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探究联合仿真在汽车电子节温器零部件模具开发中的应用

2022-07-23上海依工塑料五金有限公司杨华荣

电子世界 2022年1期
关键词:模具选项网格

上海依工塑料五金有限公司 杨华荣

在目前汽车零部件发过过程,需要经过产品设计.模具设计.实验室各种环境试验台装机实验,再到定型生产,一般需要二到三年的开发验证周期,随着科学技术的不断创新发展,零部件模具开发的过程已经充分利用了模流技术,模具开发质量有了明显提高,但是结构强度设计和塑件模具开发还是有明显的断层,一旦产品结构设计或模具结构考虑不周导致塑件强度达不到设计需求,会导致模具开发延迟或者推倒重来,严重影响整个项目的开发进度;随着主机厂车型的更新换代速度加快,对汽车零部件厂提出了缩短开发周期硬性要求;本文以研究结构仿真(Nastran in-cad)和注塑仿真(Moldflow)联合(Helius-PFA)应用为研究对象,为更贴近现实的仿真技术应用及模具开发提出可参考借鉴的方法及使用流程。

随着汽车主机厂加快车型的更新速度,对零部件行业项目开发提出了缩短开发周期及降低开发成本等硬性要求,同时对零部件的安全可靠性要求不仅没降低反而提出了更高层次的标准和要求。对于汽车零部件行业厂家来说,只有结合利用先进的科学技术,才能为汽车主机厂提供可靠稳定的产品,积极促进产品结构的转变,全面提高管理及技术水平。因此,为了更好地满足现实发展需要,本文基于Moldflow注塑仿真和Nastran结构仿真联合应用在节温器零部件产品开发上,着重研究PPS含玻纤材料在注塑熔接线处的强度分析,提前预测产品注塑后可能导致在实验中的失效风险,缩短开发时间及降低开发成本。

1 产品3D的前处理

图1为节温器的一个部件,在节温器中有联通冷却液管道及密封作用。

图1 节温器部件图

产品有一圈细小的圆角结构及烂面,最新版的Moldflow因为兼容性很强取消了CADdoctor模块,如果单做模流分析可以不用处理产品3D,进入Moldflow界面划分网格,如果网格无缺陷且纵横比满足系统要求,就可以直接进行分析;考虑到nastran in-cad网格能力较弱,如果模型不进行前处理可能会导致网格划分失败;因此需要利用UG软件去除微小圆角及修复烂面,直至几何体检查通过为止。

2 Moldflow注塑仿真分析

Moldflow分析产品在注塑整个过程中的潜在缺陷及工艺建议,包含注塑时间、注塑压力、熔融温度、熔接线位置及产品变形等几十种结果,本文着重介绍强度分析对Moldflow求解器的详细设置。

2.1 Moldflow网格划分流程

CAE是利用有限元原理把复杂问题分成一个个简单问题进行求解的过程,系统精度对网格有一定的要求,Moldflow要求纵横比20以下,无自由边.重叠面等缺陷,且联合仿真对比熔接面强度分析还要求必须是3D网格;首先导入产品后网格类型更改为双层面进行网格划分;第二步检查网格质量,纵横比要修复到20以下越小越好,并且无其他网格缺陷;第三步网格类型更改为3D网格再次划分网格,双层面的质量越好,3D网格的质量也就越好,因为3D网格类型下无法修复网格缺陷的,这也就是选择在双层面网格的基础上划分3D网格的原因。

2.2 Moldflow分析设置及注意点

联合仿真要求分析流程中最少包含填充及保压工艺才可进行后续的数据拟合,作者因需要想更贴近现实情况,模型处理中已加进水路,分析流程中包含冷却.填充.保压及变形四个模块;如果不进行熔接面强度分析,Moldflow不需进行任何特殊设置和平常一样设置就行,本文需要进行熔接线强度分析所以需要把输出熔接面设置打开,方法为工艺设置》高级选项》求解器参数(点编辑)》界面选项中勾选“熔接面强度分析”,至此Moldflow设置已完成点击分析按钮进行正常的分析环节。

3 Nastran in-CAD进行前处理及输出拟合结构文件

Nastran软件需要对产品3D进行网格划分及载荷设置,之后进行输出结构网格文件设置。熔接面强度分析要求结构网格数量尽可能密,最好能达到模流分析网格的数量,在拟合软件(Helius-PFA)界面中有匹配性检查程序,但是网格越多也意味着计算量越大,计算周期也就越长,这之间的度要大家自行把握;本文采用方法是采用和Moldflow网格划分中同样的网格尺寸,因两个软件划分网格的方式和逻辑不同,结构软件网格数量比模流网格数量要少很多。

