黃關(guān)山1,朱金婷2*
（1.珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院新能源學(xué)院，廣東珠海519090；2.重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，重慶402247）
摘要：通過注塑成型工藝制得汽車引擎蓋，所用材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS），借助Moldflow軟件對(duì)其進(jìn)行模流分析，通過響應(yīng)面代理模型及遺傳算法研究成型過程中熔體溫度、模具溫度、保壓壓力以及保壓時(shí)間對(duì)制件缺陷的影響。結(jié)果表明：各因素對(duì)翹曲變形量的影響順序?yàn)椋罕簤毫?gt;熔體溫度>保壓時(shí)間>模具溫度。當(dāng)制件的保壓壓力為58MPa、保壓時(shí)間為20s、模具溫度為30℃、熔體溫度為230℃時(shí)，制件的翹曲變形量最小，優(yōu)化后制件翹曲變形量較未優(yōu)化前減小0.1886mm，整體質(zhì)量提升31.33%。通過遺傳算法計(jì)算，優(yōu)化后的預(yù)測(cè)值為0.40mm，與最終的模擬值相對(duì)誤差為3.2%，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。
關(guān)鍵詞：汽車引擎蓋；響應(yīng)面代理模型；遺傳算法；注塑成型；工藝優(yōu)化
隨著環(huán)保輕量化概念的不斷興起，汽車引擎蓋已經(jīng)由傳統(tǒng)的鋁制鋼制材料向塑料材料轉(zhuǎn)變[1]。目前，市面上已經(jīng)出現(xiàn)由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)材料制成的塑料引擎蓋。ABS具有沖擊強(qiáng)度好、耐磨性能優(yōu)良、熱學(xué)性能好、不受酸鹽影響等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電氣、紡織、汽車、飛機(jī)、輪船等制造工業(yè)及化工領(lǐng)域[2]。針對(duì)塑料制件在成型過程中存在的缺陷問題，很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。盧惠親等[3]研究汽車塑料內(nèi)飾件，結(jié)合正交試驗(yàn)法，獲取一組較佳的工藝組合，減小制件的變形量。劉杰等[4]對(duì)某車型的引擎蓋進(jìn)行模態(tài)分析及優(yōu)化，通過有限元分析提高整車的動(dòng)態(tài)感知水平。李沛等[5]通過逆向工程對(duì)汽車的引擎蓋內(nèi)板法向變形質(zhì)量進(jìn)行分析，對(duì)其三維模型進(jìn)行有限元分析，提升了制件的成型質(zhì)量。呂玥蒽等[6]基于輕量化的設(shè)計(jì)模式，在滿足各種性能的前提下，利用碳纖維材料得到輕量化的汽車引擎蓋。劉浩等[7]通過對(duì)汽車引擎蓋進(jìn)行模流分析得到兩澆口方案和三澆口方案的充填時(shí)間等參數(shù)，最終確定了合適的澆口位置。孫開顏等[8]對(duì)碳纖維汽車引擎蓋的切割加工工藝進(jìn)行探究，提升了制件的成型質(zhì)量，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。黃繼峰等[9]對(duì)汽車引擎蓋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，提出多階段聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，有效提升了引擎蓋的性能。李光霽等[10]對(duì)汽車引擎蓋進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化以及可靠性分析，對(duì)其輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。
本實(shí)驗(yàn)通過建立響應(yīng)面代理模型[11]，結(jié)合遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到減小制件成型變形量、改善制件成型質(zhì)量的目的。
1模擬仿真1.1建立模型
圖1為汽車引擎蓋板的三維模型以及二維模型。從圖1可以看出，其中制件的長(zhǎng)、寬、高分別為453、280、90mm。所用材料為ABS，由于其沖擊強(qiáng)度好、耐磨性能優(yōu)良、熱學(xué)性能好，因此被廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)飾部件[12]。
1.2網(wǎng)格劃分
利用UGNX三維軟件對(duì)其進(jìn)行建模，建立的模型通過Moldflow軟件進(jìn)行分析，首先對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分[13]。圖2為汽車引擎蓋網(wǎng)格網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格總單元數(shù)為40539，最大縱橫比為10.52，平均縱橫比為1.56，總體滿足模擬要求。
1.3初步模流分析
