查 燕膝但，鄭方莉冲九，肖 劍，楊衛(wèi)民跟束，謝鵬程∗
（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院莺奸，北京 100029）
摘 要： 為提高復(fù)合材料注塑件的仿真準(zhǔn)確性丑孩，基于多尺度聯(lián)合仿真方法，以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈條導(dǎo)軌為例灭贷，根據(jù)導(dǎo)軌纖維配向以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況嚎杨，設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌減量化結(jié)構(gòu)，在保證整體應(yīng)力水平在安全范圍內(nèi)的同時(shí)氧腰，最大應(yīng)力降低了12 %枫浙，質(zhì)量減輕了4 %，實(shí)現(xiàn)了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈條導(dǎo)軌的減量化設(shè)計(jì)古拴。
關(guān)鍵詞： 減量化箩帚；聯(lián)合仿真；復(fù)合材料黄痪；注射成型
前言
數(shù)據(jù)顯示紧帕，我國(guó)固體廢物年產(chǎn)生總量超 1×1010 t，其中廢棄塑料約為6. 3×107 t桅打，由于塑料的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是嗜，難以自然降解，回收成本過(guò)高挺尾，不當(dāng)使用和處置致使環(huán)境污染指數(shù)遞增［1］鹅搪。針對(duì)解決這一現(xiàn)象，減量化理念應(yīng)運(yùn)而生遭铺。減量化設(shè)計(jì)的原則是通過(guò)巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)丽柿，在保證產(chǎn)品強(qiáng)度等安全性能的同時(shí)，減少原材料的用量魂挂，從源頭節(jié)約資源甫题，減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生［2］，是實(shí)現(xiàn)資源有效利用涂召，塑料污染源頭防治的有效途徑之一坠非。
復(fù)合材料作為綜合性能優(yōu)異的輕質(zhì)材料替代了傳統(tǒng)鋼材被廣泛應(yīng)用于汽車制造行業(yè)，具有質(zhì)輕果正、高強(qiáng)度和比模量等優(yōu)點(diǎn)炎码，其中復(fù)合材料的力學(xué)性能是由基體和增強(qiáng)相復(fù)合后顯現(xiàn)的綜合特性，但由于纖維和基體在力學(xué)性能上相差很大舱卡，加之纖維形狀和分布的隨機(jī)性辅肾，導(dǎo)致復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能非常復(fù)雜［3］。目前轮锥，有限元仿真分析被廣泛應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)中，但傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析軟件是假設(shè)材料各向同性要尔，忽略了由于材料成型工藝所導(dǎo)致的材料各向異性對(duì)于結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)的影響舍杜，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常存在優(yōu)化盲區(qū)新娜、保守設(shè)計(jì)等局限性，導(dǎo)致產(chǎn)品呈現(xiàn)厚重既绩、系統(tǒng)容積大等問(wèn)題概龄。為了很好地解決這些問(wèn)題，多尺度聯(lián)合仿真成為首要選擇饲握。張立強(qiáng)等［4］基于多尺度聯(lián)合仿真對(duì)汽車前罩進(jìn)行剛度仿真私杜，驗(yàn)證了多尺度聯(lián)合仿真方法具有更高精度和可靠性。張玉麗等［5］基于聯(lián)合仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料注塑零件輕量化設(shè)計(jì)救欧。綜上衰粹，本文基于多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)復(fù)合材料注塑成型進(jìn)行研究，以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈條導(dǎo)軌為研究目標(biāo)笆怠，進(jìn)行汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈條導(dǎo)軌的減量化設(shè)計(jì)铝耻。
1 多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)
