汽車轉向系統的複合材料注塑模擬 - 艾索科技

 

一、複合材料是汽車輕量化的關鍵

隨著客戶開始注重自身產品的碳足跡，他們越來越意識到所有產品都會對環境產生影響。全球汽車行業正在推動汽車電氣化，希望 2050 年能實現汽車零碳排，以滿足消費者需求和日漸嚴格的環境法規。為此，領先的汽車製造商及其合作夥伴正在實現輕量化和電氣化。使用複合材料製造零件可以使車體更輕、引擎負擔減少，協助降低行駛途中的耗能或碳排。豪華和中型汽車經常將複合材料應用在引擎蓋下及外部的零件，採用短纖維來增強塑膠注塑成型技術，製造安全配備和結構關鍵零件。車身面板、框架、外殼、支撐結構、保險桿和座椅結構均採用短纖維增強塑膠製造。隨著電動車的發展，對輕量化零件的需求預計將進一步上升。

 

二、汽車轉向系統的技術變革

因應汽車電氣化趨勢，轉向系統逐漸從液壓改為電動，結合高性能的塑膠複合材料，帶來了許多新的應用可能性。轉向器外殼是負載最高的部件之一，傳統皆由鋁製成，現在我們嘗試用玻璃纖維增強塑膠來製造，它的特點是對所有典型的引擎艙試劑具有高耐受性，且可保持高時效性。與各向同性金屬不同的是，玻璃纖維增強塑膠不僅是各向異性的，而且是異質的，因此各向異性性能取決於微觀結構，微觀結構會因注塑技術不同而產生局部變化，有時也會影響注塑成形的結果。

三、模擬如何提升複合塑膠材料的注塑品質?

1. 運用多尺度建模方法

模擬纖維增強塑膠的力學行為需要大量的記憶體和計算能力，Ansys 模擬軟體中特別為短纖維複合材料啟用了多尺度建模方法，能夠評估所有可能的微觀結構配置的均質材料特性，在 Ansys 軟體中評估可能的微觀結構時，這種局部纖維偏好狀態可以從注射模擬或實驗 CT 掃描數據中導入。我們在 Ansys Mechanical 中建構多尺度模型，並導入到 Ansys Workbench 中與原先的纖維方向相結合，該界面允許使用者將注塑成型方向的數據資料，直接導入到 Ansys 模擬環境中。注射過程數據經過分析、處理，然後傳輸到下游機械系統，在該系統中以元素方向的形式應用。此方法解決了傳統上因為無法進行微觀模擬，而產生注塑結果偏差的問題，有效提升注塑成形的精準度與結構強度。

2. 精準模擬外殼纖維

將轉向外殼精確建模為各向異性後加入局部纖維偏好的模擬，與簡化等效各向同性材料模型應用於外殼的模擬進行比較，卻忽略了增強纖維的局部偏好。對於等效的各向同性材料，材料特性是指纖維具有完全隨機偏好的特性。這是一種非常常見的工程方法，通常在沒有專門的工作流程（如 Ansys 中可用的工作流程）的情況下採用，並在此處用於更精確的各向異性材料模型中。

3. 外殼模擬分析

此為針對相同幾何形狀獲得的有效應力結果圖，在外殼分析中考慮了兩種不同類型的材料模型，內應力會隨著各向異性模型的剛度越高而變得更固定，且對外殼的強度影響更大。

與簡化的各向同性模型相比，採用各向異性模型後，關鍵位置的有效應力高出 40~50%，在模擬中考慮彈塑性的各向異性，以及局部纖維偏好分佈的不均勻性，顯著改善材料的負荷能力。

將模擬方法應用於複合材料的零件設計，使注塑結果更貼合設計，本次案例運用模擬，解決了錯誤評估轉向外殼的應力，與轉向系統的變形問題。Ansys 模擬工作流程的高準確性，以及快速處理複雜多尺度模擬的計算水準，幫助製造商實現將轉向系統減重 50% 的目標，並改善了產品性能符合 OEM 要求。

 

 

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