1绪论
1.1研究背景和意义
随着科技的进步和生产技术的快速发展，工程塑料因其优良性能被广泛地应用于电子电器、汽车、家电、机械设备等诸多行业。而随着塑料在汽车工业的广泛应用，汽车塑料化己成为衡量汽车工业发展水平的重要标志。有资料显示：发达国家的塑料在汽车上的用量从20世纪70年代的50?60kg/辆到21世纪初已发展到100~120kg/辆，且增长还在继续。同时塑料制汽车部件己由汽车内饰件扩展到车身、外装件和功能结构件。据媒体披露，英国于2007年11月推出了全塑轿车。"以塑代钢"、"以塑代木"已成为当今世界发展的趋势。汽车工业的快速发展，使得工艺设计水平愈来愈制约其发展速度，如何提高汽车零件的制造水平和成型工艺水平己迫在眉睫。CAE技术在汽车领域中的应用，可使制品和模具在设计阶段通过计算机对成型过程进行模拟，提前发现潜在的问题并有针对性地进行改进和完善，为企业带来经济效益，对汽车工业的制造加工有着重要的意义。
1.2汽车零部件在国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
Seong Sik Cheon、 Jin Ho Choi等对汽车保险杠的材料选择进行分析，指出采用复合材料有显著优势，文中塑件的材料选用玻璃纤维环氧复合物。通过分析表明复合材料的性能明显优于其他材料，为汽车的轻量化做出了努力。C.KJung. L.S.Ba等对汽车保险杠的表面质量进行了研究。通过对汽车保险杠选用的材料表面进行处理，提高了塑件材料的表面质量，并对其验证。C.K. Au在假设流动速率与塑件壁厚成比例的基础上，利用几何方法研究了边界层流动问题，利用该几何法给出填充模式一个近似解，使塑件得到较好的充填。并通过对汽车仪表板塑件的充填验证了该方法的其可行性。尽管它的研究环境是在注塑成型中，但这种方法同样可应用于其他领域。Yung-Kang Shen等[5]针对注塑成型中加工条件和设计参数缺少参照问题，通过对薄壁产品的注塑过程中的绕口位置数值计算，利用对电子词典的电池盖的注塑加工验证了塑件得到了较好的充填。Hasan Oktem等[6]运用田口方法调整工艺参数，对薄壳产品成型中由收缩不均勾引起的翘曲变形进行优化。通过多组Moldflow分析出的数据进行正交实验，找出影响翘曲和收缩的工艺参数，并进一步找出薄壁塑件成型中的最佳工艺参数，使产品翘曲和收缩提高了 2.17%和0.7%,验证了通过田口方法对翘曲问题优化是非常有用的工具。.T.GKovacs, B. Sikl6[7]对熔接线形成原因进行分析并通过修改有限元网格优化熔接线。熔接线的数值计算结果要与实验结果对比，通过不同流动长度测量熔接线角度，比较三种不同网格下的熔接线角度对其进行优化。由上述文献可看出，国外对汽车塑料零部件的研究主要集中在原材料使用性能及注塑成型过程中的理论研究，为汽车轻量化做出了努力及对注塑成型过程中的理论研究做出了 一定的贡献。
1.2.2国内研究现状
刘晓艺[8]利用Moldflow软件对汽车储物盒的上下盖进行充填、流动、冷却及翘曲模拟分析，通过分析结果对浇注系统进行了设计优化，据此指导塑件在实际中的加工生产。王茂军[9]应用Moldflow对注塑件轿车B柱下护板成型过程进行仿真模拟，结合产品自身的特点设计出了四套绕注系统的方案，通过流动分析预测熔融的塑料在型腔内的流动充填情况得出最佳的浇注系统，并在此基础上对模具表面温度设定几组不同的温度值得出最佳的模具表面温度和最佳的熔体温度，从而找出最佳的注塑压力和保压压力。该文利用Moldflow软件优化得到了最佳的绕注系统、模具表面温度(25°C)、熔体温度(2251：)、注塑压力(61.26MPa)和保压压力(49.01Mpa)，并将得到的最佳工艺参数应用到实际的注塑工艺中。
2模流分析理论基础及汽车仪表板前处理
2. 1注塑过程模流分析理论基础
塑料熔体的充填过程是一个粘弹性、非稳态、非等温不可压缩流动与传热的复杂过程。熔体的流动满足连续性方程、动量定理及能量守恒方程，但对其流动做精确描述比较困难，故在实际应用中，需对粘性流体力学的基本方程做适当的假设。
(1)聚合物熔体可表示为广义牛顿流体，熔体在型腔中的流动可视为广义Hele-Shaw流动，因此熔体的注塑过程中的流动可视为扩展层流。于是z向的速度分量可忽略(w=0)，且认为压力不沿Z向变化，即1^ = 0 。
(2)在注塑流动过程中，可认为熔体是不可压縮的，g1]Vp = 0。并假设前沿位置在厚度方向不变。
(3)熔体厚度方向的流速分量可忽略不计，且压力不沿厚度方向变化。
(4)由于熔体粘度大，故忽略正应力，仅考虑剪切应力。此外还可忽略熔体的弹性效应。
(5)在熔体流动方向上，相对于热对流而言，热传导很小，（佩克莱特数Pe>102)，可忽略不计。此外熔体中不含热源，即q=0。
(6)熔体在注塑阶段的温度变化很小，其定容比热容和热导率视为常数。
(7)忽略熔体前沿附近的喷气式流动影响。