傳統(tǒng)的仿真方法在進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析時(shí)將實(shí)驗(yàn)所得的材料參數(shù)直接賦予整體結(jié)構(gòu)，也就是認(rèn)為制件的材料屬性處處相等蹬刷，從而忽視了成型工藝導(dǎo)致的材料各向異性對(duì)于結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)的影響瓢捉，這樣所得到的仿真結(jié)果往往與實(shí)際不符，甚至存在很大誤差［6］办成，最終無(wú)法準(zhǔn)確有效地對(duì)制品進(jìn)行性能評(píng)價(jià)泡态。隨著復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于汽車注塑零件，相比較傳統(tǒng)仿真方法迂卢，聯(lián)合仿真技術(shù)能夠綜合考慮復(fù)合材料非線性特征兽赁、注射成型工藝特點(diǎn)等因素，從而更可靠地預(yù)測(cè)產(chǎn)品的力學(xué)性能冷守。
本研究所采用的多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)是通過(guò)Mol-dex3D模流分析軟件刀崖、Digimat 材料建模軟件和Abaqus 性能分析軟件綜合評(píng)價(jià)，保留注射成型工藝特點(diǎn)拍摇，分析制件微觀纖維配向及分布與宏觀力學(xué)性能之間耦合關(guān)系亮钦，從而更合理可靠地預(yù)測(cè)制件的力學(xué)性能，為進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)達(dá)到減量化設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)支撐充活。其中聯(lián)合仿真技術(shù)路線如圖1所示蜂莉，首先通過(guò)三維建模軟件建成正時(shí)鏈導(dǎo)軌模型導(dǎo)入Moldex3D軟件，劃分工藝仿真網(wǎng)格混卵，并進(jìn)行正時(shí)鏈導(dǎo)軌注射成型過(guò)程分析映穗，獲得導(dǎo)軌的纖維分布和配向信息，并通過(guò)Digimat-MAP 模塊將纖維分布和配向信息映射到 Abaqus 結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格中幕随；最后將Digimat-MF模塊建成的材料模型連同Digi-mat-MAP模塊得到的映射模型同時(shí)導(dǎo)入到 Abaqus進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)性能仿真分析蚁滋。
圖1 多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)路線
2 多尺度聯(lián)合仿真模型的建立
以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈導(dǎo)軌為研究對(duì)象，導(dǎo)軌的強(qiáng)度和剛度對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和壽命存在很大影響［7-9］，按照多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)路線辕录，針對(duì)汽車正時(shí)鏈導(dǎo)軌進(jìn)行聯(lián)合仿真模型建立及分析睦霎，具體流程如下。
2. 1 分析前處理
通過(guò)建模軟件 Solidworks 建立汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈條導(dǎo)軌的三維模型走诞，如圖2所示副女，并將其導(dǎo)入到模流分析軟件 Moldex3D劃分工藝仿真網(wǎng)格，如圖3 所示蚣旱。
圖2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈條導(dǎo)軌的三維模型
圖3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈條導(dǎo)軌的工藝仿真網(wǎng)格
2. 2 模流分析
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈條導(dǎo)軌的材料采用巴斯夫股份公司的Uitramid A3WG6（聚酰胺 66+30 % 玻璃纖維）碑幅，澆注系統(tǒng)采用一點(diǎn)進(jìn)澆。根據(jù)制件要求與材料屬性設(shè)置工藝參數(shù)：模具表面溫度設(shè)為85℃塞绿，熔體溫度為290℃沟涨。當(dāng)控制條件充填體積達(dá)到98 %時(shí)進(jìn)行速度/壓力切換，保壓時(shí)間持續(xù)8. 3 s位隶，其余參數(shù)采用 Mold-ex3D 系統(tǒng)默認(rèn)拷窜。
當(dāng)熔體前沿以近似相等時(shí)間到達(dá)型腔的各個(gè)末端被視為良好的充填過(guò)程，流動(dòng)波前時(shí)間分析結(jié)果如圖4所示涧黄，充填時(shí)間大約為1. 227s篮昧，整體充填順暢；其中汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈條導(dǎo)軌的纖維配向分布情況如圖5所示笋妥，其中纖維配向最大值為0. 99 無(wú)限趨近于1懊昨，已知纖維配向張量越接近于1，纖維在此區(qū)域沿流動(dòng)方向的取向程度越高春宣，所以該導(dǎo)軌模型的整體纖維配向程度較高酵颁，只在肋板和銷軸處出現(xiàn)配向張量較低的情況，所以纖維增強(qiáng)效果明顯月帝，結(jié)構(gòu)力學(xué)性能可能提高躏惋。
圖4 流動(dòng)波前時(shí)間
圖5 微觀纖維配向分布圖
2. 3 復(fù)合材料模型建立及結(jié)構(gòu)分析設(shè)置
