减轻轿车自身质量是降低轿车排放，提高燃烧效率最有效的措施之一。当前世界轿车材料的轻量化和环保化已成为发展的主要方向。据测，轿车的质量减轻10%，燃油的消耗就可降低6%-8%。因此，轿车塑料化便成为降低轿车质量、增加有效载荷及降低整车能耗的关键。

目前，世界上有众多品牌的全塑型轿车，Lotus、福特、通用汽车等都开发了不同的产品⋯。国内轿车零部件塑料化情况与国外大体相似，主要实现了轿车内饰、外饰、发动机及周边零件塑料化，车壳的应用还相对落后，而全塑车身开发与国外公司差距较大。为此，本课题组开展了对全塑轿车壳逆向工程与CAE工程优化的研究。希望能在此引起国内轿车研发企业对该方向的重视，发展我国的民族轿车工业建设。

1轿车外壳造型设计

在传统车身开发中，车身零部件的开发应遵循序列严谨的研发流程，从功能与规格指标的确定开始，构思产品的零部件需求，再经过设计、制造、检验、零件分装、整机总装、性能测试等程序来完成，即正向工程(FE)。以这种方式开发新的产品，其开发周期相当长，制造成本高，且很难达到高的设计水平。在现代车身开发设计的全过程中，全面使用了计算机辅助集成技术(CAX)，提高了产品开发阶段的可信度，降低了产品开发的风险度，大大提高了新产品设计的水平。我国的轿车开发能力与国际上有很大差距，实施逆向工程对国内轿车制造业有重大意义。所谓逆向工程就是指在没有设计图纸或设计图纸不全、不完整以及没有CAD模型的情况下，按现有的目标产品模型，利用各种数字化技术重新构建零件三维CAD数学模型的过程，包括目标产品原型数字化和三维CAD模型重建两个主要阶段。产品设计部门通过逆向工程只需对国外先进的技术与产品进行消化吸收，转化完善，局部改型等，其流程如图l所示。

图1逆向工程流程图

EDS公司的Unigraphics软件是一个先进的面向现代制造企业的全方位新产品解决方案，其CAD功能采用了当今世界上最先进的直接建模技术。该软件提供了大量的曲面光顺工具，利用它所生成的轿车曲面质量很高，完全能够满足轿车曲面外壳没计的要求。

图2轿车外壳曲面片体模型

图3轿车外壳拉伸后的实体模型

按照逆向工程方法，先通过激光三维扫描，将实物点云数据导人UG软件中，进行曲面光顺处理。经过曲面重构，光顺调整，曲面缝合、裁剪得到如图2的轿车外壳曲面片体模型，而通过曲面缝合，曲面拉伸以后，得到了轿车外壳拉伸后的实体模型如图3。根据空气动力学原理，轿车的车身应为楔形，车壳底部对模具型芯有包紧力。因此，将车壳做成组合式，加工完毕后左右两半车壳通过机械锁扣连接，组合成一个完整地轿车壳体。运用布尔运算，减去多余的实体，最后得到的轿车外壳优化的骨架如图4所示。

图4轿车外壳优化的骨架

2 CAE分析

2．1制品尺寸及材料选择

该车身骨架总体1950mm×500mm×600mm，壁厚4mm，体积为1222．96，外表面要求光洁，表面粗糙度为0．18μm，内表面及其他地方取为1．6μm。

轿车车身骨架是形状复杂的薄壁制品，采用一次性注塑成型，要求材料有良好的流动性，高的刚度、硬度，良好的柔韧性，低收缩率及较好的抗击性能等。可以选择改性增强的聚丙烯材料。

本课题另一小组创新的成员也正在开展一种纤维改性PP合金材料的研究，有望不久的将来能在轿车工业上有所应用。

2．2熔体充模理论

塑料熔体流动分析普遍采用Hele．Shaw流动模型，利用控制体积法建立型腔内压力场求解的有限元方程，沿厚度和时间域差分建立方程温度场求解的差分方程，利用有限元/有限差分来求解控制方程，建立温度场求解的能量方程，以实现注塑充模过程的动态模拟。

充模分析应通过对不同浇注系统流动行为的结果进行比较，选择最佳浇口位置、数目、尺寸和最佳布局。同时，制件的填充要避免出现欠注及流动不平衡问题，避免或减少气穴和熔接痕，并尽可能采用较低的注塑压力、锁模力，降低对注塑机性能的参数要求，使流动分析尽可能避免或减少由保压不当而引起制品收缩、翘曲变形等质量缺陷。

冷却分析可优化冷却管道布局，缩短制品冷却时间，缩短成型周期和减小产品成型后的内应力，从而获得最佳的制品质量。

2．3CAE优化分析过程

将三维模型STL格式化后，导入MPI5．1，采用Fusion模型进行网格划分，经过反复修改、调整网格，使匹配率达到80%以上，符合软件分析要求。材料选择Sabic公司SABICPPCompoundPHC25/20聚丙烯(含20%碳纤维)，其熔融温度范围为200．260℃，分解温度为300℃。设定熔融温度为250℃，模具温度为40℃。该制品尺寸远远大于一般制品，为保证分析顺利进行，初试选最大注射压力为450MPa，最大锁模力为60000t，已接近注塑机数值的极限所用值。

