商用车保险杠结构设计及注塑成型工艺研究-材料加工工程硕士毕业论文

分类号 U D C 密 级 学校代码 武多萎理歹大浮 学位论文 1 0 4 9 7 题目直题圭堡险壑缱塑选盐垄运塑盛型三茎盟宝 英文 R e s e a r c ho nt h eS t r u c t u r eD e s i g na n dP l a s i t cI n je c t i o nM o l d i n g 题目 P ! Q 堡盟墨鱼! 鱼曼B 星堑旦幽P 丛Q 尘曼Q 匹堡星丝i 垒l 坠! Q 盟Q 鱼i ! 曼 研究生姓名型盍盍 指导教师姓名生盎职称塾撞学位谴 副指导教师姓名职称 4 3 0 0 7 0 单位名称邮编 申请学位级别亟学科专业名称挝盘垄三墨猩 论文提交日期论文答辩日期 学位授予单位盍垫墨三盘鲎学位授予日期 答辩委员会主席评阅人 2 0 1 2 年0 5 月 独创性声明 明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生l 签名) ：纠袭击导师( 日期：矿纪么 中文摘要 塑料件因具有质量轻、柔韧性好、耐化学腐蚀、电绝缘性和成型性能优良 等优点，已在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门得到推广应用。 随着经济的发展，汽车日益普及化和家庭化，人们对汽车内外饰系统提出了更 多的要求，塑料件作为其主要组成部分，其结构设计和成型性能已获得大量关 注。随着全球资源的枯竭和汽车轻量化理念的深入，塑料件在汽车零部件中所 占的比例增加。对于汽车保险杠这类大尺寸的复杂外饰注塑件，在产品开发初 期，人们希望能在考虑其结构合理性的同时，减小其注塑成型难度。因此，研 究汽车保险杠的结构设计和注塑成型工艺对该类零件的发展和应用具有重要的 意义。 本文根据商用车保险杠结构设计原理和成型过程，在U G 软件环境下，建立 了保险杠不同结构设计条件下的三维几何模型，为其受静应力载荷和成型性仿 真分析打下了基础。 基于有限元模拟仿真技术，在A N S Y S 软件中建立了商用车保险杠在不同结 构设计时的线性静态分析模型，通过台架试验和模拟分析验证了该模型的有效 性。基于该模型研究了材料和壁厚对保险杠零件刚度的影响规律，安装孔布局 对结构模态的影响规律。并对实际使用过程中的“局部下沉 现象给予了合理 地解释和改善方案。研究成果为商用车保险杠的结构设计提供了有效参考。 在M o l d f l o w 软件中建立了保险杠模流分析模型，研究了浇口位置对填充时 间、熔接痕、缩痕指数、翘曲变形的影响规律；以及阀浇口的不同设计对成型 过程中的填充时间、熔接痕和翘曲变形的影响规律；详细研究了工艺参数对缩 痕指数和翘曲变形的影响规律。 以V i s u a lB a s i c 语言和M o l d f l o w 软件为平台，开发了注塑成型C A E 模拟评 价系统软件，实现了多种塑料材料选取和材料相关性能查询功能、多种材料优 化选择、工艺参数设置及分析、多组工艺参数优化选择和分析结果查看功能。 关键词：商用车保险杠；结构设计；浇注系统；工艺参数；熔接痕 A b s t r a c t P l a s t i cp a r sa r ew i d e l ya p p l i e di na e r o - s p a c e ，e l e c t r o n i ci n d u s t r i e s ，m e c h a n i s m , s h i p p i n ga n da u t o m o b i l ed u et ot h e i ra d v a n t a g e ss u c ha sl i g h tw e i g h t , g o o df l e x i l i t y , c h e m i c a l r e s i s t a n t , e l e c t r i c i t yi n s u l a t i o n , e x c e l l e n tf o r m i n gp r o p e r t y , e t c W i t ht h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m y , a u t o m o b i l e sa r em u c h m o r ep o p u l a ra n df a m i l i a l ，a n dm o r e r e q u i r e m e n tt oi n t e r i o ra n de x t e r i o rf i r m sa r ep r o p o s e d