[期刊论文]基于MoldFlow的汽车保险丝盒壳体的结构设计

基于 Mold Flow的汽车保险丝盒壳体的结构设计* 包雪松1，2，顾力强1，吴开风2 (1．上海交通大学 机械与动力 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，上海 200240; 2．李尔中国技术中心 机械工程部，上海 201201) 摘 要:采用 Mold Flow对汽车保险丝盒壳体进行填充、保压、冷却、翘曲仿真分析，获得了最佳浇口位置、最佳流动模 式和最小的翘曲变形。优化了产品结构，并给出合理的注塑 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 参数，缩短了产品开发周期，降低了开发风 险，提高了产品的可靠性，从而达到了降低开发成本，提高产品竞争力的目的。 关键词:Mold Flow;汽车保险丝盒;塑料 中图分类号:U464． 149 文献标识码:A 文章编号:1007 － 4414(2011)05 － 0061 － 02 Structure design of automotive fuse － box housing based on Mold Flow simulation Bao Xue － song1，2，Gu Li － qiang1，Wu Kai － feng2 (1． Shanghai Jiaotong university，School of mechanical engineering，Shanghai 200240，China; 2． Mechanical department of Lear corporation，China technical center，Shanghai 201201，China) Abstract:Mold Flow simulation of automotive fuse － box housing is presented by analyzing filling，packing，cooling and wrap- ping，which obtains the optimal position of gate，the best flowing regime，the minimum wrapping deformation and the best of injecting parameter． It can be seen from the results that，with the optimal structure and operable injection molding process pa- rameters，reducing development costs and enhancing the competitiveness of their products are achieved by shortening the de- velopment cycle，reducing development risk and improving the product's reliability． Key words:Mold Flow;automotive fuse － box;plastic 1 引 言 随着汽车工业发展和全球能源的日益紧缺，汽车 的轻量化［1］;节能化与舒适性同时成为大众消费汽 车时需要考虑的因素。汽车轻量化主要指导思想是 在确保稳定提升性能的基础上，节能化设计各总成零 部件，持续优化汽车整体性能。在实现汽车轻量化的 过程中，塑料以其减重、安全、节能、美观等特性在汽 车行业有很好的应用前景，主要应用于动力系统、照 明电器系统、内饰件以及安全系统等［2］。 目前塑料件的设计普遍采用 CAE分析软件Mold Flow 对其加工工艺做分析，以便提前发现设计缺陷 以及生产工艺问题［3］。国内相关研究有王殿君等［4］ 对内饰件的浇口、变形、流动状态等进行分析，得出了 最佳 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ;朱昱［5］、林砺宗等［6］对安全带相关零件进 行充填、冷却、流动、翘曲分析，寻找出零件可能出现 的成型缺陷，获得了最佳浇口位置、流道布置和注塑 参数;吴显等［7］研究了汽车灯座的注塑缺陷，提出了 最优化注射方案;左大平等［8］对汽车风扇注塑成型 过程进行数值化模拟，并将模拟结果与 ATOS 测量结 果进行比较，分析 Mold Flow 数值化模拟结果的精 度，证明 Mold Flow分析结果的可靠性。 可以看出，对于汽车内饰件、安全系统以及照明 系统的模流分析已经较为完善，但是对于电力系统塑 料件的分析较少。在电气系统中，作为分配电流并对 各个块电路提供保护的汽车保险丝盒是重要的电器 部件，它壁薄、多通孔、多筋隔，结构复杂，尺寸精度和 稳定性要求高，传统开发模式周期长、成本高、模具报 废率高。