2．3．1浇口的设置与优化

图5浇日位置分布

浇口的位置和数量，对熔体充模有决定性影响。由于轿车壳有许多孔洞，熔体充模不畅，只有增加浇口数量，并使其均匀对称分布才能顺利充满型腔，保证制品的各项物理机械性能。

因此，经分析对比，结果显示只有增加浇口数量到5个才能充满型腔。初示、充模过程中最大锁模力为56001．56t，最大注塑压力为400MPa时，浇口最佳位置分布如图5所示。

图6平逢式浇注系统充模时间

图7潜伏式浇注系统充模时间

根据制品结构与实践经验，浇注系统可以采用平逢式或潜伏式进浇的两种方法。经反复优化发现，浇口必须均匀分布在车身各最佳位置才能充满，方案为：平逢式浇注系统如图6，首先在车身空洞平面部分建立薄平面，分16点同时进浇，浇口直径为3mm；潜伏式浇注系统如图7。浇口设在车壳内侧起或辅助支撑作用的筋上，浇口直径也为3mm。充模结果如表1所示。

表1塑料熔体充模结果

2．3．2充模流动的结果与讨论

图8平缝式浇注系统制品温度分布

图9潜伏式浇注系统制品温度分布

1)由表l可知，平缝式浇注系统的最大注塑压力，最大锁模力，均超过了系统初示结果(如前所示)，熔体最大流率也超过了Moldflow软件所提供的数值极限，它的充模熔体多、单位时间速度快，但凝料较多，浪费比较严重；潜伏式最大注塑压力大大低于平缝式浇注系统的最大压力，最大锁模力也仅为平缝式浇注系统的1/9，最大熔体流率仅为平逢式浇注系统的1/40。

2)对比图6和7可见，平缝式浇注系统的充模时间等值曲线显示流体流动不够平稳，而潜伏式浇注系统的充模时间等值曲线显示流体流动比较平稳。

3)对比图8和图9，平缝式浇注系统最高温度出现在制品内侧，约为327．1℃，超过了制品所选材料的分解温度300℃，会使轿车外壳产生局部分解或者过热现象；而潜伏式浇注系统制品最高温度仅为280oC，低于所选材料300oC的分解温度。

图10熔接痕、气学及流动前锋分布叠加

图11熔接痕、气穴及流动前锋温度叠加图

4)由图10和图11可知，流体熔合温度与充模温度相差不大，流体融合较好，熔接牢度高。气穴出现在熔接位置上方，可在熔接处开设微细毛孔排气槽，它不仅能排气，且有助于增强熔合的牢度。由以上优化分析对比可得，潜伏式浇注系统所得制品的物化机械性能比平缝式浇注系统好。

2．3．3冷却系统设置与结果讨论

表2轿车外壳制品成型冷却结果参数

图12冷却系统最高温度分布

冷却系统设置如图12所示，型芯、型腔均采用并联循环水路，水道沿制品轮廓分布，水道离制品表面48mill，间隔80mm。冷却水道直径16mm，冷却水温度25℃，雷诺指数20000，顶出温度80℃。冷却分析结果如表2所示。

图13冷却介质温差分布

在表2中，冷却时间仅54s，冷却时间短；制品最高温度77．89℃，制品最高温度低于顶出温度，顶出时不会发生制品变形；此外，在图13中所见，冷却水入口和出口温差0．12℃，介质温差已很小，在实际生产中可勿略不计。

因此，预设方案已达到均匀冷却制品的目的。

3结论

1)由三维扫描设备获取点云数据，选用UGIm．ageware进行点数据处理得到光顺曲面后，再用UG构建实体模型。通过这一逆向工程方式，可以充分吸收国外轿车公司现有的产品造型，来弥补我国轿车产业车身研发实力差的缺陷，既可降低国内新型轿车研发成本，又可大大缩短轿车的研发时间，为国产轿车进入国际市场抢占先机。

2)应用MoldFlow软件对模具结构进行CAE优化，可以对整个生产过程进行模拟分析，在模具制造的前阶段提前发现模具或成型质量方面存在的问题，从而有针对陛地修改设计方案、调节工艺参数，避免在实际生产中进行反复试模、修模。不仅可缩短模具开发的周期，而且大大节省了人力、物力资源，降低生产成本，提高了产品质量。因此，采用CAD/CAE工程对国内轿车模具结构进行设计和优化，将是今后轿车研发新模具设计发展的必然趋势。

3)一次性注塑成型塑料轿车外壳需要流动性好，耐高温，抗冲击强度好，刚度高的高分子聚合物合金材料，还需要提供比常规注塑机更高压力、更大锁模力的新型注塑机。因此，我们要在原料和成型设备方面进行深入研究和改进，为全塑轿车的开发提供充分的必备条件。

4)将逆向与CAD/CAE工程集成，对全塑轿车壳进行了虚拟设计和优化模拟，以几乎为零的成本获取了非常有价值的经验数据，这为国产全塑轿车外壳的研究工作，奠定了坚实的基石。