T h es t r u c t u r ed e s i g na n d f o r m i n gp r o p e r t yo ft h ep l a s t i cp a r t sg a i np l e n t ya t t e n t i o nb e c a u s et h a tp l a s t i cp a r t s a r et h em a i nc o m p o n e n t so ft h ea u t o m o b i l ei n t e r i r o ra n de x t e r i o rt r i m s W i t ht h e e x h a u s t i n go fg l o b a lr e s o u r a n dt h ea u t o m o b i l el i g h t w e i g h tc o n c e p t i o nb e i n g w i d e l ya b s o r b e d , t h ep e r c e n t a g eo fp l a s t i cp a r t si na u t o m o b i l ep a r t s i sg r a d u a l y i n c r e a s i n g A tt h ee a r l yp e r i o do ft h ed e v e l o p m e n tf o rb i gs i z ee x t e r i o ri n j e c t i o np a r t s s u c ha sa u t o m o b i l er e a rb u m p e r ，i ti sh o p e dt h a tb o t hr a t i o n a l i t ys t r u c t u r ea n dl e s s f o r m i n gd i f f i c u l t ya r cc o n s i d e r e d T h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt os t u d yo nt h es t r u c t u r e d e s i g na n dp l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s so fr e a rb u m p e ro ft h ec o m m e r c i a l a u t o m o b i l e B a s e do nt h es t r u c t u r ed e s i g np r i n c i p l ea n dp l a s t i ci n j e c i t o nm o l d i n gp r o c e s so f t h e r e a rb u m p e ro fc o m m e r i c i a la u t o m o b i l e ，t h e3 D g e o m e t r i cm o d e l so ft h er e a l b u m p e r i se s t a b l i s h e db yt h eC A Ds o f t w a r eU Gw h i c hp r o v i d eu s e f u lf o u n d a t i o nf o rt h e f u t h e rs t u d yo ni t ss t a t i cp r e s s u r ea n a l y s i sa n dp l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gs i m u l a t i o n T h ef i n i me l e m e n tl i n e a rm o d e lo fd i f f e r e n ts t r u c t u r ed e s i g no ft h er e a l b u m p e ri s d e v e l o p e di nt h eF E Ms o f t w a r eA N S Y S ，w h i c hi s c o n v e n c e di t s v a l i d i t yb y c o m p a r i n gt h er e s u l t so fb e n c h t e s ta n ds i m u l a t i o n B a s e do nt h i sm o d e l ，t h ee f f e c t so