑件质量差、试错成本高的问题，是当前企业生产不或缺的一部分2。吕洋娜等3通过仿真软件 Moldex3D，从优化成型工艺参数的角度对竖笛的翘曲变形进行了优化，为实际生产提供了理论借鉴。本文以汽车天窗壳为例，采用 Moldex3D 设计了合理的浇注系统和冷却系统，通过软件预测注射成型过程中出现的充填缺陷、收缩变形和翘曲变形问题，改变相应工艺参数实现零件的成型优化。1 零件分析汽车天窗壳所用材料为聚酰胺 66（PA66），长 440.54 mm，宽 325.62 mm，高 4.21 mm，体积为282.29 cm3，模型如图 1 所示。由于 PA66 的高分子聚合物特性，零件的体积收缩和充填过程中的缺陷是注射成型必须考虑的因素，若能通过改变参数、减少零件的体积收缩率并降低充填过程的缺陷，将会大大提高产品的使用性能。汽车天窗壳零件为对称结构，借助于Moldex3D 软件，在零件模型 2 个对称轴所在的面收稿日期：2022-11-03图 1 汽车天窗壳模型Fig.1 Car skylight shell model112农业装备与车辆工程 2023 年上做剖面，天窗壳壁厚在 0.44.0 mm 之间。零件壁厚比略大，易发生突变并造成翘曲，影响天窗壳和天窗装配。若通过改变工艺参数，使翘曲发生在合理范围，将提高产品的良率，增加企业效益。2 成型方案设计2.1 浇注系统在 SolidWorks 中建立汽车天窗壳模型，将其导入数值分析软件 Moldex3D 的 Solid 模式下对零件进行基本的网格划分，再进行模拟分析。考虑到天窗壳的尺寸偏大，不宜采用一模多腔的模具结构，故采用一模一腔形式。天窗壳需要与天窗玻璃配合，浇口的选择不适合放在外表面，需将浇口放置在内表面，最终选用浇口形式为牛角浇口。在Moldex3D 中通过 2 种流道系统的对比，在原来 2个主流道的基础上增加了 1 个主流道，使得流动长度缩短，更利于充填，如图 2 所示。在原来牛角浇口的基础上增加含顶针的潜伏式浇口，增加流动速率，利于充填。牛角浇口如图3（a）所示，含顶针的潜伏式浇口如图 3（b）所示。牛角浇口共 5 个，浇口面积为 3.125 mm2，处于零件对前后两端；含顶针的潜伏式浇口共 4 个，浇口面积为 0.882 mm2，对称分布于零件的左右两侧。2.2 冷却系统冷却系统的介质为水，冷却系统总配置如图 4所示。上模设置 4 个冷却水路，下模设置 5 个冷却水路，管道直径均为 8 mm。2.3 材料选择和成型参数PA66 是尼龙家族中的一种热塑性半结晶聚合物，由于其良好的韧性、耐化学性、耐磨性、加工性能及成本相对较低等特性而被用作重要的工程塑料和工业纤维。尤其是当前新能源汽车以提高能源利用效率为目标，PA66 常被用于汽车零部件以减轻汽车质量4。本文的汽车天窗壳选用 PA66，材料厂商为 DTR，材料型号为 DTRamid-GF30%-HSLR，PA66 的熔胶温度加工范围为 270290 。黏度是流体流动阻力的度量，黏度越高，流动阻力越大，流动越困难。对一般热塑性塑料，黏度是塑料成分、温度、压力及剪切率的函数。就剪切率的效应而言，剪切率越高，代表加工变形速率越大。由于高分子链被排向的结果，使大部分的塑料具有黏度随剪切率升高而下降的切变致稀性。PA66 的黏度如图 5 所示，剪切速率一定的情况下，温度升高黏度降低，但温度对黏度的影响不大，而在恒定温度下，材料的黏度随剪切速率增大而降低，呈假塑性流体5。在完整的注塑周期中，一般要经历熔胶、充填、补缩、保压、冷却和顶出阶段。成型参数的设置如表 1 所示。（a）（b）图 3 浇口图Fig.3 Water mouth（a）牛角浇口 （b）含顶针的潜伏式浇口图 4 冷却系统Fig.4 Coolant system50 mm50 mm （a）（b）图 2 流道系统对比图Fig.2 Comparison diagram of flow channel system（a）2 个主流道 （b）3 个主流道图 5 PA66 黏度图Fig.5 PA66 viscosity plot101 102 103 104 105剪切率/s-1104 103 102 101 黏度/(g/(cms)PA66 DTRamid_GF30%_HSLR DTR270 280 290 113第 61 卷第 11 期表 1 初始成型参数Tab.1 Initial forming parameters参数值参数值成型周期/s31.3顶出温度/160开模时间/s5充填时间/s1.96冷却时间/s15.3最大射压压力/MPa155塑料温度/280保压时间/s8.23模具温度/70最大保压压力/MPa1553 数值模拟结果分析3.1 充填缺陷分析充填过程中要求各充填末端应尽可能同时充满熔体6。充填过程如图 6 所示，图 6（a）表示当流动波前为 25时，5 个牛角浇口基本同时开始进胶，而 4 个潜伏式浇口还没有进胶。牛角浇口的进胶能力优于潜伏式浇口；图 6（b）显示当流动波前为 50时，在 5 个牛角浇口之间可能出现 3 条熔接痕，这是因为进料流动末端处于熔体温度的低处，若末端冷却过快，填料不足，易在成形零件上产生熔接痕，影响零件的美观和正常使用；图6（c）表示当流动波前为 75时，侧边的熔胶即将交汇。