CAE技術在復雜SMC汽車零部件成型中的應用

本文通過在復雜的SMC零件從制品設計到成型的過程中利用計算機模擬分析進行流動模擬、工藝設計等工作，從而闡明了該技術在復雜SMC零件生產(chǎn)過程中的有效性。

一、前言

汽車是現(xiàn)代交通運輸?shù)闹匾ぞ?，其發(fā)展趨勢為換型快，開發(fā)周期短，批量大、結構復雜。而復合材料具有重量輕、制造成本低、零部件集成度高等特點，在汽車制造中得到越來越廣泛的應用。
復合材料與金屬材料相比具有較大的優(yōu)越性：

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

通過部件整合可以有效的降低汽車開發(fā)費用和生產(chǎn)成本，在中等批量的車型中采用復合材料取代鋁材可降低成本40％，并且可縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。復合材料與鋼鐵相比具有明顯的優(yōu)勢：具有關資料統(tǒng)計，可提高汽車質量23％，每輛汽車降低成本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。通過改變纖維、機體的種類及相對含量、纖維排列方式、鋪層結構等可以滿足復合材料結構與性能的各種要求，復合材料多為整體成型，如老式福特全順汽車車頭需要19個金屬件和一個塑料件，而新式全順汽車只需要一個SMC部件就可以實現(xiàn)，大大簡化了工藝過程、減少加工時間、減少零件數(shù)量、減輕車身重量等。

相對于金屬材料沖壓成型來說，復合材料的模壓成型是一個相對復雜、可預測性較差的過程，是在全封閉的環(huán)境中完成的。針對此特點其過程進行計算機模擬分析，使其過程和結果變?yōu)榭梢灶A測，從而明確其成型工藝方向，減少重復試驗、縮短開發(fā)周期。 123456

二、CAE技術在復雜SMC零件成型中的應用
計算機仿真技術是以多種科學理論為基礎，以計算機及其相應的軟件為工具，通過虛擬試驗的方法分析和解決工程實際問題的一門綜合技術，它具有經(jīng)濟、實用、靈活、可多次重復使用的優(yōu)點，已經(jīng)成為對許多復雜系統(tǒng)（工程的、非工程的）進行分析、設計、試驗、評估必不可少的手段，也就是說，建立仿真模型并對其進行試驗的一門技術。

SMC成型過程涉及到材料流變學、熱傳導學、反應動力學和液體力學等諸多交叉學科領域，是一個十分復雜的物理化學變化過程。這一過程可以抽象地分為三個方面：模壓流動過程、纖維取向過程以及固化過程。對這三個過程做出準確、可靠的預測分析對SMC工藝的優(yōu)化設計具有重要的意義。對復雜SMC零件而言，材料的流動對其成型起到?jīng)Q定性作用，合理的鋪層設計將有助于材料在模腔的流動，而合理的流動對于產(chǎn)品成型和其結構功能的實現(xiàn)起到關鍵的作用。

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通過引入計算機模擬這一過程將使材料的流動方向和流動時間可視化，從而指導鋪層設計，確定前期對產(chǎn)品的工藝設計的方向，其基本的原理為：設SMC模壓流動時為不可壓縮的流體，結合動量、能量、質量守恒方程，得到SMC模壓流動的控制方程。其控制方程包括壓力分布方程、熱傳導方程和固化反應動力學方程等。對于薄殼件流動，如果假設模具表面沒有滑移；流動中的主應力是剪應力。

由于SMC在模腔中流動過程是一個非線性的多場耦合問題，一方面模壓料在模壓過程中變形相當大；另一方面模壓料的粘度隨應變速率、溫度和樹脂固化度的可變性，使得其本構關系是非線性的。因此擬采用分步計算的方法，通過控制體有限元法來描述模壓料的流動狀況，而模壓過程中的樹脂流動問題是一個具有運動邊界的非穩(wěn)態(tài)過程。為了解決這一問題，我們將模壓過程作為一系列準穩(wěn)態(tài)的瞬間解的組合。在每一時間步，當壓力場確定后，速度場可通過動量方程計算得到，新的流動前鋒的位置可由流動前鋒的速度分量和時間增量來估算。與壓力場的求解相類似，溫度場和轉化率可根據(jù)當前的速度場來確定。由計算所得的溫度和轉化率則用于更新粘度，新的粘度值重新用于計算壓力場，溫度場和轉化率計算，重復這一過程直至整個模腔充滿，以汽車面罩產(chǎn)品為例：

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圖1 面罩數(shù)模


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


圖3 模壓料流動前沿模擬
觀察材料的流動分析圖不同顏色可以看到，材料流動所經(jīng)歷的時間不同，其中最長流動時間為0.1s，具體流動如下圖：


圖4 模壓料流動區(qū)域劃分


由上表可以看出，在所有成型條件正常時，產(chǎn)品表面狀態(tài)不會出現(xiàn)較大問題，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。而實際生產(chǎn)中所有條件不可能完全處于理想狀態(tài)，“物、機、人”方面某個環(huán)節(jié)極有可能出現(xiàn)波動，為了確保產(chǎn)品品質的穩(wěn)定性，我們參照計算機模擬結果，對鋪料方式進行了適當改進，做出了如下的鋪料圖，在產(chǎn)品試模時取得了較圓滿的結果，節(jié)省產(chǎn)品試模時間。


圖5 產(chǎn)品實際輔料圖

三、結束語

計算機模擬分析已經(jīng)廣泛的應用到各個領域中去了，在玻璃鋼行業(yè)目前模擬分析主要用在零件的結構分析，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，側重點也有所差異，但其目的都是一樣的，就是希望通過模擬，使過程和結果可視化，從而避免失誤，減少開發(fā)費用，縮短開發(fā)周期