f d i f f e r e n tm a t e r i a l sa n dt h i c l m e s so ns t i f f n e s so ft h er e a rb u m p e rh a v eb e e nd i s c u s s e d t h r o u g ns t a t i ca n a l y s i s T h ee f f e c to fd i f f e r e n tm o u n t i n gh o l e sa r r a n g e m e n t so nm o d a l h a sb e e ni n v e s t i g a t e d M e a n w h i l e , r e a s o n a b l ee x p l a i na n di m p r o v e m e n tp l a na l e p r o p o s e df o rl o c a ls u b s i d e n c eo c c u r r e di np r a c t i c e 墩T h er e s u l t sp r o v i d eu s e f u l r e f e r e n c ef o rt h es t r u c t u r ed e s i g no ft h e 陀a rb u m p e ro ft h ec o m m e r c i a la u t o m o b i l ei n p r a c t i c e B a s e do nt h eV i s u a lB a s i cl a n g u a g ea n dM o l d f l o w , t h eS O f h V a r en a m e d E v a l u a t i o nS y s t e mo fP l a s t i cI n j e c t i o nM o l d f i n gC A ES i m u l a t i o n i sd e v e l o p e d 中文摘要 A b s t r a c t 目录 I 第1 章绪论 l 1 1 引言1 1 2 课题相关研究进展2 1 2 1 汽车保险杠的国内外研究现状2 1 2 2 注塑成型工艺及C A E 技术的研究现状4 1 2 3 评价系统的研究现状6 1 3 课题来源、目的及意义8 1 3 2 课题来源8 1 3 2 课题研究目的及意义8 1 4 本文研究方法和内容9 1 5 本章小结9 第2 章商用车保险杠结构设计 2 1 后保险杠有限元模型的建立1 0 2 1 1 零件三维模型的建立1 0 2 1 2 导入H y p e r m e s h 并进行单元划分和修整1 0 2 1 3 导出模型1 3 2 1 4 对模型进行约束处理并施加载荷1 4 2 2 零件的刚度分析l5 2 2 1 刚度分析基础15 2 2 2 台架试验及数据15 2 2 3C A E 模拟试验及数据l7 2 2 4 台架试验与C A E 分析结果比较1 8 2 3 材料的选择2 0 2 3 1 后保险杠常用材料属性2 0 2 3 2 不同材料零件的刚度比较。2 l 2 4 零件壁厚的选择2 2 2 4 1 零件壁厚对刚度的影响2 3 I V 2 4 2 零件壁厚对成型性能的影响。2 4 2 5 加强筋的设计与分析2 7 2 5 1 加强筋截面形状设计2 8 2 5 2 局部下沉现象的解释31 2 6 安装孔的设计与模态分析3 2 2 6 1 模态分析基础3 2 2 6 2 安装孔与周边的距离3 3 2 6 3 安装孔的布置与模态分析。3 3 2 7 本章小结3 6 第3 章商用车保险杠注塑成型浇注系统设计3 7 3 1 商用车保险杠有限元模型的建立3 7 3 1 1 网格划分模型修整3 7 3 1 2 浇注系统的建立3 8 3 1 3 冷却系统的建立3 8 3 2 材料的选择4 0 3 3 浇注系统的优化设计。4 0 3 3 1 浇口位置的改进与对比分析4 1 3 3 2 阀浇口设计与对比4 6 3 4 本章小结5 0 第4 章商用车保险杠注塑成型工艺参数设计 4 1 单个工艺参数对成型质量的影响5 2 4 1 1 注射速率5 2 4 1 2 模具温度。5 6 4 1 3 熔体温度5 9 4 1 4 保压参数设置6 l 4 2 工艺参数对缩痕和翘曲的影响规律6 3 4 2 1 优化目标的选取。6 4 4 2 2 工艺参数范围的确定“ 4 2 3 正交实验设计和模拟实验结果6 4 4 2 4 模拟结果极差分析6 6 V 4 3 因素对缩痕指数影响的方差分析和显著性检验。