笔者以 Mold Flow 软件作为仿真分析工具， 对汽车保险丝盒壳体进行模流分析，进而优化其结 构，提高产品的可靠性。 2 数值模型 (1)将 CATIA 设计的三维模型通过 Mold Flow 的转换模块导入到 Mold Flow 操作环境中，进行三维 数据的前处理———模型修补、有限元网格划分、网格 质量调整。笔者计算众多仿真的区域为整个三维模 型，生成总网格数 161454 个，网格匹配率达到 89． 9%。网格模型，如图 1 所示。 (2)在 Mold Flow中设定边界条件，零件体积为 267cm3，基本壁厚 2mm，材料为 PP － GF20 － M10。设 定初始条件:填充时间为 1． 6s，保压时间 4s，由于该 产品尺寸较大，结构复杂，为改善注塑过程的流动状 态，采用热流道设计，浇口采用 1． 8 mm点浇口。初 始浇口位置及流道系统配置，如图 2 所示。 (3)分析形式如下:充填(fill)、保压(pack)、冷 ·16· 欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘 设计与制造 ·机械研究与应用 欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘· * 收稿日期:2011 － 07 － 08 作者简介:包雪松(1975 － ) ，男，陕西西安人，工程师，主要从事汽车零部件机构设计方面的研发工作。 却(cool)、翘曲(wrap)。冷却管路如图 3 所示。冷却 水管直径 10mm。初始条件为:进水温度 40°C，雷诺 数 10000。 图 1 有限元网格模型 图 2 初始浇口位置及流道系统配置 图 3 冷却水管布置 3 结果分析与结 构优化 (1)通过对不同 浇口位置进行注塑过 程的模拟仿真，优化浇 口配置方案，最大限度 减小产品的变形。根 据产品结构预设了三种不同的浇口配置方案，如图 4 所示。 图 4 浇口和流道系统配置方案 三种不同方案的变形量如表 1 所示，分析表 1 中 的结果可知:采用方案 1 的浇口配置时，产品的变形 量最大，总变形量达到 1． 24，而采用方案 2 和 3 的浇 口配置时，产品的变形量较小。 观察方案 2 的浇口配置的变形量可以看到，方案 2 的变形量和方案 3 差异很小，然而方案 3 的浇口和 流道系统比方案 2 复杂，出于模具的加工难易度和制 造成本方面的考虑，笔者选择方案 2 的浇口配置方案 作为模具设计方案。 表 1 不同浇口配置下的产品变形量 方案 总变形量 X方向 变形量 Y方向 变形量 Z方向 变形量 1 1． 24 － 0． 71 ～ 0． 64 － 0． 75 ～ 0． 77 － 0． 59 ～ 1． 2 2 0． 98 － 0． 87 ～ 0． 74 － 0． 63 ～ 0． 64 － 0． 52 ～ 0． 85 3 1． 06 － 0． 87 ～ 0． 72 － 0． 88 ～ 0． 62 － 0． 49 ～ 1． 0 (2)对注塑过程的流动状态进行分析 模流前锋温度分布如图 5 所示，此分析结果显示 了熔体料流前端在经过产品模具型腔时候的温度梯 度分布。可在此结果中预测出容易出现短射的高风 险部位。此零件整体温度波动从 218． 1 ～ 245． 5℃， 温差小于 30℃，该波动数值虽高于一般薄壁性零件， 但对于保险丝盒这样的产品是可以接受的。通过在 实际中的产品塑料件样品可以看到没有短射的现象 产生。 体积收缩率分布如图 6 所示，图中的体积收缩率 分布显示的是产品表面在冷却过程中的收缩比例大 小，收缩率分布在 － 5． 56% ～4． 45%。它对产品缺陷 的判断依据是大小数值分布的均匀程度。图中的红 色部分由于壁厚不均匀的问题而在表面产生缩痕，可 根据仿真结果，修正三维数据中缩痕产生区域的局部 结构尺寸、减薄壁厚，优化产品结构设计。在图 7 中 可看到产品不同壁厚的分布(0． 14 ～ 11． 45mm)。对 照图 6 中的结果即可对三维数据进行修改。 图 5 模流前锋温度分布 图 6 体积收缩率分布 图 7 产品壁厚分布 4 结 论 在产品开发设计 过 程 中 采 用 Mold Flow 软件对塑料制 品的注塑工艺进行模 拟分析，辅助优化产 品的结构设计，缩短 产品的开发周期，减 少试模次数，提高了效率，达到降低产品开发成本的 目的。对于汽车保险丝盒这类结构复杂、尺寸较大的 产品，笔者通过 Mold Flow的模拟仿真得出最佳的浇 (下转第 66 页) ·26· 设计与制造 欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘·机械研究与应用 欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘· 图 7 给出了质心测量系统运动时，产生的耦合运 动输出情况。