3.1 Nastran的网格划分设置及注意点

Nastran in-cad软件是作为插件集成在Autodesk inventor中的,不能单独进行产品3D的前处理及网格划分工作;首先打开inventor软件,新建部件》输入3D数据》环境》选择Nastran in-CAD选项;第二步进入nastran环境中选择模型树中的网格设置,设置网格大小后进行网格划分,进入模型树中参数设置选项,输入TETREDORD把TETREDORD选项设为关闭,第三步双击模型树顶部的分析1选项中勾选非线性静力选项,点击模型树中子工况下的非线性设置1,进入选项页面中增量数由1改为100,中间输出选项改为全部。第四步设置载荷及约束工况,本文中约束设置为螺丝孔及安装面全为固定,载荷设置为密封圈在安装后给塑件施加的1000N反作用力。

3.2 Nastran设置输出文件

第一步右键单击模型树中分析一在弹出菜单中选择生成nastran文件,第二步在模型树顶部选择autodask Nastran文件,在其页面中单击保存图标,保存nas文件到电脑中。

4 利于Helius-PFA软件进行数据拟合

4.1 材料三向应力应变数据的前处理

联合仿真需要材料厂商做玻纤0e45e90°三个方向的应力应变测试数据,一般拿到材料厂的数据不是PDF版本就是excel格式的,PDF的格式我们把数据全部录进excel表格中,然后把Excel格式改成后缀为“.CSV”文件。

4.2 helius导入moldflow数据及结构数据进行拟合映射

进入Advanced material exchange界面,单击零件映射,在弹出的对话框中选择方案的文件框中打开模流文件夹下对应的后缀Sdy文件,选择结构的文件框中选择输出nastran结构文件包,后缀为nas文件,第二步软件会自动检查产品网格的对齐情况,没有对齐会自动提示对齐网格,第三步在材料选项中选择添加非线性材料,在弹出的对话框中选择导入整理的应力应变数据;第三步选择映射结果,软件会把模流数据中的玻纤取向及应力应变和熔接面数据映射到结构网格中;第四步选择输出结构包,软件会把文件导出为三个文件,注意三个文件后缀为hen文件为材料设置文件,nas文件为网格文件,sif文件为接口文件,三个文件除了后缀不一样外名字要一致,导出后不可以改文件名且需要放个同一个文件夹目录下。

5 导入Nastran中进行求解运算

(2)在nastran程序打开的情况下,双击模型树中的分析一,在弹窗对话框中点击选项,勾选输入结构模型,大位移选项设置为关闭。

(3)点击面板中的运行按键,进行求解运算。

(4)结果解读,DAMAGE STATE代表高斯点降级情况,1代表未断裂,2代表已断裂MATRIX EFFECTIVE STRESS代表机体材料的有效应力,FAILURE MODE代表失效模式0代表未失效,1代表拉伸失效,2代表压缩失效;SOLID MATRIX TANGENT MODULUS代表机体成分的切线弹性模量,在检查失效开裂部分的弹性模量递减值比较有效,可以直观观察到可能失效部位弹性模量会有大幅度降低;AME总共输出有7个结果,作者在本文产品中仅评价了前述的4个结果,结果表明在熔接线位置产品强度有明显的降低,熔接线处的切面弹性模量已经降至正常机体的1/5;虽然在正常注塑良好情况下产品是安全的,但是不能排除模具在运行过程中排气堵塞导致的熔接线质量下降风险,因此在模具设计开发阶段就在熔接线位置拆了排气镶件,有效避免了后续生产过程中的风险。图2为基体成分切线弹性模量,图3为基体有效应力云图。

图2 基体成分切线弹性模量图

图3 基体有效应力云图

结论:通过实例的仿真分析,考虑玻纤取向的联合仿真模型得到的应力值与实际的应力值更接近,可以提高含玻纤材料零件仿真计算结果的准确性,证明了联合仿真在模具开发中有提前预测风险,提前优化改善模具设计的缺陷的功能,在模具开发中可以大量应用积累成功经验,同时也可降低开发成本缩短开发周期,在提高产品质量方面也可以有更加科学方法及建议。

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