汽车前围盖板位于密闭机舱后部，具有防止泥污、雨水流入机舱，同时保证外部空气进入乘员舱，并盖住前流水槽的作用[1-2]。汽车前围盖板作为影响整车NVH的重要部件，其振动性能直接影响到驾乘舒适性，减振设计具有十分重要的意义[3-4]。成型过程产生的翘曲变形，不仅影响安装，同时影响其减振性能。当塑料前围盖板存在较大翘曲变形时，导致其与前风窗玻璃产生间隙，既无法满足紧固、密封等功能要求，又影响整车外观质量，并且会导致较大的振动噪声，长期下来影响工作性能的稳定性[5]。对金属方案的变形优化的研究[6-7]已较为成熟，对于塑料方案，主要采用仿真模拟技术指导模具设计及工艺参数的优化[8-9]。对注塑工艺参数进行优化通常采用正交试验法[10]，并结合极差分析、方差分析得出最优的工艺参数组合[11]。本实验以一款长玻纤增强PP材料的汽车前围盖板为研究对象，基于仿真模拟技术模拟其注塑成型过程，并对其翘曲变形进行分析，得到导致翘曲变形的主要因素。分析不同进胶方案下的翘曲变形量，得到翘曲变形量相对较小的进胶方案。采用正交试验法探究影响最大翘曲变形量的各工艺参数的程度以及规律，得到最大翘曲变形量最小的最优工艺组合，并通过模流分析及试模验证可行性。1汽车前围盖板设计1.1结构方案图1为该汽车前围盖板的三维结构数模。从图1可以看出，前围盖板呈长条形板状对称，局部区域不对称。正面以平面结构为主，平面过渡区域布置少量加强筋，背面以网状交叉加强筋为主，起结构增强作用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F001图1汽车前围盖板的结构设计Fig.1Structure design of automobile front panel图2为产品壁厚分布。从图2可以看出，产品主要平面厚度较均匀，均为3.0 mm，利于稳定填充。位于产品中部的加强筋厚度较大，达到10.0 mm，起结构增强作用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F002图2汽车前围盖板的壁厚分布Fig.2Distribution of thickness of automobile front panel图3为该产品安装方式。从图3可以看出，通过边缘多个螺栓孔与周边零件进行连接和固定。左右两侧通过4个较大的螺栓孔与塔顶上端进行连接，通过上边缘8个小型螺栓孔安装固定在前围上板。此外，2个凸起结构的螺栓孔用于雨刮的局部支撑和固定。若产品存在较大的翘曲变形，不仅影响整体美观，且会导致与周边零件间难以安装固定或存在较大的间隙，在流动空气的长期作用下会松动甚至断裂失效。因而，需要对该产品的翘曲变形量进行探究并进行有效控制。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F003图3汽车前围盖板的安装方式Fig.3Installation of automobile front panel1.2材料参数由于该产品长期承受来自空气及塔顶的动态载荷，因而需要采用刚强度及疲劳特性较好的玻纤增强材料；此外，考虑轻量化及低成本，采用40%长玻纤增强PP进行注塑成型，表1为材料注塑成型推荐工艺。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T001表1材料参数Tab.1Material parameters项目数值顶出温度/℃116模具温度/℃30~80模具表面温度/℃55熔体温度/℃230~260剪切速率最大值/s-178000剪切应力最大值/MPa0.28固体密度/（g·cm-3）1.24弹性模量E1/MPa7267弹性模量E2/MPa5351泊松比v120.41泊松比v230.44剪切模量E1/MPa1700图4为该材料的PVT曲线和黏度曲线。从图4可以看到，该材料在150 ℃以下，随着温度的增加体积比容几乎呈线性增加。150~180 ℃范围内，随着温度的上升，体积比容发生迅速增大，说明温度的提高使材料状态明显改变。黏度曲线表征材料在不同温度条件下剪切变稀的特性，对其在螺杆中的加热塑化以及模具中的快速填充过程起关键作用。该材料在较低剪切速率下不同温度黏度差别较大，且随剪切速率的增加，黏度降低的幅度较小；当剪切速率达到100 s-1以上，其黏度随剪切速率的增加明显下降，且不同温度下的黏度差异较小。图4PVT曲线及黏度曲线Fig.4PVT curves and viscosity curves10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F4a1（a）PVT曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F4a2（b）黏度曲线1.3进胶系统设计由于产品呈长条形，且长度尺寸较大，故采用三个针阀热流道浇口G0、G1和G2控制填充，图5为进胶系统。从图5可以看出，三个针阀浇口将产品等分为四段，使各段流长比基本相同，有利于产品填充平衡。考虑尽可能缩短成型周期及填充平衡，初始进胶方案采用三点同时开启。仿真模拟采用简化的流道系统模型，主要包括圆台型热胶口和圆柱形流道，热胶口直径尺寸为φ6~φ22 mm，圆柱形流道直径为φ22 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F005图5进胶系统Fig.5Injection system2注塑成型模拟2.1网格模型根据产品扁平状的结构特征，采用中性面网格类型进行网格划分。