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前言
短纖維增強樹脂基復(fù)合材料由于具有高的強度、彈性模量、剛度以及抗蠕變性能好等優(yōu)點，近年來在汽車配件領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。MPI/Fiber 通過對短纖維增強樹脂基復(fù)合材料的填充和保壓過程進行模擬計算，能夠可靠地預(yù)測纖維趨向程度，從而為預(yù)測制件的力學(xué)性能及隨后的翹曲及應(yīng)力分布提供可靠的依據(jù)。
一、MPI/Fiber 簡介
纖維增強復(fù)合材料制件的許多性能與纖維趨向有關(guān)。MPI/Fiber 實際上是在常規(guī)流動分析即MPI/Flow 的基礎(chǔ)上，進一步預(yù)測制件中的纖維趨向。
目前，MPI 的填充材料數(shù)據(jù)庫包含了大部分常用的填充材料如玻璃纖維、碳纖維、石棉纖維、硼纖維、鋼纖維、合成材料纖維等，可用于絕大多數(shù)復(fù)合材料制件的分析。
MPI/Fiber 通過對纖維增強樹脂基復(fù)合材料填充和保壓過程的分析，不僅為我們提供常規(guī)流動分析的結(jié)果如填充時間、壓力、溫度、熔接痕、氣穴等，還可以提供與纖維增強有關(guān)的模擬結(jié)果，幫助我們進行工藝優(yōu)化。下面列出的是與纖維增強有關(guān)的模擬結(jié)果。
(1) 纖維平均趨向 纖維趨向是決定制件力學(xué)性能的主要因素，但是，影響纖維趨向的因素較多。MPI/Fiber 可以預(yù)測纖維在整個成型過程中纖維的運動及纖維在制件厚度方向的平均趨向。通過優(yōu)化填充形式和纖維趨向以減小收縮變形和制件的翹曲，并盡可能使纖維沿制件受力方向排列以提高制件的強度。
(2) 纖維趨向張量 注射成型結(jié)束時制件厚度方向不同位置的張量分布，是計算制件在成型過程中熱-機械性能和制件殘余壓力的重要依據(jù)。
(3) 制件的力學(xué)性能 注射成型結(jié)束時制件厚度方向不同位置的力學(xué)性能如彈性模量、剪切模量、泊松比。由于考慮了制件的實際成型條件對力學(xué)性能的影響，大大提高了制件翹曲分析及應(yīng)力分析的精度。
(4) 制件的熱膨脹系數(shù) 注射成型結(jié)束時制件厚度方向不同位置的縱向（流動方向）和橫向（垂直于流動方向）的熱膨脹系數(shù)。
二、MPI/Fiber 應(yīng)用實例
在運用CAE 軟件之前，我們的產(chǎn)品往往由于翹曲變形量過大而不得不多次修模。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，我們引進MOLDFLOW 軟件中的 FLOW/COOL/WARP/FIBER 模塊進行分析，通過對塑件成型過程進行模擬計算，著重是預(yù)測纖維取向?qū)χ萍N曲變形的影響，并驗證優(yōu)化方案的合理性， 從而幫助我們確定合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、澆口位置及數(shù)量、流道排布及工藝參數(shù)設(shè)定，大大降低了產(chǎn)品的試模次數(shù)。以下就是我們利用MOLDFLOW 軟件進行分析的一個實際案例。
2.1 建模
在UG 中建立制件實體模型，通過STP 文件格式讀入MPI 并劃分好有限元網(wǎng)格，流道和冷卻系統(tǒng)在MPI 中創(chuàng)建。制件模型和流道、冷卻系統(tǒng)如圖1 所示。
2.2 工藝條件
制件材料選用BASF Customer Specific Grades 公司的Ultramid B3GM35Q641，玻璃纖維的重量比為15%。工藝參數(shù)為：熔體溫度280oC，型腔溫度85oC，注射時間為1.38 Sec，保壓時間為10s，保壓壓力為注射壓力的80%，冷卻時間為20s。
2.3 模擬結(jié)果
按照上述工藝條件，對制件的填充、保壓、冷卻和翹曲過程進行了分析，得到制件彈性模量分布如圖3 所示。在圖4 中，我們可以比較冷卻不均、收縮不均、纖維取向這三個因素對制件總的翹曲的貢獻程度。可見，纖維的取向是引起制件翹曲的主要原因。依據(jù)這個模擬結(jié)果，我們就可相應(yīng)的改變澆口位置或制件結(jié)構(gòu)，并通過Moldflow 軟件驗證優(yōu)化方案，從而使纖維取向更合理，保證產(chǎn)品的尺寸合格。
三、結(jié)束語
Moldflow 軟件通過對短纖維增強樹脂基復(fù)合材料填充、保壓、冷卻和翹曲過程的模擬，幫助設(shè)計人員全面了解澆口分布、制件結(jié)構(gòu)對制件質(zhì)量及纖維趨向的影響，從而保證產(chǎn)品的翹曲變形量在公差范圍內(nèi)。這對于提高纖維增強復(fù)合材料制件的質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。