6 9 4 3 1 试验结果的方差分析6 9 4 3 2 因素对指标影响的显著性分析7 1 4 4 因素对翘曲变形指数影响的方差分析和显著性检验7 2 4 4 1 试验结果的方差分析7 2 4 4 2 因素对指标影响的显著性分析7 3 4 5 本章小结7 4 第5 章注塑成型C A E 模拟评价系统软件开发。 7 5 5 1 引言。7 5 5 2 二次开发方法介绍7 5 5 3 基本开发过程。7 6 5 3 1 软件开发环境7 6 5 3 2 材料选择及优选分析7 8 5 3 3 设计工艺参数及工艺参数优选8 0 5 3 4 查看分析结果8 4 5 4 本章小结8 6 第6 章总结与展望8 7 6 1 研究总结8 7 6 2 研究展望8 8 致谢 参考文献 攻读硕士期间科研成果 V I 8 9 9 0 9 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，随着我国改革开放的不断深入和汽车工业的快速发展，汽车市场 已经走向大众化和家庭化。汽车在人们的日常生活中扮演着不可或缺的角色， 人们开始注重汽车外观的豪华、时尚、舒适、安全和个性化，因此汽车饰件也 逐步向普及化和专业化发展。汽车饰件分为两大类：外饰件和内饰件。外饰件 是汽车外部装饰零件，如前保险杠、后保险杠、大包围、扰流板、除雾格栅、 导流板等。外饰系统除了要满足人们的审美和个性化需求外，还需要有一定的 刚度和强度。 随着塑料工业的迅速发展以及塑料制件在航空、航天、电子、机械、船舶 和汽车等工业部门的推广应用，塑料产品对模具的要求越来越高，传统的模具 设计方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求。与其他材料相比，塑料 具有质量轻、柔韧性好、耐化学药品、电绝缘性和成型加工性能优良等优点【1 1 。 虽然塑料工业发展历史短，但是速度惊人，已然成为四大工业基础材料之一【2 】。 塑料材料的品种很多，其成型加工的方法也很多，常用的成型方法主要有挤出 成型、注射成型、吹塑成型、压延成型和压制成型【3 】。注塑成型是一种主要成型 热塑性塑料制件的加工方法，几乎所有的热塑性塑料都可以用此方法成型【4 】。注 塑成型技术可成型结构复杂、外型较大或带有金属嵌件的零件。与此同时，塑 料件具有成型周期短、生产效率高、成本低和噪音小等优势。由于熔融态的塑 料在冷却过程中会发生收缩和翘曲变形，传统的塑料注塑成型工艺很大程度依 赖于模具工人的经验，即使是经验丰富的模具工人也需要经过反复地试模和修 模等处理。在这样的生产环境下，人们期望有一种软件能够减少试模和修模等 处理，使我们在模具设计的几何阶段就已经预测出成型问题，并做出相应的改 善措施。 近几年来，计算机辅助分析技术( C A E ) 在塑料件设计和加工等领域得到 了广泛程度的应用。C A E 软件是由计算力学、计算数学、结构动力学、数字仿 真技术、工程管理学与计算机相结合而形成的一种综合性、知识密集型产品【5 】。 国内外汽车市场的竞争一直是硝烟弥漫，汽车产品的生命周期越来越短，在产 品设计和生产过程中及时发现潜在的缺陷不仅能赢得市场先机，还能极大程度 武汉理工大学硕士学位论文 地降低成本，减少对品牌信誉的影响。在国外，C A E 技术从产品生产初期( 数 模和图纸阶段) 开始就一直伴随着产品的整个生产周期，如建立分析模型、仿 真优化产品的各项性能和设计，提高产品的可靠性，减少后期模具风险和设计 周期。国内，由于内外饰设计技术起步较晚，许多汽车公司开始意识到这方面 技术的匮乏，也在大力开展相关方面的研究。C A E 技术在塑料内外饰件分析上 基本可以分为：结构强度分析和优化、模态分析和优化、安全碰撞分析和优化、 模具流动性分析、隔声性能分析等【5 1 。 综上所述，由于汽车行业在轻量化方面的长期需求、塑料材料性能的不断 改进和完善、成型工艺的不断提高以及C A E 技术在塑料件设计领域的不断深入 使得塑料件在汽车行业中具有广阔的发展前景。事实证明，塑料件占汽车的比 重在不断地上升，应用范围也越来越广。 1 2 课题相关研究进展 汽车保险杠不仅可以起到装饰作用，还是一种能吸收外界冲击载荷的安全 装置。汽车保险杠的种类按材料不同可分为【5 】：( 1 ) 钢板保险杠。在汽车生产初 期，大多数的保险杠都采用的是钢板保险杠，现在主要应用于大型货车。钢板 保险杠是由钢板冲压成U 型槽钢，表面进行镀铬处理后通过铆接或焊接将其与 车架接在一起。( 2 ) 塑料保险杠。由于采用的是塑料材料，材质较轻，满足汽车 轻量化的发展趋势。从行人安全角度考虑，发生碰撞事故时塑料保险杠能很好 的起到缓冲作用，保护路上行人的安全和车身本体。外观上，通过喷涂与车身 主体颜色相近的漆，可以很自然地与车体结合在一起，装饰性较强，是现代汽 车外形上的重要部件。