3 浇注系统设计及优化............................ 20-31
3.1 注塑模浇注系统组成............................ 20-22
3.1.1 主流道............................ 20-21
3.1.2 分流道............................ 21
3.1.3 浇口 ............................ 21-22
3.2 浇口位置及数量确定............................ 22-24
3.3 浇注系统设计及优化............................ 24-29
3.3.1 主流道管径计算............................ 24-25
3.3.2 分流道管径计算 ............................ 25
3.3.3 点浇口管径计算 ............................ 25-26
3.3.4 分析结果比较............................ 26-29
3.4 本章小结............................ 29-31
4 冷却系统设计及优化............................ 31-38
4.1 冷却分析简介 ............................ 31
4.2 冷却分析作用 ............................ 31-32
4.3 冷却系统设计原则............................ 32
4.4 冷却管道设计计算............................ 32-33
4.5 冷却系统设计及优化 ............................ 33-37
4.5.1 冷却系统设计............................ 34-35
4.5.2 改进前后冷却结果............................ 35-37
4.6 本章小结 ............................ 37-38
5 翘曲变形优化............................ 38-43
5.1 塑件翘曲变形原因............................ 38-39
5.2 翘曲变形模拟目的............................ 39
5.3 翘曲结果分析及优化............................ 39-42
5.3.1 翘曲分析............................ 39-40
5.3.2 翘曲优化............................ 40-42
5.4 本章小结 ............................ 42-43
结论
随着CAE技术在注塑行业的应用，通过模流软件的分析结果，可直观地发现塑件在成型后可能出现的缺陷，并有针对性地提出改进方案或修改设计参数，从而避免在实际生产中进行反复的试模，降低了制造成本，缩短了模具的开发周期，提高了产品质量。因此结合CAE技术是今后模具设计发展的必然趋势。
本文以某款汽车塑料仪表板为研究对象，以Pro/E软件为工具进行三维建模，通过总结CAE技术在国内外汽车零部件注塑成型过程中的研究现状，运用CAE模拟分析软件Moldflow,并结合聚合物流变学和传热学对模具浇注系统及冷却系统进行设计计算，根据模拟结果有针对性地调整设计方案，最终提高了产品质量及生产效率。本论文的研究可得出如下结论：
(1)运用MoldFlow软件对注塑模具浇口位置初步分析找到最佳浇口位置。利用流动分析对浇口位置及数量进行优化分析，最终确定最佳的浇口位置及最佳浇口数量。
(2)根据聚合物流变学理论基础，对汽车仪表板制件的浇注系统中的主流道、分流道和浇口管径进行设计计算，通过模拟分析结果发现熔接痕是该设计中出现的最大缺陷，通过改变浇口类型对其改进优化。通过对改进后的浇注系统模拟分析，有效减少了熔接线的长度和数量，并使体积收缩提高了 0.03%。
(3)结合传热学理论，对制件的冷却系统中冷却管道管径进行计算，并结合制件结构特点进行管道布置，运用冷却分析模块对初步设计的冷却系统进行模拟分析，通过分析结果对冷却系统进行了合理的优化设计，优化后使得塑件改进前后的冷却时间从13.34s降低到12.90s，冷却效率提高了 3.3%;使开模时间从4.279s提前到4.150s,提前了开模时间，縮短了冷却周期，提高了生产效率。
(4)通过翘曲分析模块，对汽车仪表板成型后的翘曲结果进行了模拟分析，结合分析结果找出收縮不均匀是造成制件产生翘曲变形的主要原因，通过改变保压曲线使得制件总翘曲变形量由优化前的0.4926mm降低到0.418mm，减少了 15.1%。大大降低了制品成型后的翘曲变形量。