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摘 要：通过Hypermesh OptiStuct和Moldex3D软件的联合仿真分析，以某汽车仪表台手套箱外板模具为例，建立有限元模型进行强度、刚度的分析。运用模流软件将模腔压力映射到有限元模型中，最大程度还原实际工况，保证了分析结果的科学性、准确性。并根据有限元分析结果判定模具的质量，对模具材质的选择及尺寸起到了指导作用。
关键词：汽车零件;注塑模具;仿真分析;强度;刚度
汽车注塑模具作为汽车内外饰零部件生产的母体，对零件成型制造具有重要作用和深刻意义。目前在汽车行业，计算机辅助工程（CAE）技术已广泛应用于汽车零部件制造及整车开发的各个环节，而汽车注塑模具设计在行业内还是过多依赖经验数值，难以准确量化模具的强度、刚度等性能来根据客户需求开展相应的模具设计，往往存在过设计或者欠设计的情况。本工作以某汽车仪表台手套箱外板模具作为研究对象，运用有限元软件Hypermesh OptiStruct和模流分析软件Moldex 3D，模拟注塑成型过程中模具型腔型芯的受力及变形情况，为注塑模具强度、刚度仿真分析提供一种科学有效的参考方法。
1概述注塑模具强度、刚度CAE分析的研究现状
模具的变形和结构刚强度问题对制件的质量和模具寿命有很大的影响[1] 。模具型腔、型芯尺寸过小，强度、刚度不足，会导致零部件产品注塑出来跑飞边、披锋，尺寸精度降低，严重影响产品零部件交付质量，同时模具型腔、型芯强度、刚度不足，注塑模具在大吨位注塑机台上或未到达预期寿命前即会出现模具开裂导致产品零部件无法正常生产制造的情况。模具型腔、型芯尺寸过大，强度、刚度过剩，则会大大增加模具材质成本、模具机加工成本及注射生产成本，不利于整车厂和零部件供应商的成本控制，导致汽车成本偏高，在市场上无有效竞争力。
目前，国内外许多研究人员利用CAE软件联合仿真，基于结构元素法及线弹性结构受力理论，对模具的强度、刚度进行了深入的研究。例如，吉林大学付春辉[2] 提出以Hypermesh为前处理软件建立模具的有限元模型，用Ansys求解及后处理来确定模具的应力、应变及位移情况。河南工业大学涂维青[3] 利用Ansys软件的Workbench模块二次开发出注塑模具刚强度分析系统以便于分析人员能方便快捷的进行分析。翟林、韩国泰等人[4] 在有限元软件Abaqus平台上，利用Moldflow工艺参数为依据，验证模具结构的可靠性。
2基于OptiStuct和Moldex3D软件的联合仿真分析
2.1注塑模具有限元模型的建立
以下分析基于某汽车仪表台手套箱外板模具，利用UG建模CAD软件在保留原模型实际受力部件的前提下，按原尺寸大小简化模型。将此简化模型导入前处理软件Hypermesh中，型腔、型芯及模架按模具钢材质，设定材料参数：型腔材质为SW318H模具钢，密度7.75*10^6g/mm3，弹性模量2.0*10^5MPa，泊松比0.3，屈服强度840MPa，抗拉强度1033Mpa;型芯材质为P20模具钢，密度7.75*10^6g/mm3，弹性模量2.0*10^5MPa，泊松比0.3，屈服强度1140MPa，抗拉强度1250Mpa;模架材质为45#模具钢，密度7.75*10^6g/mm3，弹性模量2.0*10^5MPa，泊松比0.3，屈服强度355MPa，抗拉强度650Mpa。利用前处理软件Hypermesh对简化模型进行划分网格，网格模型如图1所示。
2.2有限元模型边界条件处理
2.2.1 模流分析及模腔压力提取
熔胶通过进胶口进入模腔内，熔胶作用在前后模腔壁上的压力随时间、距离及温度的变化而变化。注塑成型过程中，根据力的相互作用，为保证制件的成型质量，熔胶作用在模腔壁上的压力即胀模力最大时，此时的模具锁模力也最大。通过模流CAE分析，可从锁模力随时间（t）变化的曲线可知，t为3.07s时，锁模力达到峰值343.61T，此时的模腔压力在[14.783MPa，24.418MPa]的区间内不均等分布，如图2所示。从模流软件FEA接口处将锁模力最大时的模腔压力场导出，以便后续将压力场映射到模具模腔上下表面施加胀模力载荷。
2.2.2 定义有限元模型边界约束及接触
在有限元软件中进行分析时，需将模型最大程度按实际工况进行还原。根据模具在注塑机上的固定方式，对模型型腔侧的底板施加固定约束，限制其六个方向的自由度。对模型型芯侧的底板保留出模运动方向的自由度，约束其他方向的自由度，同時模具型腔型芯及模架其他部件采用螺栓连接的位置均需定义螺栓连接约束，如图3所示。为了模拟实际力的传导，模型中所有实际受力接触面，封胶面、承压块面、支撑柱接触面均按静摩擦系数0.15、动摩擦系数0.1定义为摩擦接触。
2.2.3 模型载荷施加
为最大程度还原模具实际胀模力，将前面从模流软件中提取出来的压力场映射到模腔的上下表面，施加胀模力载荷，并依据所选机台（此处选择480T的注塑机台）在模型型芯侧底板底面施加最大锁模力载荷4.8*10^3KN，如图4所示。
2.3结果求解及分析
由Hypermesh OptiStruct软件模拟分析的结果可看出，型腔型芯的最大应力出现在封胶面周围，型腔最大应力约为373.5MPa，小于型腔材质SW318H的许用应力[δ]=420MPa;型芯最大应力约为258.6MPa，小于型芯材质P20的许用应力[δ]=570MPa，满足模具强度要求，且型芯强度有较多富余。型腔分型封胶面最大形变量为0.042mm，最小形变量为0.017mm;型芯分型封胶面最大形变量为0.041mm，最小形变量为0.016mm，相对位移形变量均在0.025mm以内，小于PP料的溢料值0.03mm，满足模具刚度要求，保证了制件的尺寸精度及注塑成型过程不产生溢料飞边。
3总结
通过以上研究，基于OptiStuct和Moldex3D软件的联合仿真分析，在注塑模具强度、刚度校核上，能够较为科学、全面的反映出注塑模具在注塑成型过程中的受力和变形情况[5]，对模具材质的选择及模具形状、尺寸的改进提供了科学可靠的理论依据[6]，同时也可以避免后续模具的过多修模、减少经济损失。
参考文献：
[1]. 耿铁， 涂维青，闫丽群，吕俊智.基于有限元分析软件的注塑模具刚度和强度分析[J].现代塑料加工应用，2013，25（4）：44-45.
[2].付春辉.车身模具强度刚度及疲劳性的有限元分析[D].吉林大学，2007.
[3].涂维青.基于ANSYS Workbench的注塑模具刚度强度分析系统开发[D].河南工业大学，2013.
[4].翟林，韩国泰，胡海朝，张建新.基于Moldflow与Abaqus的注射成型及模具结构联合仿真分析[J].中国塑料，2018，32（02）：128-133.
[5]. 耿铁， 涂维青，闫丽群，吕俊智.基于有限元分析软件的注塑模具刚度和强度分析[J].现代塑料加工应用，2013，25（4）：44-45.
[6].赵海霞，扈艳萍，鞠云鹏.手机外壳注塑模具刚强度分析[D].青岛科技大学，2015.
关键词：汽车零件;注塑模具;仿真分析;强度;刚度
汽车注塑模具作为汽车内外饰零部件生产的母体，对零件成型制造具有重要作用和深刻意义。目前在汽车行业，计算机辅助工程（CAE）技术已广泛应用于汽车零部件制造及整车开发的各个环节，而汽车注塑模具设计在行业内还是过多依赖经验数值，难以准确量化模具的强度、刚度等性能来根据客户需求开展相应的模具设计，往往存在过设计或者欠设计的情况。本工作以某汽车仪表台手套箱外板模具作为研究对象，运用有限元软件Hypermesh OptiStruct和模流分析软件Moldex 3D，模拟注塑成型过程中模具型腔型芯的受力及变形情况，为注塑模具强度、刚度仿真分析提供一种科学有效的参考方法。
1概述注塑模具强度、刚度CAE分析的研究现状
模具的变形和结构刚强度问题对制件的质量和模具寿命有很大的影响[1] 。模具型腔、型芯尺寸过小，强度、刚度不足，会导致零部件产品注塑出来跑飞边、披锋，尺寸精度降低，严重影响产品零部件交付质量，同时模具型腔、型芯强度、刚度不足，注塑模具在大吨位注塑机台上或未到达预期寿命前即会出现模具开裂导致产品零部件无法正常生产制造的情况。模具型腔、型芯尺寸过大，强度、刚度过剩，则会大大增加模具材质成本、模具机加工成本及注射生产成本，不利于整车厂和零部件供应商的成本控制，导致汽车成本偏高，在市场上无有效竞争力。
目前，国内外许多研究人员利用CAE软件联合仿真，基于结构元素法及线弹性结构受力理论，对模具的强度、刚度进行了深入的研究。例如，吉林大学付春辉[2] 提出以Hypermesh为前处理软件建立模具的有限元模型，用Ansys求解及后处理来确定模具的应力、应变及位移情况。河南工业大学涂维青[3] 利用Ansys软件的Workbench模块二次开发出注塑模具刚强度分析系统以便于分析人员能方便快捷的进行分析。翟林、韩国泰等人[4] 在有限元软件Abaqus平台上，利用Moldflow工艺参数为依据，验证模具结构的可靠性。
2基于OptiStuct和Moldex3D软件的联合仿真分析
2.1注塑模具有限元模型的建立
以下分析基于某汽车仪表台手套箱外板模具，利用UG建模CAD软件在保留原模型实际受力部件的前提下，按原尺寸大小简化模型。将此简化模型导入前处理软件Hypermesh中，型腔、型芯及模架按模具钢材质，设定材料参数：型腔材质为SW318H模具钢，密度7.75*10^6g/mm3，弹性模量2.0*10^5MPa，泊松比0.3，屈服强度840MPa，抗拉强度1033Mpa;型芯材质为P20模具钢，密度7.75*10^6g/mm3，弹性模量2.0*10^5MPa，泊松比0.3，屈服强度1140MPa，抗拉强度1250Mpa;模架材质为45#模具钢，密度7.75*10^6g/mm3，弹性模量2.0*10^5MPa，泊松比0.3，屈服强度355MPa，抗拉强度650Mpa。利用前处理软件Hypermesh对简化模型进行划分网格，网格模型如图1所示。
2.2有限元模型边界条件处理
2.2.1 模流分析及模腔压力提取
熔胶通过进胶口进入模腔内，熔胶作用在前后模腔壁上的压力随时间、距离及温度的变化而变化。注塑成型过程中，根据力的相互作用，为保证制件的成型质量，熔胶作用在模腔壁上的压力即胀模力最大时，此时的模具锁模力也最大。通过模流CAE分析，可从锁模力随时间（t）变化的曲线可知，t为3.07s时，锁模力达到峰值343.61T，此时的模腔压力在[14.783MPa，24.418MPa]的区间内不均等分布，如图2所示。从模流软件FEA接口处将锁模力最大时的模腔压力场导出，以便后续将压力场映射到模具模腔上下表面施加胀模力载荷。
2.2.2 定义有限元模型边界约束及接触
在有限元软件中进行分析时，需将模型最大程度按实际工况进行还原。根据模具在注塑机上的固定方式，对模型型腔侧的底板施加固定约束，限制其六个方向的自由度。对模型型芯侧的底板保留出模运动方向的自由度，约束其他方向的自由度，同時模具型腔型芯及模架其他部件采用螺栓连接的位置均需定义螺栓连接约束，如图3所示。为了模拟实际力的传导，模型中所有实际受力接触面，封胶面、承压块面、支撑柱接触面均按静摩擦系数0.15、动摩擦系数0.1定义为摩擦接触。
2.2.3 模型载荷施加
为最大程度还原模具实际胀模力，将前面从模流软件中提取出来的压力场映射到模腔的上下表面，施加胀模力载荷，并依据所选机台（此处选择480T的注塑机台）在模型型芯侧底板底面施加最大锁模力载荷4.8*10^3KN，如图4所示。
2.3结果求解及分析
由Hypermesh OptiStruct软件模拟分析的结果可看出，型腔型芯的最大应力出现在封胶面周围，型腔最大应力约为373.5MPa，小于型腔材质SW318H的许用应力[δ]=420MPa;型芯最大应力约为258.6MPa，小于型芯材质P20的许用应力[δ]=570MPa，满足模具强度要求，且型芯强度有较多富余。型腔分型封胶面最大形变量为0.042mm，最小形变量为0.017mm;型芯分型封胶面最大形变量为0.041mm，最小形变量为0.016mm，相对位移形变量均在0.025mm以内，小于PP料的溢料值0.03mm，满足模具刚度要求，保证了制件的尺寸精度及注塑成型过程不产生溢料飞边。
3总结
通过以上研究，基于OptiStuct和Moldex3D软件的联合仿真分析，在注塑模具强度、刚度校核上，能够较为科学、全面的反映出注塑模具在注塑成型过程中的受力和变形情况[5]，对模具材质的选择及模具形状、尺寸的改进提供了科学可靠的理论依据[6]，同时也可以避免后续模具的过多修模、减少经济损失。
参考文献：
[1]. 耿铁， 涂维青，闫丽群，吕俊智.基于有限元分析软件的注塑模具刚度和强度分析[J].现代塑料加工应用，2013，25（4）：44-45.
[2].付春辉.车身模具强度刚度及疲劳性的有限元分析[D].吉林大学，2007.
[3].涂维青.基于ANSYS Workbench的注塑模具刚度强度分析系统开发[D].河南工业大学，2013.
[4].翟林，韩国泰，胡海朝，张建新.基于Moldflow与Abaqus的注射成型及模具结构联合仿真分析[J].中国塑料，2018，32（02）：128-133.
[5]. 耿铁， 涂维青，闫丽群，吕俊智.基于有限元分析软件的注塑模具刚度和强度分析[J].现代塑料加工应用，2013，25（4）：44-45.
[6].赵海霞，扈艳萍，鞠云鹏.手机外壳注塑模具刚强度分析[D].青岛科技大学，2015.