( 3 ) 铝合金保险杠。主要是用铝合金制成管状保险杠，主 要用于越野车和小型面包车，应用范围有限。( 4 ) 镜钢保险杠。主要材料是钢管， 需进行电镀处理，主要用于小型面包车。由以上分析可知，目前汽车行业中， 塑料保险杠的应用更为广泛，也更具发展潜力。 1 2 1 汽车保险杠的国内外研究现状 国内学者在塑料保险杠的研究主要是利用C A E 分析软件，通过试验设计方 法( 正交实验等) 来研究注塑成型工艺参数和浇口的设置对保险杠成型质量的 影响和保险杠横梁碰撞的安全性。广东工业大学的罗佳烽 6 1 研究了一款日本丰田 2 武汉理工大学硕士学位论文 皇冠轿车的后保险杠注塑模的自干扰进胶浇注系统的设计和注塑工艺参数对塑 料制件质量的改善效果，并借助于实际生产中的成型条件和C A E 模拟得出优化 成型工艺参数，提高了熔接痕的质量。南昌大学的张冬【7 】针对江铃生产的某款汽 车保险杠出现的缩痕问题，在M o l d f l o w 软件中建立了有限元模型，对该零件的 注塑成型过程进行了数值模拟，并提出了浇注系统改进方案。在通过对重要模 拟结果的对比得出最佳浇注系统方案的同时，基于正交实验，研究了工艺参数 对该零件缩痕的显著性因素，并通过优化组合遗传算法得到了缩痕的最优工艺 参数设置。武汉理工大学的尹飞【8 】和郭巍1 9 】研究了汽车杂物箱盖体零件在注塑成 型过程中工艺参数对该零件成型质量的影响规律。其中尹飞在基于C A E 分析结 果和人工神经元网络数学方法的基础上，实现了针对翘曲变形量的自主寻优。 郭巍将正交试验和C A E 分析相结合，研究了工艺参数对收缩和翘曲变形量的影 响规律。吉林大学的周华【1 0 】结合中国汽车技术研究中心的保险杠试验技术及耐 碰撞性检测项目，肯定了汽车保险杠在低速碰撞中的保护作用，指出吸能式保 险杠能满足吸能和保护的要求。文中以具体标准为依据，开发出保险杠性能测 试设备，利用该设备对保险杠进行了低速碰撞试验，并对试验结果进行了分析。 四川大学的沈洪雷【ll J 利用C M o l d 软件对桑塔纳轿车前保险杠进行了注塑成型 性分析，得出最佳模具温度和进浇方式组合。王大中【1 2 J 通过M o l d f l o w 软件对该 零件的充模过程进行数值模拟，提取充模仿真动画，并将其与P r 0 E 软件的开合 模仿真动画相结合，获得完整的注塑成型全过程的形象动画。武汉理工大学的 张金虎【1 3 】利用C A T I A 软件曲面造型功能，建立了保险杠系统和摆锤的三维实体 模型。通过专业网格划分软件H y p e r m e s h 对模型进行网格划分，并利用 A N S Y S L S D Y N A 软件对保险杠碰撞进行了模型定义和求解，分析了保险杠系 统在碰撞实验中的动态响应及保险杠系统在受摆锤撞击后的位移、应力和变形 的规律。 意大利学者【1 4 】对零件的表面性能进行了研究。他们主要研究了P P 材料保险 杠零件表面的吸湿性和连接性，并基于冷离子技术将P P 材料表面成功激活。马 来西亚学者【1 5 】研究了塑料保险杠的结构设计，提出在保险杠零件背面设计纤维 加强环氧复合缓冲吸能器的概念，并通过试验证明这种设计可以大大减少对行 人的损伤。伊朗学者I l 7 J 通过模拟研究了汽车保险杠横梁在低速碰撞时的变形、 应力及其分布和吸能热性，基于行人安全，提出了较优的材料、厚度、形状和 受力条件等设计参数组合。韩国学者【ls J 为了优化保险杠横梁的外形设计以便保 护行人安全，提出了中间响应表面建模( 瓜S M ) 技术，结合近似函数优化了保 3 武汉理工大学硕士学位论文 险杠横梁的外形设计。日本学者【1 9 】基于对人体下肢骨骼的研究和目前S U V 车数 量的增加，研究了保险杠高度和碰撞速率对股骨骨折、膝部韧带受损和胫骨骨 折的影响，通过统计车祸数据指出了不同的保险杠高度和碰撞速率对应的人体 下肢受伤类型。 1 2 2 注塑成型工艺及C A E 技术的研究现状 注塑模C A E 技术是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建立熔体在 模具型腔中的流动、传热的物理和数学模型，利用数值计算理论构造其求解方 法，利用计算机可视化技术形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态填充、 冷却、翘曲变形等过程的- - f - j 分析技术 2 0 l 。与传统的模具设计相比，C A E 技术 无论在提高生产率、保证产品质量，还是在降低成本、减轻劳动强度等方面， 都具有很大优越性【2 l - 2 4 。