联合仿真实战：如何通过纤维取向分析将汽车前端模块强度预测误差降至4%

摘要

本文以汽车前端模块为案例，基于Digimat实现Moldflow与Abaqus的联合仿真闭环。通过对比传统结构分析与联合仿真的实验结果，证明纤维取向数据可使结构强度预测误差从12%降至4%，为高精度仿真提供新范式。

a) Abaqus分析前处理：将产品的几何模型导入Abaqus结构分析的前处理软件或模块中，完成网格的划分、分析参数的输入、边界条件的设置等。其中网格的划分包括结构分析的四边形中性面网格及模流分析的三角形中性面网格。导出Abaqus软件输入Inp文件（包含网格、参数设置、边界条件等信息）及三角形网格Pat文件。

b) Moldflow模流分析：将划分完成的三角形网格模型Pat文件导入Moldflow中，选择材料，建立浇注系统、冷却系统，设置工艺参数后完成模流分析。选择分析结果中的纤维取向，导出xml纤维取向结果文件。

c) Digimat-Map网格映射：导入Inp文件、Pat文件及xml纤维取向文件至Digimat-Map中完成结构分析网格与模流分析网格的映射，将纤维取向结果映射到结构分析网格中得到Dof纤维取向文件。

d) Abaqus结构分析：将Inp文件、Dof纤维取向结果文件及事先准备的材料参数Daf文件导入到Abaqus中，最终完成分析得到联合仿真分析结果。由于导入了纤维取向Dof文件，分析过程中将考虑注塑成型过程产生的纤维取向，分析结果更加合理、准确。

1.2 Abaqus分析前处理

将产品的几何模型导入到Abaqus的前处理模块或软件中完成网格的划分及相关参数的设置。如图2所示为前端模块用于结构分析的四边形网格模型，模型总单元数为221178，网格的不同颜色代表产品个区域不同的厚度。分析设置的工况如图3所示，前端模块下两端点固定，在上端中心位置向图示负Z方向施加20N的力。

用于结构分析的四边形网格模型用于结构分析的四边形网格模型如图4所示为用于模流分析的三角形中性面网格模型，模型单元数为109000，网格不同的颜色代表产品各个区域不同的厚度。如图4所示为用于模流分析的三角形中性面网格模型，模型单元数为109000，网格不同的颜色代表产品各个区域不同的厚度。

如图4所示为用于模流分析的三角形中性面网格模型，模型单元数为109000，网格不同的颜色代表产品各个区域不同的厚度。

1.3 Moldflow模流分析

本文模流分析的主要流程为：网格的导入、材料的选择、浇注系统的建立、分析序列的选择、工艺参数的设置及纤维取向结果的导出。

网格的导入：将Abaqus前处理得到的三角形中性面Pat网格文件导入到Moldflow中，检查网格质量是否满足模流分析要求，网格厚度是否与产品厚度一致。

材料的选择：前端模块采用的材料为SABIC公司的PP+30%GF，牌号为STAMAX 30YM240。如图5、6所示分别为材料的粘度曲线及PVT曲线。由于加入玻纤，材料的粘度较纯PP有所下降。

浇注系统的建立：如图7所示为建立的浇注系统，红色表示全部为热流道系统，六个热浇口同时打开。

分析序列的选择：选择分析序列为填充+保压+翘曲，可得到熔体填充时间、纤维取向、熔接线、产品翘曲等结果。其中纤维取向结果可作为Abaqus结构分析的输入条件。

工艺参数的设置：根据材料性能设置初始工艺参数，其中熔体温度为250℃，模具温度为50℃，填充时间2.5s，按填充体积99%开始保压，V/P转化点压力80%保压20s。

纤维取向结果的导出：根据分析需要得到不同厚度层的纤维取向结果如图8所示。图中名义厚度表示所研究厚度层在整体厚度方向上的比例。将产品的中心层设为名义厚度0，上下两个表面层名义厚度分别为1和-1，由中心层到表面层的研究层，则根据研究层与中心层的距离与中心层与表面层距离的比值作为研究层的名义厚度。名义厚度越接近1或-1说明该层越接近产品表面，名义厚度越接近0则说明该层越接近中心。本文根据纤维在产品厚度方向上不同的取向特点分别列出名义厚度为0、 0.577、0.88、1的厚度层研究纤维取向结果。由图中可以看出，名义厚度为0时，研究层处于产品厚度的中心，熔体流动速率最大，剪切作用最小，纤维取向不明显，但由于熔体发散流动在垂直流动方向上存在较明显的作用力，该层纤维较易沿流动垂直方向取向。名义厚度为0.577时，剪切作用小，取向不明显。名义厚度为0.88时候，研究层接近表面，剪切速率最大，取向最明显。名义厚度为1时，研究层为产品表面，熔体最先冻结，剪切速率最小，取向最不明显。

通过Moldflow的结果导出系统可将不同名义厚度上的纤维取向结果以xml格式文件导出，供后期联合仿真使用。

1.4 Digimat-Map网格映射

本文采用的联合仿真中间软件为Digimat，完成网格的映射需要在软件的Map模块进行。将Abaqus的网格模型、Moldflow的网格文件及Moldflow的纤维取向结果文件分别导入到Digimat-Map中，调整网格模型的大小及位置使得两网格完全重叠，通过两网格的位置关系将Moldflow的纤维取向结果映射到Abaqus网格上，最终生成Dof纤维取向结果文件。

1.5 Abaqus结构分析

网格映射完成后，将结构分析的Inp文件导入Abaqus中，由于在前处理过程中已经将工况输入Inp文件中，本次结构分析不再输入工况。使用Digimat插件进行材料输入，导入材料参数Daf文件及纤维取向结果Dof文件，根据上述两个文件的信息进行Abaqus结构分析最终得到联合仿真的分析结果，由于考虑到加工过程引起的纤维取向，分析结果将更加准确、合理。

传统结构分析

为了分析联合仿真结果的准确性，本文还进行了传统的结构分析。由于无法考虑纤维取向结果，本文采用纤维取向0°、45°、90°三个方向的均化值作为结构分析的初始条件，按照与联合仿真相同的工况得到单向材料结果。

实验测试

为了将仿真分析结果与实际情况相对比，本文进行了前端模块的实样测试。根据工况对注塑完成的前端模块进行测试得到与仿真分析对应的测试结果。

如图10所示为三种分析方法得到的力量-位移曲线。红色虚线为实际测试结果，蓝色实线为Digimat联合仿真结果，红色实线为传统的单向材料仿真结果。由图中可以看出，蓝色实线更加接近红色虚线说明联合仿真的结果根据接近实际结果。

取上述三条曲线的近似斜率可得到力量随位移的变化率，如表1所示。由表中可以看出，相对实测结果，传统的单向材料分析误差为12%，联合仿真的分析误差为4%，联合仿真的误差更小，分析结果根据准确、合理。

结 论

考虑纤维取向的联合仿真结果较实际测试结果误差为4%，单向材料输入的传统结构分析结果较实际测试误差为12%，联合仿真结果更加准确、合理。