由于侧边为薄壁件且流动时间过长，也可能形成熔接痕；图 6（d）表示当流动波前为 99时，左侧的薄壁上还有一个小缺口未完全充填，成型后该部分的强度可能略差于其它部分。进一步分析充填结果，可能产生的缝合线和包封分别如图 7 和图 8 所示。缝合线的温度分布在 278294，最大值处于零件后侧中间位置，为293.43，可能出现烧焦的情况。包封极易产生气泡，由于大部分的包封处于边界上，模具的分型面本身具有一定的排气功能，故只需要关注图 8 中椭圆标示的位置。3.2 收缩变形分析注射成型一般受收缩变形影响较大，表现为凹痕和体积收缩等。一般凹痕产生在较厚区域，冷却阶段与模壁接触的熔体率先冷却硬化，而内部熔体刚开始冷却，因表面冷却熔体收缩而造成凹痕。可通过 Moldex3D 中的凹痕指标和凹痕位移分析凹痕的影响。凹痕指标也是个衡量保压效果的指标,吕兴利 等：基于 Moldex3D 对汽车天窗壳数值模拟分析（a）（b）0.6220.4980.3730.2490.1240.000最大值最小值2.489sec40 mm组别 7充填-流动波前时间时间-0.622 sec组别 7充填-流动波前时间时间-1.244 sec40 mm最小值最大值1.2441.8790.9130.7470.5810.4150.2490.0030.0002.489sec组别 7充填-流动波前时间时间-1.991 sec40 mm最小值最大值2.4891.9911.8581.7761.5831.3271.1960.9290.7960.6640.3500.2650.1330.000（c）（d）图 6 流动波前对比Fig.6 Flow wavefront contrast（a）流动波前 25 （b）流动波前 50 （c）流动波前 75 （d）流动波前 99sec组别 7充填-流动波前时间时间-2.464 sec40 mm最大值最小值2.4642.3002.1361.9711.8821.6431.4781.3141.1500.9860.8210.6520.4530.3290.1640.000sec图 7 缝合线Fig.7 Suture line图 8 包封Fig.8 Encapsulation114农业装备与车辆工程 2023 年其值为正，代表保压效果不足，可能产生凹痕；其值为负，代表过保压,要尽量使其值接近于 0。图9 所示凹痕指标在 00.063 之间，零件前端较厚的壁凹痕指标较大。凹痕位移的值较高代表凹痕缺陷较为严重，如图 10 所示，凹痕位移在 00.050 mm 之间，大部分分布于00.008 mm之间，产生的影响几乎可忽略。浇口至流动末端的距离越近，流长比越小，保压阶段浇口至产生凹痕处的压力损失也更小，减小了凹痕带来的影响。零件的体积收缩率指从高温高压状态冷却至常温常压的体积变化百分比，正值代表体积收缩，负值代表可能由于过度保压造成的体积膨胀，如图 11 所示。汽车天窗壳的体积收缩率在2.267%3.789%之间，数值略大。可通过延长保压时间来降低体积收缩率。3.3 翘曲变形分析注射成型受成型条件、模具冷却、零件外形设计和进料特性等因素影响，导致成型零件不均匀收缩出现翘曲。当成型零件是配合件，且当变形量超过公差时，成型零件将无法正常组装，因此必须控制成型零件所允许的翘曲量值。汽车天窗壳的装配区域大，必须考虑零件前后和两侧的壁翘曲情况。分析温度差异效应位移和区域收缩差异效应位移，判断天窗壳产生的翘曲变形，放大 20 倍后分别如图 11 和图 12 所示。温度差异效应位移由厚度方向上的体积收缩率差异计算得到，其范围集中在0.0040.18 mm 之间，不是产生翘曲变形的主要原因。区域收缩效应位移由厚度方向上的平均体积收缩率在平面上的分布计算，范围集中在 1.32.6 mm之间，并且与材料的 PVT 分布相关，是产生翘曲变形的主要原因。图 14 是放大 20 倍后综合成型过程所有效应形成的总位移，数值在 0.3972.027 mm之间，零件前后两端翘曲较为严重，左右两侧中间位置向上凸起。组别 7翘曲-总温度差异效应位移缩放比(X,Y,Z)=20.00030 mm最小值最大值mm0.2260.2110.1960.1810.1660.1510.1360.1210.1060.0910.0680.0510.0460.0310.0160.001图 12 温度差异效应位移Fig.12 Temperature difference effect shift组别 7保压-体积収缩率时间=11.015 sec(EOP)5.0064.8034.6014.3904.1953.9923.7893.5863.3833.1802.9772.7742.5722.3692.1661.963最大值最小值30 mm%最小值1.963%最大值5.006%保压 _ 体积收缩率/%0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1005.0064.7024.3984.0933.7893.4853.1802.8762.5722.267 