注塑模C A E 分析软件的发展分为三个阶段：独立运行 的注射过程模拟软件、二维模具设计软件与模拟软件的集成和三维模具设计与 制造软件及模拟软件的集成【2 卯。目前，独立运行的注射成型过程模拟软件有澳 大利亚M o l d f l o w 公司推出的M o l d n O W 软件、美国A CT e c h 公司推出的CF l o w 软件和国内的华中科技大学模具技术国家重点实验室推出的H SC A E 9 7 软件。 其中，M o l d f l o w 软件由于其预测效果的可靠性，受到了国内外的一致认可。C A E 技术的出现，为注塑模的设计提供了可靠保证，它的应用是模具设计史上的一 次重大变革。随着C A E 技术逐步应用到各种领域，现已成为塑料件开发设计中 薄弱环节的有效解决途径。随着经济的发展和社会的进步，中国汽车行业发展 迅速，作为汽车主要配件之一的外饰塑料件，对其要求也越来越高。为了获得 高质量高效益的塑料产品，优秀的塑料件设计、高水准的模具和优化的注射成 型工艺，这三个环节是缺一不可的。所以，为了满足汽车行业的要求，将C A E 技术应用到汽车塑料件行业中也显得尤为重要。 目前，国外很多学者已将C A E 技术与注射成型技术相结合，进行了大量深 入的研究，并取得了显著成果，研究重点主要集中在模具设计、工艺参数设置 和优化算法与C A E 结果相结合等方面。法国学者 2 6 - 2 7 1 通过对一个简单的长方体 零件进行实体网格划分，研究浇口位置、冷却系统对聚合物的热传导效率的影 响，得出浇口位置与最小壁厚方向平行时，塑料熔体完全固化所需的时间最少， 且在填充阶段由于热传递导致的固化也最小，同时浇口位置对顶出制件的温度 分布影响最大。马来西亚学者【冽采用反向传播的训练神经元网络模型预测注塑 4 武汉理工大学硕士学位论文 件在不同工艺参数和材料等级下的质量和尺寸稳定性，减少了训练和优化工艺 参数的时间。土耳其学者【2 9 】采用正交试验方法来减少薄壁件生产过程中由工艺 参数决定的收缩变化引起的翘曲问题，分别研究三水平正交试验L 2 7 和L 9 的信 噪比和方差来分析获得最优水平组合，并指出各个工艺参数的影响比重，并通 过一个验证实验验证了正交方法在改善工艺参数设置方面的有效性。葡萄牙学 者【3 0 】在2 0 0 8 年也对工艺参数在医用假体散臼杯的成型过程中的尺寸稳定性 的交互作用做了研究，得出了保压力是决定该零件尺寸稳定性( 与流动方向平 行和垂直两方向上的各向异性收缩) 和重量的首要因素，其次是注射速度。此 外，熔体温度和模具温度对尺寸稳定性和重量的影响都不明显，可视为不相关。 韩国学者【3 l 】研究了汽车接线盒在不同浇口位置时的熔体填充行为的不同，提出 了减少短射和过早失效等缺陷的设计准则，并通过实际试验验证了该准则的合 理性。伊朗学者【3 2 】以汽车通风格栅为例，采用了顺序单纯型算法研究工艺参数 ( 模具温度、熔体温度、保压力、切换压力、保压时间和冷却液初始温度) 对 翘曲和收缩这两种缺陷的影响，在综合考虑翘曲、收缩、零件质量、残余应力、 生产周期和最大体积温度的基础上得出了合理的工艺参数设置。 我国学者【3 3 3 7 】也在这些方面做了很多的研究，结合市场需求，针对不同的 塑料零件，不仅对浇口位置进行了分析和优化，还对浇口数量、尺寸等进行了 研究。台湾学者1 3 叼以电子词典的电池盖体作为分析模型，选择材料为P C + A B S ， 对薄壁件的浇口优化设计进行了三维仿真分析，并且指出侧面单点进浇方案对 于薄壁件更为可取。为了确定冷却系统参数对冷却时间及模壁温度的影响，优 化冷却系统设计和工艺条件，国内学者开展了大量的研究工作 3 9 - 4 0 。香港大学 的C L L i 4 l J 采用特征技术和C B R 推理、R B R 推理相结合的方法，进行注塑模冷 却系统的设计，其创新点在于将复杂形状的塑件分解为具有简单形状的特征， 通过实例推理或规则推理获得简单形状特征的冷却系统，并对简单形状特征的 冷却系统进行组合，生成完整的冷却系统。香港城市大学学者【4 2 】综合利用边界 元法( B E M ) ，灵敏度分析，以及一种混合D F P 和模拟退火( S A ) 的优化算法 来优化了冷却系统设计。华中科技大学的华都【4 3 】通过分析注塑模具各模板水孔 和水道及其相关结构件的关系，采用关联设计技术，简化了模板水孔的设计过 程，提高了冷却系统的设计精度和效率，保证了设计结果的一致性。在研究工 艺参数对塑件的成型质量的影响方面，我国学者在近年来也做大量的研究工作。 台湾学者m 郴】分别运用正交试验和统计学方法来减少薄壁塑料件在生产过程中 的翘曲波动，并运用试验规划法D O E 和M o l d f l o w 分析软件来确定最优的工艺 5 武汉理工大学硕士学位论文 参数设置。