在Digimat-MF模塊建立起30%玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺66復(fù)合材料的材料模型。并通過(guò) Digimat-MAP 模塊將模流分析所得的纖維配向和分布信息映射到Abaqus結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格上實(shí)現(xiàn)不同類型網(wǎng)格之間的信息交換嚷辅。最終將Digimat中生成的材料模型及映射模型同時(shí)導(dǎo)入Abaqus進(jìn)行力學(xué)性能分析簿姨。
如圖6所示，通過(guò)Abaqus 進(jìn)行力學(xué)性能分析時(shí)簸搞，導(dǎo)軌的約束條件為：在固定導(dǎo)軌的銷軸處約束6個(gè)方向的自由度（即完全約束）扁位。由于鏈條和導(dǎo)軌間的摩擦因數(shù)很小，所以在只考慮導(dǎo)軌上慣性力與鏈條張力的作用趁俊，其加載條件為：在接觸面加 1~3 MPa 均載域仇。
圖6 汽車正時(shí)鏈條固定導(dǎo)軌上受力及約束情況
2. 4 計(jì)算結(jié)果分析
由傳統(tǒng)仿真與多尺度聯(lián)合仿真分析發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈導(dǎo)軌力學(xué)性能，其應(yīng)力分布對(duì)比圖寺擂，如圖7 所示暇务，通過(guò)傳統(tǒng)仿真分析結(jié)果顯示泼掠，應(yīng)力最大值為103. 1MPa，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在導(dǎo)軌銷軸處般卑，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)仿真認(rèn)為材料是各向同性武鲁，當(dāng)結(jié)構(gòu)受載時(shí)爽雄，其固定部位應(yīng)力最大蝠检。采用多尺度聯(lián)合仿真模型分析所得結(jié)果，最大應(yīng)力降低為70 MPa挚瘟，高應(yīng)力水平集中在銷軸和肋板處叹谁，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近銷軸的肋板內(nèi)測(cè)，由于在充填過(guò)程熔體在到達(dá)肋板處發(fā)生分流導(dǎo)致纖維配向雜亂乘盖，如圖5 所示焰檩，從而在橫向加載時(shí)力學(xué)性能削弱導(dǎo)致應(yīng)力集中，同時(shí)也側(cè)面說(shuō)明了制件微觀纖維配向及分布與宏觀力學(xué)性能之間對(duì)應(yīng)關(guān)系订框，所以多尺度聯(lián)合仿真結(jié)合了材料成型工藝析苫，更合理可靠的預(yù)測(cè)了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，已知30% 玻纖增強(qiáng)聚酰胺66的斷裂應(yīng)力為145MPa穿扳，所以整體應(yīng)力水平在安全范圍內(nèi)衩侥。
圖7 傳統(tǒng)仿真和多尺度聯(lián)合仿真的應(yīng)力分布對(duì)比圖
相比較傳統(tǒng)仿真方法，多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)于復(fù)合材料注射成型制品的性能評(píng)價(jià)具有更高精度矛物。這是因?yàn)槎喑叨嚷?lián)合仿真規(guī)避了傳統(tǒng)仿真假設(shè)材料是各向同性的這一局限性茫死，保留了注射成型工藝特點(diǎn)，充分考慮了導(dǎo)軌材料的各向異性特征履羞，使材料屬性更加貼近實(shí)際材料峦萎，因此能夠更合理可靠的預(yù)測(cè)制件的力學(xué)性能，從而為產(chǎn)品優(yōu)化以及生產(chǎn)提供更精準(zhǔn)的技術(shù)支持忆首。
3 正時(shí)鏈導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的減量化設(shè)計(jì)
由上述分析結(jié)果可合理推測(cè)該汽車正時(shí)鏈導(dǎo)軌在保證結(jié)構(gòu)可靠性的前提下可以進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化以達(dá)到注塑零件減量化設(shè)計(jì)的目的爱榔。在設(shè)計(jì)正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)程中，固定導(dǎo)軌被設(shè)計(jì)成內(nèi)凹形式作用在鏈條緊邊位置糙及，如圖7所示详幽，導(dǎo)軌肋板和上壁面接觸處分布應(yīng)力值較大，所以優(yōu)化方案是將導(dǎo)軌上壁面由原來(lái)的2mm增加至3mm丁鹉，由于導(dǎo)軌下壁面及中間肋板整體應(yīng)力水平較低妒潭，所以可以在導(dǎo)軌下壁面中間位置進(jìn)一步設(shè)計(jì)內(nèi)凹形式以達(dá)到減量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，內(nèi)凹距離為3. 3 mm揣钦，合理縮短肋板長(zhǎng)度雳灾，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的正時(shí)鏈導(dǎo)軌，如圖8所示冯凹。
圖8 汽車正時(shí)鏈條導(dǎo)軌優(yōu)化結(jié)構(gòu)