1.9630.010.010.010.0713.6316.615.6130.3733.480.19Min=1.963;Max=5.006;Avg=2.855;SD=0.433图 11 体积收缩率Fig.11 Cubical contraction 图 10 凹痕位移Fig.10 Displacement of indentation组别 7保压-凹痕位移时间=11.015 sec(EOP)30 mm最大值最小值0.0500.0470.0440.0400.0370.0340.0300.0270.0240.0200.0170.0130.0100.0070.0030.000mm最大值0.050 mm最小值0.000 mm图 9 凹痕指标 Fig.9 Indicated indices组别 7保压-凹痕指标时间=11.015 sec(EOP)最大值最小值30 mm0.0630.0580.0540.0500.0460.0420.0380.0330.0290.0250.0210.0170.0130.0080.0040.000最小值0.000最大值 0.063115第 61 卷第 11 期3.4 数值模拟小结与优化通过对汽车天窗壳注射成型过程中充填缺陷、收缩变形和翘曲变形进行仿真分析，得出影响产品充填缺陷的关键因素是充填时间和最大射压压力不足，影响产品收缩变形的关键因素是保压时间不足，影响产品翘曲变形的关键因素是壁厚不均匀。在试模后，修改的成型参数如表 2 所示。表 2 优化后成型参数Tab.2 Optimized molding parameters充填时间/s最大射压压力/MPa保压时间/s21609修模后模拟结果对比：修模前包封数量多，修模后包封数量明显减少，如图 15 所示。修模前存在短射现象、充填不完全，修模后流动波前充填状况良好，如图 16 所示。4 结论（1）充填缺陷中的充填不完整可适当延长充填时间，充填缺陷中的熔接痕可通过增大最大射压压力，增加充填的流动速率，从而使末端冷却速度变慢，减少熔接痕的影响；（2）由注射过程中保压时间不足产生的收缩变形，可通过延长保压时间降低体积收缩率和减少凹痕；（3）由壁厚不均匀造成的翘曲变形，将零件的最薄处的 0.4 mm 调整为 0.8 mm。参考文献1 潘俊宇,匡唐清,赖德炜,等.模流分析在电饭煲底座模具设计与工艺优化中的应用 J.塑料科技,2017,45(10):9095.2 王秀梅,翟豪瑞,等.基于 CAE 技术的翘曲分析及反变形补偿设计 J.工程塑料应用,2018,46(5):7780.3 吕洋娜,贾东普,黄小玉.基于模内贴标工艺成型竖笛的优化设计 J.塑料科技,2021,49(05):87-89.4 王学军,陈茜茹,齐辉,等.尼龙 66/石墨烯纳米复合材料的研究进展 J.塑料工业,2021,49(8):15.5 陈超,廖秋慧,李大杰,等.基于 Moldex3D 对注射成型厚壁金属零件进行缺陷预测及分析 J.模具工业,2021,47(5):1320.6 肖国华,程方启,卢星星,等.基于注射工艺参数的空调支架成型 CAE 优化分析 J.模具工业,2015,41(03):1-6.作者简介 吕兴利（1994-），女，硕士研究生，研究方向：有限元仿真。E-mail： 组别 7翘曲-总区域收缩差异效应位移缩放比(X,Y,Z)=20.0002.7812.6652.5502.4342.3182.2032.0871.9711.8561.7401.6241.5091.3931.2771.1620.000最大值最小值30 mmmm图 13 区域差异效应位移Fig.13 Regional differential effect displacement组别 7翘曲-总位移缩放比(X,Y,Z)=20.00030 mm最大值最小值2.0721.9601.8481.7371.6251.5131.2901.1781.0670.9550.8430.7320.6200.5080.397mm图 14 总位移Fig.14 Total displacement吕兴利 等：基于 Moldex3D 对汽车天窗壳数值模拟分析 （a）（b）图 15 修模前后包封Fig.15 Encapsulation before and after modifying the mold（a）修模前 （b）修模后50 mm50 mm2.5622.3912.2212.0501.8791.7081.5371.3671.1961.0250.8540.6830.5120.3420.1710.00组别 3充填-流动波前时间时间=2.562 sec最大值最小值50 mmsec（b）图 16 修模前后波前流动 Fig.16 Wavefront flow before and after modifying the mold（a）修模前 （b）修模后（a）2.5622.3912.2212.0501.8791.7081.5371.3671.1961.0250.8540.6830.5120.3420.1710.00组别 3充填-流动波前时间时间=2.489 sec最大值最小值50 mmsec