其中，单元总数为34 696，最大纵横比为5.1，最小纵横比为1.1，平均纵横比为2.0，网格质量满足工程计算的要求。图6为最终完成的汽车前围板的中性面网模型，从图6可以看出，网格尺寸分布较均匀，安装孔区域建立Washer并控制较高的单元质量，网格质量达到模流分析的要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F006图6网格模型Fig.6Mesh model2.2纤维取向模型玻纤分布对产品整体强度及翘曲变形具有较大影响[12]。Phelps等[13]开发各向异性旋转扩散模型（ARD），考虑纤维之间的相互作用。Moldflow软件对不同的网格类型及玻璃纤维长度，提供不同的纤维取向计算模型。对中性面网格类型及长纤维增强材料，采用RSC或ARD-RSC纤维取向计算模型[14]。软件根据“填充物属性”中的“初始长度”，确定纤维取向计算模型，并计算合适的Ci值。本实验所使用长玻纤增强材料的纤维长度为10 mm，故选择ARD-RSC纤维取向计算模型，应变闭合因子为0.05。2.3结果分析采用“填充+保压+翘曲”分析序列对该汽车前围盖板的注塑成型过程进行模拟。图7为产品所有效应下的总变形及不同因素下的翘曲变形。从图7可以看出，所有效应下的最大翘曲变形量为12.27 mm，收缩不均导致的最大翘曲变形量为12.10 mm，取向效应导致的最大翘曲变形量为6.41 mm，角效应导致的最大翘曲变形量为2.12 mm。其中，以收缩不均导致的最大翘曲变形量明显大于其他效应导致的最大翘曲变形量，且接近所有效应导致的最大翘曲变形量。此外，收缩不均导致的翘曲变形的分布趋势也与所有效应基本相同，均呈现两端翘曲较大、中部翘曲较小的趋势。综合分析，收缩不均是导致该产品发生较大翘曲变形的主要因素。因此，降低收缩不均产生的翘曲变形可以作为优化产品翘曲变形的有效手段。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F007图7不同因素影响下的翘曲变形结果Fig.7The results of warpage deformation under different factors2.4进胶方案优化三点同时进胶方案的翘曲变形量较大，且料流汇合处的熔接线对产品的整体强度影响较大。热流道针阀浇口可以通过控制阀芯的开启和关闭，调整料流的填充顺序，实现消除熔接线、控制翘曲变形。基于现有流道系统，通过针阀开启时间控制存在3种进胶方案：同时进胶（G0&G1&G2）；中间向两边顺序进胶（G0-G1&G2）；从一边到中间再到另一边的顺序进胶（G2-G0-G1）。对比分析三种进胶方案的翘曲变形，结果发现：中间向两边进胶的最大翘曲变形量相对最小。图8为此进胶方案不同效应下的翘曲变形结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F008图8翘曲变形结果Fig.8The results of warpage deformation从图8可以看到，所有效应下的最大翘曲变形量为7.97 mm，相比初始进胶方案降低4.3 mm，优化幅度显著。收缩不均产生的翘曲变形明显大于其他效应，收缩不均仍是引起产品翘曲变形的最主要因素。因此，为降低翘曲变形量，需要对产品注塑成型过程进行合理控制，即对注塑成型的工艺参数进行优化分析。3工艺参数优化材料收缩作为引起汽车前围盖板较大翘曲变形的最主要因素，主要取决于熔体温度、模具温度、保压时间、保压压力和冷却时间等。针对熔体温度(A)、模具温度(B)、保压压力(C)、保压时间(D)、冷却时间(E)五个主要参数进行正交试验，表2为L16(45)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T002表2L16(45)正交试验因素水平设计Tab.2Factor level design of L16(45) orthogonal test因素水平1234熔体温度（A）/℃235245255260模具温度（B）/℃45556575保压压力（C）/%60708090保压时间（D）/s681012冷却时间（E）/s15202530表3为L16(45)正交试验结果分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T003表3L16(45)正交试验结果Tab.3Orthogonal test results of L16(45)试验编号因素最大翘曲变形量/mmABCDE1144447.232122226.313111116.884414236.395212346.556331245.947133336.428324316.279313426.3010221436.0911342135.8612243216.0313234125.9314423146.2215432415.4116441325.33k16.716.536.066.226.15k26.156.226.036.175.97k36.095.936.244.916.22k45.846.116.466.266.49R0.870.610.421.340.52从表3可以看出，第16组参数组合的最大翘曲变形量最小，为5.33 mm。各因素的极差大小排序为：RDRARBRERC，故各因素对最大翘曲变形量的影响程度由大到小为：DABEC，即保压时间、熔体温度、模具温度、冷却时间及保压压力。图9为不同工艺参数下最大翘曲变形量与因素水平的关系曲线。