此外，他们还比较了统计学方法和D O E 方法上的差别，建立了受控 参数的回归模型和目标结果，得出熔体温度和保压力不论是对于模拟还是试验 结果都是影响最大的因素。大连理工大学学者删研究在微电子系统中具有极大 潜力的超薄壁塑件的成型特点，随着零件壁厚的变薄，注射成型工艺变得更加 困难和复杂。在正交试验和数值模拟的基础上，研究了含注射速度、注射压力、 熔体温度、注射量和零件厚度的成型参数对零件的成型过程的影响，并且得出 零件厚度是成型的决定性因素，注射量和注射速度是成型过程中的主要因素， 其次是模具温度和注射压力。郑州大学的申长雨团队【4 7 5 1 】在该方面也做了大量 的研究，对工艺参数对制件质量( 含翘曲、沉降、收缩等) 的影响进行了分析 和优化。华中科技大学的李德群团队【5 2 】不仅研究了注塑工艺参数对无定形材料 P S 和A B S 的平板型零件的残余应力和收缩的影响，还通过建立基于人工神经网 络的压力、温度模型以及优化工艺参数的目标函数，实现了基于人工神经网络 技术的注射成型工艺参数优化。台湾学者【5 3 】提出了一种新型的基于神经元网络 的注塑成型过程的质量预测系统，将一个自组织染色体与倒传递类神经元网络 相结合，分别对两种模型进行训练和测试数据，并通过试验验证该质量预测体 系的准确性。宁波大学的学者瞰】提出了一种能减少注塑件翘曲变形量的混合优 化方法，该方法将追踪模型方法和全局优化算法相结合( 遗传算法) 来搜寻最 优注塑成型工艺参数设置。 从以上分析可看出，注塑成型技术在实际应用中总体上比较成熟，但是仍 存在以下几方面问题：( 1 ) 大多数的研究对象都是简单且规则的小零件，对类似 于汽车内外饰塑料件这样的外形较大且结构复杂零件的研究较少；( 2 ) 目前对汽 车保险杠的研究大多集中在保险杠横梁的结构设计在低速碰撞过程中对路上行 人安全的影响，而对于汽车保险杠塑料件结构设计研究较少：( 3 ) 对于加强筋的 研究大多数集中在靠近侧壁的角肋型加强筋的研究，对汽车内外饰塑料件上的 加强筋的研究目前较少；( 4 ) 目前研究中几乎所有的保压方式都是一阶式的，与 实际生产中保压方式不相符。 1 2 3 评价系统的研究现状 M o l d f l o w 软件从版本3 0 开始就加入了A c t i v eX 自动化服务功能，是用户 可以使用支持A c t i v eX 技术的可视化编程工具，如V B 、V C 、J A V A 等对M P I 软件进行系统开发。用户利用开发工具可以直接对M P I 内部进行操作，很快设 6 武汉理工大学硕士学位论文 计出功能强大的应用程序【5 卯。刘军等人【5 每5 刀采用A c t i v eX 技术和可视化编程工 具V B 实现了对M P I 软件的二次开发，改进材料选择分析辅助决策系统，使其 具有对多种不同材料的案例进行连续的分析，并通过对不同的目标函数给予不 同的加权评价对分析结果进行排序，进而获得最佳的材料选择方案。贺华波等 人【诣】也采用了A c t i v eX 技术和可视化编程工具V B 实现了对M P I 软件的二次开 发，设计开发了一套材料选择辅助分析系统，该系统可以针对给定的材料( 不 限材料种类、数量) 进行自动、连续地分析，并采用用户可以给定加权数的加 权平均法对每一种材料的综合成型质量进行打分。严志云等人【5 9 枷】基于 M o l d f l o w 二次开发技术，开发出注射成型工艺方案优选分析器和熔接线综合预 测器，可以根据目标值对用户提出的多组工艺参数组合进行优选，并可以评估 最优工艺条件下的熔接线风险，还提高了效率，是工艺优化更具有针对性和实 用性。其中，熔接线风险系数如下列公式所示： F ：丝兰刍里兰刍里兰刍皇兰刍( 1 1 ) 岛+ + 吃+ 气 。 式中：彳为汇合角因数，曰为温度因数，C 为压力相对因数，D 为凝固因子相对 因数；岛为汇合角，P ，为温度，岛为压力，气为凝固因子。 李宏生等人【6 1 也1 为了有效利用注射成型C A E 分析结果、降低对分析人员的 知识水平的要求，提高对结果评价的准确性，对注射成型C A E 分析结果的评价 方法进行了系统的研究，提高了C A E 分析软件的易用性。评价方法的数学基础：一 1 、统计方法 注射成型C A E 分析结果大多以单元和阶段结果为主。M o l d f l o w 的分析结果 可以存为X M L 格式的文件，利用统计方法可以获得某个变量的最大最小值、平 均值和方差等，这些数值是评判工艺过程缺陷和制件质量缺陷的重要参数。 加权平均值的公式为： 叉：盟厶圣：厶益：孥( 1 2 ) Z + + + 厂 式中：石， 为各项考察指标的权重因子；五，五为各项考察 指标的值；N 为考察指标的数量。 方差计算公式： 口z 。薹竖二塑：( 1 - 3 ) N 式中：X 为平均值。 2 、模糊数学 鉴于工艺参数处于不同的范围具有不同的成型质量。利用模糊数学中的隶 7 武汉理工大学硕士学位论文 属函数6 3 1 可以表示工艺参数的可接受程度。如熔体前沿温度的隶属函数为： ( r ) = + 5 一r 5 岛 & & ，刚度比较依次为：局 为 局 岛 & & ，刚度比较依次为：硒 K 5 局 & 岛 岛 & ；刚 度比较依次为：局 局 局 h r ， q 、嗍、 闳分别为后保险杠零件的阻尼矩阵、质量矩阵和刚度矩阵。 x 、 x 、 X 分 别为后保险杠零件的振动加速度向量、速度向量和位移向量： 。 本文中主要考虑的是无外力作用时的模态分析，即 F ( f ) = 0 ，则方程( 2 - 3 ) 可以改写为： r 、r 、 o = M I X + 【c 】 x + 【K 】 x ( 2 - 4 ) 、J， 由于阻尼对自由振动状态下的固有频率和振型的影响较小，忽略阻尼对模态 的影响，阻尼矩阵 c - 3 = o ，上述方程( 2 - 4 ) 可简化为： ，1 o ) = M I X “K 】 x ( 2 - 5 ) J 对应的特征方程为： o = ( K 卜砰【 ，】) x ( 2 6 ) 其中：i = l ，2 ，3 ，n ：劬为系统第f 阶的固有频率。 对于一个振动系统，一般存在刀个固有频率和刀个主振型。每一对固有频率 和振型代表一个单自由度系统的自由振动，这种在自由振动状态下，结构所具 有的基本振动特性称为结构的模态【6 5 1 。多自由度系统的自由振动可以理解为多 个单自由度的简谐振动的叠加，也就是说多自由度系统振一般不是做某一固有 武汉理工大学硕士学位论文 频率的振动，而是做多个固有频率的简谐振动的叠加。这种线性组合的结构振 动，其低阶振型对结构的振动和模态性能影响较大。故而，本文中主要考虑后 保险杠零件在无外力作用下的前1 0 阶模态的固有频率和振型。 2 6 2 安装孔与周边的距离 孔间距、孔边距与孔径的关系如表2 - 9 所示。原则上，安装孔离外侧边越远 越安全，但是同时会增加周边的宽度和定位的可靠性。安装孔若离外侧边过近， 在螺栓和塑料零件相互作用过程中，由于塑料零件强度较小，就会导致零件出 现侧孔破裂的现象。对于强度较高的零件，可取较小值；若零件强度较小，则 应取较大值。 表2 - 9 孔间距、孔边距与孔径的关系 2 6 3 安装孔的布置与模态分析 模态分析是通过分析确定结构的自然频率、振型和振型参与系数的一种技 术，是所有动力学分析类型的最基础的内容。对于汽车外饰件，模态分析可以 用来避免共振或特定频率的振动，帮助零件设计者认识结构对不同类型动力载 荷的响应方式和其他动力分析中估算求解控制参数。保险杠模态分析主要是为 了分析安装点的布置是否合理，料厚是否均匀，零件本身安装点是否有异响。 在不改变零件其他部位造型的基础上，为了研究不同安装孔布置对结构模态 的影响，采用了四种常见的安装方式进行对比。四种安装方式如图2 2 4 所示： 安装孔布置方式一：安装孔的布置与遵循已有零件的设计。 安装孔布置方式二。在孔布置方式一的基础上，去除一组Y 向约束孔。 安装孔布置方式三：在孔布置方式一的基础上，去背面的一组螺栓安装孔。 安装孔布置方式四：在孔布置方式一的基础上，添加一组Z 向安装孔。 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) 安装孔布置方式一 安装孔布置方式二 豳7 了i = 舞 L 溺 1 霭翻K 。黧一。强 。 ，g 罗 f oI o 1k 缎 - 一 , - - - , - L - - H 一。- I J 一 ( c ) 安装孔布置方式三 ( d ) 安装孔布置方式四 图2 2 4 四种安装孔布置方式示意图 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1 0 为四种安装孔布局方案的1 0 阶固有频率模拟分析值，图2 2 5 为模 拟分析结果的线图。 表2 - 1 0 四种安装孔布局的固有频率( H z ) 图2 2 5 中的四种安装孔布局方式的模态分析结果可知，安装孔布局方式一 和布局方式四的低阶和高阶频率几乎相同，对于低阶时( 阶数 布局三 布局二；高阶时( 阶数4 ) ， 安装孔布局方式的高阶频率满足：布局一= 布局四 布局二 布局三。根据零件 的固有频率越高刚度越大的原则，安装孔布局一和布局四的刚度几乎相同，也 是四种孔布局方式中刚度最高的布局方式。 阶数 图2 2 5 四种安装孔布局的固有频率比较 武汉理工大学硕士学位论文 2 7 本章小结 本章借助于H y p e r m e s h9 0 软件，建立了