經(jīng)過(guò)減量化設(shè)計(jì)之后谎亩，導(dǎo)軌質(zhì)量減輕了4 %炒嘲，優(yōu)化前后正時(shí)鏈條導(dǎo)軌應(yīng)力分布對(duì)比結(jié)果如圖9所示，其中低應(yīng)力水平有小幅度升高匈庭，但高應(yīng)力水平大幅度降低夫凸，其中最大應(yīng)力減小到61. 63 MPa，比原結(jié)構(gòu)降低了12 %阱持，且整體應(yīng)力水平處于安全工作范圍內(nèi)夭拌，滿足設(shè)計(jì)要求。
圖9 正時(shí)鏈條導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后應(yīng)力分布對(duì)比圖
為進(jìn)一步通過(guò)聯(lián)合仿真技術(shù)模擬正時(shí)鏈條導(dǎo)軌減量化設(shè)計(jì)前后結(jié)構(gòu)的剛度衷咽，結(jié)果如圖10所示鸽扁，原始設(shè)計(jì)中正時(shí)鏈條導(dǎo)軌的最大位移量為1. 009 mm，減量化設(shè)計(jì)后正時(shí)鏈導(dǎo)軌的最大位移量為1. 036 mm镶骗，由于整體變形量不大桶现，可以認(rèn)為優(yōu)化前后正時(shí)鏈條導(dǎo)軌的剛度沒(méi)有發(fā)生明顯變化。所以得出結(jié)論是鼎姊，在滿足剛度不變的前提下骡和，提升了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，并且實(shí)現(xiàn)了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈條導(dǎo)軌的減量化設(shè)計(jì)相寇。
圖10 正時(shí)鏈導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)變形量云圖
4 結(jié)論
（1）導(dǎo)軌較高應(yīng)力集中在肋板處慰于，與注射成型所得結(jié)構(gòu)纖維配向的分布情況相吻合，驗(yàn)證了多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)在復(fù)合材料注射成型研究中的可靠性裆赵；
（2）正時(shí)鏈條導(dǎo)軌減量化設(shè)計(jì)后东囚，總質(zhì)量減輕了4 %，最大應(yīng)力值降低了12 %战授，保證整體應(yīng)力水平處于安全工作范圍页藻，在提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈條導(dǎo)軌的減量化設(shè)計(jì)植兰；
（3）多尺度聯(lián)合仿真技術(shù)保留了注射成型工藝特點(diǎn)份帐，提高了復(fù)合材料注塑制品仿真的精確度，這對(duì)復(fù)合材料注塑制品的性能評(píng)價(jià)以及減量化設(shè)計(jì)具有重要意義楣导。
參考文獻(xiàn)：
［1］ 王 琪废境，瞿金平，石 碧筒繁，等 . 我國(guó)廢棄塑料污染防治戰(zhàn)略研究［J］. 中國(guó)工程科學(xué)噩凹，2021，23（01）：160?166.
［2］ 曾鳳彩毡咏，王雯婷驮宴，王富晨 . 論減量化設(shè)計(jì)方法在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的重要性［J］. 設(shè)計(jì)，2014（02）：185?186.
［3］ 王人杰 . 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料橫向彈性常數(shù)［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)呕缭，1996（02）：98?104.
［4］ 張立強(qiáng)堵泽，劉 飛修己，薛志剛，等 . 基于多尺度聯(lián)合仿真的汽車前罩剛度分析［J］. 塑料工業(yè)迎罗，2019睬愤，47（04）：73?77+82.
［5］ 張玉麗，邱 煒纹安，傅南紅尤辱，等 . 基于多尺度聯(lián)合仿真的注塑制品輕量化設(shè)計(jì)［J］. 中國(guó)塑料，2018钻蔑，32（09）：130?134.
［6］ 柏 宏啥刻，劉 晶奸鸯，彭 丹咪笑，等 . 基于聯(lián)合仿真分析的復(fù)合材料尾門輕量化設(shè)計(jì)［J］. 時(shí)代汽車，2020（14）：128?130.
［7］ 董成國(guó) . 汽車正時(shí)齒形鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與仿真分析及試驗(yàn)研究［D］. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)娄涩，2010.
［8］ 張國(guó)勇窗怒，任小鴻，張加洪蓄拣，等 . 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈條套筒開(kāi)裂仿真分析研究［J］. 設(shè)備管理與維修扬虚，2020（6）：89?91.
［9］ 李一民 . 曲軸及正時(shí)系動(dòng)力學(xué)特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī) NVH 性能影響研究［D］. 杭州：浙江大學(xué)，2012.
聚砜醫(yī)療干粉吸入...
塑料包裝材料的減...
汽車功能鍵觸摸蓋I...
高性能注塑聚丙烯...