图9因素水平与最大翘曲变形量Fig.9Maximum deformation vs factor level10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F9a1（a）熔体温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F9a2（b）模具温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F9a3（c）保压压力10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F9a4（d）保压时间10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F9a5（e）冷却时间从图9a可以看出，最大翘曲变形量随熔体温度的增加呈现逐渐降低的趋势，熔体温度为A4时最大翘曲变形量最小。从图9b可以看出，最大翘曲变形量随模具温度升高呈现先降低后增加，模具温度为B3时最大翘曲变形量最小。从图9c可以看出，最大翘曲变形量随保压压力的增加呈先降低后增加的趋势，保压压力为C2时最大翘曲变形量最小。从图9d可以看出，最大翘曲变形量随保压时间呈先降低后增加的趋势，保压时间为D3时最大翘曲变形量最小。从图9e可以看出，最大翘曲变形量随冷却时间呈现先降低后增加的趋势，冷却时间为E2时最大翘曲变形量最小。综合分析，可以得到理论最优工艺参数组合为A4B3C2D3E2，即熔体温度为260 ℃、模具温度为65 ℃、保压压力为70%、保压时间10 s、冷却时间20 s。理论最优工艺参数组合不在正交试验中，需进行重复实验，对正交表中16组工艺参数组合各进行一次重复仿真实验，并统计最大翘曲变形量。基于两次实验的最大翘曲变形量结果，进行误差分析及方差分析。表4为方差分析结果。从表4可以看出，各因素对于最大翘曲变形量的影响的显著性程度为：保压时间熔体温度模具温度冷却时间保压压力。这与极差分析的结果一致，验证极差分析的正确性。查阅F分布表得到：F0.05(3.16)=3.24，F0.01(3.16)=5.29。将各因素的F值与F0.05、F0.01对比发现：保压时间、熔体温度及模具温度对最大翘曲变形量具有极显著的影响；冷却时间及保压压力对最大翘曲变形量具有显著影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T004表4方差分析Tab.4Variance analysis离差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和F值A3.43031.14321.581B2.29730.76614.452C0.69530.2324.373D4.24531.41526.709E0.82230.2745.172误差2.543160.159总和14.032314验证分析通过CAE模拟分析验证方差分析的准确性，图10为翘曲变形结果。从图10可以看出，A4B3C2D3E2组合下收缩不均引起的最大翘曲变形量为6.41 mm，与初始工艺参数相比降低39.2%，说明工艺参数优化有效降低收缩不均效应导致的翘曲变形。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F010图10翘曲变形结果Fig.10The results of warpage deformation该工艺参数组合在实际产品注塑成型的合理性验证，主要考虑是否出现欠注、明显滞留、料流温差过大、熔接线、气穴等。图11为最优工艺参数下模拟结果，从图11a可以看出，充填等值线较为均匀，无明显密集区域，说明充填过程顺畅，无缺胶及明显的滞留现象。从图11b可以看出，最大流动前沿温度与最小流动前沿温度相差0.7 ℃，避免料流温度差异过大导致的温差线或光泽不均。从图11c和图11d可以看出，外观面上无气穴和熔接线，气穴和熔接线主要集中在产品边缘，产品强度及外观达标。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F011图11最优工艺参数下的模拟结果Fig.11Simulation results under optimal process parameters图12为试模工艺稳定后得到的试模样品。从图12可以看出，产品无缺胶、温差线等外观问题，翘曲变形量测试结果为合格。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F012图12试模样品Fig.12Sample of molding test5结论针对某40%长玻纤增强PP材料的汽车前围盖板，采用仿真模拟技术研究其注塑成型的翘曲变形，分析影响产品翘曲变形的主要因素，并对比不同进胶方案，得到最优的方案。设计正交试验，通过极差分析与方差分析对保压时间、熔体温度、模具温度、冷却时间及保压压力等因素对材料最大翘曲变形量的影响，得到最佳的工艺组合。（1）采用仿真技术模拟汽车前围盖板的注塑成型过程，并分析三点针阀热流道进胶系统，得出从中间向两边的进胶方案最优，最大翘曲变形量为7.97 mm。（2）通过正交试验得出最优工艺参数组合A4B3C2D3E2，该工艺参数下最大翘曲变形量为6.41 mm，相比初始工艺参数组合降低39.2%，验证工艺优化对翘曲变形的改善效果。（3）分析该优化工艺参数组合下的填充等值线、流动前沿温度、气穴和熔接线结果，结合实际试模情况，验证其实际生产的合理性。