图中，曲线 1 为采用单通道控制方法 时，质心测量系统耦合运动输出幅度，曲线 2 为采用 自由度控制方法时，举升平台耦合运动输出幅度。 图 7 牵连自由度的输出 由图 7 可见，采用单通道控制方法时由于两个通 道之间存在差异，例如伺服阀和液压缸特性差异，会 造成两套驱动系统之间存在位置静态误差，从而使平 台存在其他自由度的输出，根据仿真结果，单通道控 制时两缸静态误差可以达到 0． 9mm，这种静差可导 致平台 z 向变形 0． 89mm，驱动缸力臂缩短 0． 0005mm，如图 8 所示;而采用自由度控制后，能够使 静态误差减小为 0． 4mm，相应的平台 z向变形和驱动 力臂变化都降低一半。 图 8 静态误差对驱动力臂的影响 另一方面，由于质心测量系统航向回转自由度的 刚度不足，如果两套驱动系统存在不同步，将会导致 质心测量系统产生航向回转运动，这对质心测量结果 产生不利影响，严重时甚至会损坏质心测量系统的支 撑铰，如图 9 所示。因此，质量质心测量系统采用自 由度控制策略具有非常重要的实际意义。 图 9 单通道控制时可能存在的问题 6 结 论 针对大型机动车辆质量大、体积大和的特点，应 用重量反应法及自由度控制策略，设计了一个机动车 辆质量质心测量系统，实现车辆质量和质心位置的测 量。目前，本文研制的质量质心试验系统将通过验收 并交付使用，为小汽车、客车、工程机械等机动车辆的 型号研制和技术改进提供服务。经过多次车辆实验 检验，机动车辆参数测试平台在安全性、可靠性和测 量准确性等方面都达到了较高的水平。 参考文献: ［1］ 鲍晓峰，丁德榜． 汽车质心位置测试方法的研究［J］． 汽车技 术，2001，4(11) :21 － 24． ［2］ 殷合盛． 质量反应法在汽车质心高度测试中的应用［J］． 汽车 技术，1999，3(8) :6 － 7． ［3］ 海 阔，何耀华． 汽车质心位置和特征惯量的测量原理分析 ［J］． 兵工学报，2003，6(1) :11 － 18． ［4］ Dowlatshahi S，Nagaraj M． Application of group technology for de- sign data management［J］． Computers industrial engineering，1998， 34(1) :235 － 255． ［5］ 赵新通，姜洪洲，韩俊伟．车辆质心位置测量系统的研制［J］． 哈 尔滨商业大学学报(自然科学版) ，2004，20(3) :304 － 306． ［6］ GB /T 12538 － 2003 两轴道路车辆重心位置的测定［S］． ［7］ 丛大成，姜洪洲，韩俊伟，等． 大型特种车体质心试验系统［J］． 机床与液压，2005，1(3) :26 － 27． ［8］ M． Tarokh． On output feedback stabilization and pole assignment ［J］． Int． J． Control，1980，31(2) : 櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒 399 － 408． (上接第 62 页) 口位置、最小变形量、最佳流动模式以及最小的体积 收缩率;清楚的观察到注塑过程中可能产生的问题 点，在设计源头降低了潜在开发风险，确保产品开发 的成功率。 参考文献: ［1］ 鲁春艳．汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径［J］．汽车工 程，2007(6) :28 － 31． ［2］ 钱志国，李 良．工程塑料在汽车轻量化中的应用进展［J］． 化 工新型材料，2009，37(3) :1 － 4． ［3］ 周大路，何柏林． CAE 技术在注塑模设计中的应用［J］． 现代制 造工程，2006(2) :62，125． ［4］ 王殿君，石连升．基于 Mold Flow 软件的塑料内饰件注射成型模 拟［J］．哈尔滨理工大学学报，2005，10(6) :51 － 54． ［5］ 朱 昱． Mold Flow软件在汽车零件注塑模具设计中的应用［J］． 机械，2009(9) :40 － 42． ［6］ 林砺宗，邢东仕．基于 Mold Flow 的汽车安全气囊盖注射成型分 析［J］．工程塑料应用，2008，36(12) :29 － 33． ［7］ 吴 显，郭 超． Mold Flow在汽车灯座模具中的应用［J］． 模具 工业，2010，36(8) :13 － 17． ［8］ 左大平，张益华． Mold Flow模拟结果的精度分析［J］．模具技术， 2006(3) :3 － 7． ·66· 设计与制造 欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘·机械研究与应用 欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘·