汽车前端框架作为汽车前端模块的主要支撑件，可以将众多的组件集于一体，包括前向照明系统、散热器和冷却风扇、空调冷凝器、格栅口加固板、吸撞缓冲区、保险杠系统、车前盖锁闭系统等[1-2]。随着汽车向轻量化和集成化方向的发展，前端框架设计越来越复杂并期望采用高比强度材料[3]。自大众高尔夫车型开始，塑料前端框架逐渐在其他不同车型上应用，并且其可靠性得到验证[4]。塑料前端框架的设计成为热门课题，研究的关键点在于满足各种力学工况、成型性能的要求并且质量尽可能小。为了在设计前期尽可能使前端框架设计满足各种要求，各种软件工具和数学方法也逐渐得到应用，包括拓扑优化设计方法、力学仿真模拟、模流分析、正交试验法及遗传算法等。综合考虑力学性能、成型性能及成本等，长玻纤增强聚丙烯材料在汽车前端框架中的应用较普遍[5]。长玻纤增强聚丙烯的基体材料具备较好的注塑成型性能，长玻璃纤维的填充补足了聚丙烯在强度、刚度、耐热、耐久性能方面的不足[6]。长玻纤增强聚丙烯不仅具备较好的力学及成型性能，且密度和成本也相对较低，使其在汽车结构件上的应用十分广泛，包括前端框架、仪表板骨架、电池托架、车门、发动机罩盖等[7-8]。然而，制件注塑成型后容易翘曲变形导致安装困难。目前，常用的解决手段是仿真模拟技术，即通过模流分析等对制件填充、保压及翘曲变形等过程进行模拟和结果预测，并评估方案可行性[9-12]。翘曲变形过大与流道系统、成型工艺参数等密切相关[13]。当流道系统方案固定时，对于工艺参数的优化分析，一般采用正交试验或遗传算法等手段[14-15]。本实验以某长玻纤增强聚丙烯材料的汽车前端框架为研究对象，采用仿真模拟手段对其注塑成型后的所有效应变形进行探究。以模腔表面温度、料筒温度、速度压力切换充填体积百分比和注射时间为研究变量设计正交试验，探究影响规律并寻找优化的工艺参数组合。1汽车前端框架设计与模拟1.1汽车前端框架设计图1为汽车前端框架的结构设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.019.F001图1汽车前端框架结构设计Fig.1Design of the front end frame从图1可以看出，汽车前端框架由上横梁、下横梁及左右侧梁构成，总体尺寸为1 017 mm×663 mm×204 mm。上横梁及左右侧梁上设置了几个安装孔，用于固定前端框架。左右侧梁及下横梁上也布置了用于安装冷却风扇的安装孔，起承载作用。注塑成型的汽车前端框架存在一定的翘曲变形，当左右侧梁及下横梁的翘曲变形量过大时，导致前端框架及冷却风扇无法正常安装，也降低前端框架整体结构的振动耐久性能。因此，对塑料材料制作的前端框架的最大所有效应变形量有明确要求。根据该汽车前端框架注塑成型模拟与实际试模样品测试结果的对标经验，得到该汽车前端框架对于最大所有效应变形量的设计指标：最大所有效应变形量不超过3.0 mm。图2为该汽车前端框架的厚度分布。从图2可以看出，厚度范围为2~10 mm。最大厚度位于上横梁锁扣区域附近，局部加厚是为了增强该汽车前端框架的锁扣安装强度，以提升引擎盖关闭时的稳定性。最小厚度位于下横梁侧壁面区域，由于下横梁基本不挂载重物，较小的厚度不仅降低了汽车前端框架整体质量，而且有效提升了下横梁的刚度及整体结构模态频率。主要壁面厚度及主要加强筋厚度均为3.0 mm，此厚度值兼顾了结构的刚强度和成型性能，统一的厚度分布利于塑料熔体填充的稳定性、均衡区域收缩。图2汽车前端框架厚度分布Fig.2Thickness distribution of the front end frame10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.019.F2a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.019.F2a21.2网格模型基于双层面网格类型对该AMT传感器进行网格划分。为了兼顾较好的计算精度及计算效率，一般要求：最大纵横比20、匹配百分比85%、相互百分比85%及网格总数100 000。经过单元质量修正后达到的网格模型诊断情况，基本单元长度为5 mm，网格总数为310 546，纵横比最大值为15.4，纵横比最小值为1.16，纵横比均值为1.88，匹配百分比为90.9%，相互百分比为91.3%，结果满足软件计算要求。图3为汽车前端框架的双面网模型。整体网格密度较均匀。模流分析试算结果显示为正常运行，验证了该网格模型的可用性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.019.F003图3汽车前端框架的网格模型Fig.3Mesh model of front end frame1.3材料参数该汽车前端框架注塑成型材料为40%长玻璃纤维填充的聚丙烯，以达到其力学性能及注塑成型性能的要求。表1为推荐的工艺参数。初始工艺参数采用推荐的工艺参数及软件默认工艺参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.019.T001表1推荐工艺参数Tab.1Recommended process parameters参数数值顶出温度/℃113转移温度/℃127模腔表面温度范围/℃20~60推荐模腔表面温度/℃40料桶温度范围/℃210~280推荐料筒温度/℃2451.4浇注系统设计由于产品尺寸及流长比较大，根据实际量产经验，采用9点热流道针阀浇口方案进行注塑成型填充控制，图4为汽车前端框架进胶方案设计。为保证上横梁锁扣区域强度，该区域不允许产生熔接线，下横梁对于强度要求不高，允许存在熔接线。最终的进胶顺序为：G5&G16&G1→G2&G4&G3&G15→G3&G14。热流道系统尺寸设计方案主要分为（1）圆形热浇口、（2）圆形变截面热流道、（3）圆形垂直热流道、（4）圆形横向热流道及圆形热主流道，对应截面尺寸分别为Φ6 mm、Φ22~Φ6 mm、Φ22 mm、Φ22 mm及Φ22~Φ8 mm。图4汽车前端框架进胶方案设计Fig.4Design of runner system of front end frame10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.019.F4a1（a）流道系统设计10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.019.F4a2（b）流道系统截面尺寸1.5初始工艺模拟分析采用初始工艺设置进行模拟仿真，图5为汽车前端框架所有效应变形结果。从图5可以看出，上横梁整体变形量较一致，基本在2.0 mm左右，达到预期要求。下横梁各部位的所有效应变形量差异较大，发生较明显扭曲。左右侧梁的所有效应变形量也较大，变形值在3.0 mm左右。该汽车前端框架最大所有效应变形量为3.465 mm，位于下横梁侧表面上。最大所有效应变形量超过3.0 mm，不满足设计指标要求，需要进行进一步的优化分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.019.F005图5汽车前端框架所有效应变形结果Fig.5All effect deformation results of automobile front frame2正交试验设计与工艺参数优化分析根据汽车前端框架实际量产经验，影响其所有效应变形量的主要工艺参数包含模腔表面温度(A)、料桶温度(B)、速度压力切换充填体积百分比(C)及注射时间(D)，以4个工艺参数作为自变量进行正交试验设计，并探究工艺参数的优化方案，4个工艺参数各取3个参数水平，进行四因素三水平的正交试验分析。表2为L9(34)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.019.T002表2L9（34）正交试验因素水平设计Tab.2L9（34）orthogonal test factor level design水平因素模腔表面温度（A）/℃料筒温度（B）/℃速度压力切换充填体积百分比（C）/%注射时间（D）/s120210974.6240245985.6360280996.6表3为L9(34)正交试验结果。从表3可以看出，最大所有效应变形量在2.958~3.678 mm范围内变化，最大所有效应变形量的最大值和最小值相差24.3%，意味着工艺参数组合对汽车前端框架最大所有效应变形量的影响较大，提供工艺参数组合的优选优化目标具备可行性。正交试验表中，第3、4、6和8组试验的最大所有效应变形量小于3.0 mm，满足设计指标的要求，第1、2、5、7和9组试验的最大所有效应变形量大于3.0 mm，不满足设计指标要求，证明本文正交试验设计较合理，可进行极差与方差分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.019.T003表3L9（34）正交试验结果Tab.3Results of L9（34） orthogonal test序号因素最大所有效应变形量/mmABCD111113.678212323.225313232.984421332.996522213.153623122.963731223.441832132.958933313.577k13.2963.3723.2003.469k23.0373.1123.1933.210k33.3253.1753.2662.979R0.2880.2600.0730.490分析对比各工艺参数的极差R，从大到小排序为：RDRARBRC。因此，注射时间对最大所有效应变形量的影响最大，速度压力切换充填体积百分比对最大所有效应变形量的影响最小。各工艺参数对最大所有效应变形量的影响程度从大到小依次为：注射时间模腔表面温度料桶温度速度压力切换充填体积百分比。图6为最大所有效应变形量随自变量水平变化。从图6可以看出，模腔表面温度(A)增大时，最大所有效应变形量先减小后增大，A2时获得最小值。料桶温度(B)增大时，最大所有效应变形量先减小后增大，B2时获得最小值。