有限元分析加快汽车零部件开发

随着智能出行产业不断向更复杂、更尖端的技术发展，零部件的开发方式也会随之进步。产业创新速度在加快，越来越多地要求整个供应链共同协作，实现高效、灵活的生产。

在工程协作中采用有限元分析（FEA）的优势非常大。通过分析，可以评估各种工程问题，包括结构力学、流体运动和硫化动力学等。这一强大的工具可以让我们更好地理解日益复杂的产品和生产工艺，同时在样品实物出现之前，更早地发现潜在的功能或生产方面的问题。

在关键的弹性体组件开发中，采用高级仿真的最终目的是促进产品设计和模具布置的系统优化，大大降低样品制作和物理测试的成本，从而加快创新产品的设计和推向市场的速度，提高成本效益。我们不仅可以对产品性能和功能进行设计、可视化和优化，还可以对制造工艺应用同样的技术，实现完全虚拟的产品和工艺开发，敏捷应对未来的挑战。在本文中，我们将探讨在实施高级仿真技术的情况下，能够促成最佳结果的重要事项。

高级测试和建模技术——了解复杂材料的基础

弹性化合物的特点非常复杂，需要高级建模技术才能通过数学方法量化和表征。通过数据分析、调整以及与所测属性的参数化数学模型比较，可以实现材料模型本身参数的测量。这不仅有利于推导出先进数值模拟的输入参数，也有利于量化材料特点，从而方便最终的系统决策。

例如，通过模型可以将应力映射成结构力学中应变、时间或频率的函数，将粘度映射成虚拟成型中温度和切变率的函数。它们是真实材料的一种数学或数字表示形式，为促成特定化合物的系统优化提供基础，并针对并不同应用而量身定制。

测试和建模领域的创新持续不断，这是提高数值模拟质量和定量解释模拟结果的关键。这些结果将影响后续的开发过程（即结构力学和虚拟成型），因此需要尽可能高的精度。

对于移动出行领域的总成供应商来说，最好能在早期就与零部件供应商对接以尽早进行此类测试，同时还能促成对现有应用的规范和表征，而不是仅仅是确认对弹性体零件的要求。其目的是对聚合物在整个生产过程中及后续的表现建立起完整的模拟。

测试方面的例子包括：
非线性超弹性机械响应
● 通过光学应变测量，获取各种变形模式的高质量准静态应力应变数据。
● 通过定制的优化算法，用先进材料模型对弹性体化合物的准静态非线性超弹性力学响应进行建模。
粘弹性材料响应
● 在一系列不同的温度下，针对各种变形模式，测量橡胶材料在频率和时间方面的粘弹性表现。
● 通过定制的优化算法，用一流材料模型对阻尼和时间相关表现进行建模。
流变学和硫化动力学
● 测试弹性体化合物的流变特点和硫化动力学并进行建模，推导出经过优化的硫化条件。图 1 展示了此类测试的一个示例。

结构力学分析——产品开发的基础

结构力学分析的目的是确定负荷（如力或压力）对物理结构及其组件的影响，运用连续力学、材料科学和应用数学领域的知识，计算结构的变形、内力、应力、支撑反应、加速度和稳定性。分析结果用于验证结构的适用性，其目的是避免物理测试，并通过调整设计或材料来达到所需的性能目标。

我们还可以进一步研究热负荷的作用及其对功能的影响，将热分析与结构分析相结合。因此，无论是设计新产品还是优化现有的机械系统，结构力学分析都是产品开发的基础。在产品开发和工程中的使用这种计算方法，可以使过程变得非常敏捷，有利于从根本上理解结构与特性的关系。

协同工程的优势很明显。例如，只有当密封组件与其安装空间完美匹配时，密封系统才能实现最佳功能。成功的协同工程项目需要在开发早期就进行合作，彼时整个系统仍有足够的设计自由度，可以同时优化密封组件和安装空间。对于所有的应用，最好的做法是策划一个与设计密不可分的解决方案，而不是策划一个解决方案来适应设计。

特别是当客户希望开辟新的应用领域时，企业需要重新评估所有组件的设计和性能。通常，新应用领域意味着不同的荷载条件，比如温度更高、压力更高或流体不同。在这种情况下，我们就需要明确现有产品在新的边界条件下是否还能正常发挥作用，以及确定其顺利运行的极限。

另一个经常谈论的话题是对密封组件安装的担忧。结构-力学仿真可以详细分析安装过程，并可通过设计调整变形、所产生的安装力和主要的接触压力。如此不仅能确保产品的可靠性和安全性，还能使产品更方便地安装在客户的组装流水线上。

虚拟成型——提高生产的鲁棒性和效率

通过仿真，专家们可对整个成型过程进行多周期研究，可以重现模具、零件、浇注系统、温度控制系统和镶嵌件的每个细节。逼真的工艺模拟不仅包括灌注、填料和凝固阶段，还包括周期之间的处理时间（打开模具并弹出部件或者放置镶嵌件所需的时间，以及模具关闭时间）。

虚拟过程与现实过程一样，要在实际生产前通过多个成型周期。虚拟过程须将模具稳定直到可以重现周期之间的热条件，这样可以更好地了解材料与模具在传热过程中的复杂相互作用，比如熔融弹性体的固化和粘度变化。过去，在考虑进入量产之前，一个零件经过五到六轮的修正并不罕见。现在，模拟专家一般可以将这个数量减少一半至两到三轮。

结语

改善组件机械特性的一种常用方法是在热塑性聚合物中加入纤维。由于注入过程中的剪切应力，纤维的局部取向与流型相关，形成纤维取向的三维分布与局部各向异性的组件材料特性。根据局部纤维取向，虚拟成型利用合适的微观力学模型来确定注塑件的局部热力学特性。

我们不仅可以将这一信息用于预测收缩和翘曲，还可以将结果映射到用于结构力学分析的FEA模型。当工艺和结构模拟的结合，就可以计算出真实的各向异性组件特性。如此可以提高分析的准确性，避免过度测量，减少材料消耗。

本质上，经过优化的部件的几何形状决定了模具型腔的几何形状。根据部件的工艺和尺寸，利用虚拟成型作为优化工具，可以设计出完整的模具。浇注和浇注系统、注入点以及工艺参数（如注入压力和模具温度），都可以随生产条件一起确定，确保最大的工艺效率。汽车生产对成本非常敏感，需要利用效率最高的工艺来实现成本目标，因此这一点至关重要。

在一个零部件复杂度不断提高的行业中，量产前优化和最小化成本的能力和工艺也必须不断提高。采用高级数字仿真技术的 FEA 方法可以消除产品开发方面多个层次的物理相互作用，从而精简和优化工艺，使制造商在不影响质量的前提下提升部件进入市场的速度和成本效益。

作者：施培文, 德特威勒亚洲区业务开发经理。毕业于车辆工程专业，从事汽车行业15年，专注于橡胶密封产品应用和开发。

联系方式：+86 510 85310500 /mobility@datwyler.com/

来源：荣格-《国际汽车设计与制造》


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