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在注塑成型過程中，熔體溫度稍高有利于制件成型，這是因?yàn)闇囟雀撸肿舆\(yùn)動(dòng)快，熔體的流動(dòng)性能好，但是溫度不能過高，溫度過高可能導(dǎo)致材料發(fā)生熱降解，溫度過低則可能導(dǎo)致熔體填充不足[14]。模具溫度過高會(huì)導(dǎo)致熔料粘在模具上，溫度過低會(huì)導(dǎo)致熔體填充不足[15]。保壓壓力以及保壓時(shí)間要適中，過高和過低都會(huì)影響制件的成型質(zhì)量[16]。表1為ABS生產(chǎn)工藝參數(shù)。
在模具溫度為50℃、保壓壓力為30MPa、保壓時(shí)間為20s、熔體溫度為250℃時(shí)，對(duì)汽車引擎蓋進(jìn)行初步模流分析，圖3為具體結(jié)果。
從圖3可以看出，汽車引擎蓋初步模擬結(jié)果最大翹曲變形量為0.6019mm，一般汽車引擎蓋翹曲變形量不大于0.5mm，初步模擬結(jié)果未滿足要求，因此需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。
2響應(yīng)面代理模型
響應(yīng)面代理模型是利用多項(xiàng)式函數(shù)擬合設(shè)計(jì)空間，通過回歸模型的選擇可擬合復(fù)雜的響應(yīng)關(guān)系，具有良好的魯棒性[17]。本研究通過軟件Isight建立響應(yīng)面代理模型，通過響應(yīng)面代理模型，可以替代CAE模擬分析，直接預(yù)測(cè)分析結(jié)果[18]。本研究變量為模具溫度(A)、熔體溫度(B)、保壓壓力(C)以及保壓時(shí)間(D)，引擎蓋的翹曲變形量(R)為研究對(duì)象，表2為具體因素水平。根據(jù)參數(shù)水平隨機(jī)抽取9組實(shí)驗(yàn)樣本，表3為響應(yīng)面代理模型預(yù)測(cè)結(jié)果。
一般通過可決系數(shù)來衡量響應(yīng)面代理模型的優(yōu)劣程度，可決系數(shù)越接近1，表明模型效果越好，當(dāng)可決系數(shù)小于0.9時(shí)，模型效果較差，不適合進(jìn)行后續(xù)分析[19]。本次模型可決系數(shù)為0.93，大于0.9。圖4為可決系數(shù)擬合曲線。
從圖4可以看出，響應(yīng)面代理模型的散點(diǎn)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)分布，這表明擬合效果較好，可以替代CAE分析，提高效率，為后續(xù)優(yōu)化節(jié)約時(shí)間。
3遺傳算法優(yōu)化
遺傳算法是目前應(yīng)用比較廣泛的一種算法[20]。本文通過遺傳算法對(duì)上述建立的響應(yīng)面代理模型進(jìn)行優(yōu)化，從而得到一組最優(yōu)解，降低制件生產(chǎn)過程中的翹曲變形量。
一般遺傳算法需要確定種群數(shù)[21]。本研究所取種群數(shù)為12，共設(shè)置100組，迭代次數(shù)為1200次。圖5為4個(gè)變量之間的相關(guān)性系數(shù)。正數(shù)表示該因素對(duì)結(jié)果呈現(xiàn)正相關(guān)，負(fù)數(shù)則表示負(fù)相關(guān)；相關(guān)性系數(shù)絕對(duì)值越大，表明影響效果越顯著[22]。
從圖5可以看出，除了熔體溫度與翹曲變形量呈正相關(guān)外，其余因素與翹曲變形量均呈負(fù)相關(guān)。各因素對(duì)翹曲變形量的影響順序?yàn)椋篊>B>D>A。
在迭代過程中，直到粒子達(dá)到收斂，此時(shí)的粒子即為最佳粒子，此時(shí)該粒子所在值的大小即為各個(gè)因素最終的最優(yōu)結(jié)果[23]。圖6為迭代過程粒子分布。
從圖6可以看出，當(dāng)?shù)?99次時(shí)，粒子達(dá)到收斂，該位置處的翹曲變形量最小，即為最終的優(yōu)化結(jié)果，表4為最終優(yōu)化結(jié)果。
根據(jù)上述結(jié)果以及實(shí)際生產(chǎn)過程，工藝參數(shù)均調(diào)整為整數(shù)，即保壓壓力為58MPa、保壓時(shí)間為20s、模具溫度為30℃以及熔體溫度為230℃時(shí)，制件的翹曲變形量最小，為0.40mm。
4模擬驗(yàn)證
當(dāng)保壓壓力為58MPa、保壓時(shí)間為20s、模具溫度為30℃以及熔體溫度為230℃時(shí)，通過Moldflow軟件對(duì)其進(jìn)行模流分析，圖7為具體的結(jié)果。
從圖7可以看出，制件的最大翹曲變形量為0.4133mm，小于0.5mm，滿足生產(chǎn)要求。優(yōu)化前制件的最大變形量為0.6019mm，兩者相差0.1886mm，整體質(zhì)量提升31.33%。通過遺傳算法優(yōu)化后的預(yù)測(cè)值為0.40mm，與最終的模擬值相對(duì)誤差為3.2%，滿足要求。
5結(jié)論
通過建立響應(yīng)面代理模型，能夠用來預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，替代CAE分析，提高實(shí)驗(yàn)效率。
結(jié)合遺傳算法對(duì)響應(yīng)面代理模型進(jìn)行優(yōu)化，各因素對(duì)翹曲變形量的影響順序?yàn)椋罕簤毫Γ救垠w溫度＞保壓時(shí)間＞模具溫度。
當(dāng)保壓壓力為58MPa、保壓時(shí)間為20s、模具溫度為30℃以及熔體溫度為230℃時(shí)，制件的翹曲變形量最小，優(yōu)化后較優(yōu)化前減小0.1886mm，整體質(zhì)量提升31.33%。通過遺傳算法優(yōu)化后的預(yù)測(cè)值為0.40mm，與最終的模擬值相對(duì)誤差為3.2%。該方法為后續(xù)注塑成型工藝提供一定的參考。
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