速度压力切换充填体积百分比(C)增大时，最大所有效应变形量先减小后增大，C2时获得最小值。注射时间(D)增大时，最大所有效应变形量逐渐减小，D3时获得最小值。因此，工艺参数组合为A2B2C2D3时，该汽车前端框架的最大所有效应变形量可取得最小值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.019.F006图6最大所有效应变形量随因素水平变化Fig.6Maximum deformation of all effects vs factor level对正交试验进行了一次重复实验并进行方差分析。误差的平均偏差平方和相比各工艺参数的平均偏差平方和较小，说明本文正交试验的误差较小，可以进行方差分析。表4为最大所有效应变形量方差分析。将各离差来源的F值与F0.01和F0.05大小进行比较，F值F0.01表示影响程度为极显著，F0.05F值F0.01表示影响程度为显著，F值F0.05的表示影响程度为不显著。从表4可以看出，注射时间(D)对该汽车前端框架的最大所有效应变形量的影响程度为极显著；模腔表面温度(A)及料桶温度(B)对该汽车前端框架的最大所有效应变形量的影响程度为显著；速度压力切换充填体积百分比(C)对该汽车前端框架的最大所有效应变形量的影响程度为不显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.019.T004表4最大所有效应变形量方差分析Tab.4Variance analysis of maximum deformation of all effects离差来源偏差平方和/×10-2自由度平均偏差平方和/×10-2F值FaA7.5323.765.917F0.01（2，9）=8.02F0.05（2，9）=4.26B5.5122.754.329C0.49120.2460.386D18.029.0114.171误差E5.7390.636总和37.3173优化工艺验证分析基于优化得到的工艺参数组合A2B2C2D3进行模拟仿真验证，图7为所有效应变形量结果。从图7可以看出，变形分布整体上与初始工艺分析类似，上横梁的所有效应变形量基本一致，整体形状得到保持；左右侧梁及下横梁的所有效应变形较大，产生了较大的形状弯曲或扭曲。最大所有效应变形量为2.949 0 mm3.0 mm，达到该前端框架的设计指标要求，且小于正交试验中的最小值，验证了本文优化方案的可行性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.019.F007图7优化工艺下汽车前端框架最大所有效应变形量Fig.7Maximum deformation of all effects of front end frame under optimized process combination通过仿真模拟验证优化工艺A2B2C2D3的注塑成型可行性，图8为得到相关充填结果。从图8a可以看出，充填等值线填满整个前端框架各区域且各部位分布基本均匀，说明料流在填充模具型腔的过程中速度稳定、不存在局部阻力过大的情况，实际注塑成型的产品出现缺胶和滞留缺陷的可能性较小。从图8b可以看出，根据填充过程的锁模力曲线，得到最大锁模力为846.4 t，因此实际注塑机台选型时，可选择吨位在1 000 t左右的注射机。从图8c和图8d可以看出，气穴及熔接线主要分布在该汽车前端框架的下横梁，由于下横梁涉及的力学性能工况很少且下横梁质量承载较小，故对于下横梁的强度要求不高，允许存在熔接线。上横梁基本不存在明显熔接线，强度得到保证，满足要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.019.F008图8优化工艺汽车前端框架模流分析结果Fig.8Mold flow analysis results of front end frame under optimized process combination采用优化工艺进行注塑，图9为汽车前端框架的试模样品。从图9可以看出，样品完整、无烧焦、银丝和气痕等严重外观不良问题。该汽车前端框架变形量测试结果为合格。故该优化工艺参数可应用于该汽车前端框架的注塑成型生产，本文优化方案及工艺参数得到合理性验证。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.11.019.F009图9汽车前端框架样品Fig.9Sample of front end frame4结论针对一40%长玻纤增强聚丙烯材料的汽车前端框架在注塑成型中所以效应变形量超标问题，设计正交试验探究模腔表面温度、料桶温度、速度压力切换充填体积百分、注射时间的影响规律并进行工艺参数组合优化。通过方差分析得到优化工艺参数组合为A2B2C2D3。基于优化工艺分析得到：最大所有效应变形量为2.949 0 mm3.0 mm，达到该前端框架的设计指标要求，且小于正交试验中的最小值，优化效果显著，最终得到注塑成型试模的验证。