文：重庆交通大学谭永曦

摘 要：前舱盖一直是车身重要结构。把多个结构压铸一体化是解决传统前舱盖多零件加工与装配复杂工艺的有效途径之一。采用Procast和Radioss分析软件，对某新型一体化前舱盖的压铸成型过程和结构模态进行分析。通过铸造一体化的数值仿真，得到了压铸工艺过程中的温度、卷起、缩孔等分布规律。通过前舱盖结构模态分析，获得了自由模态频率和模态振型。研究结果表明：整个压铸完成约为0.5s,金属液刚进入成型过程以及缺陷现象。一阶结构频率大于路面激振频率，避免产生共振现象。分析的成果是对新型一体化前舱盖加工工艺与生产方式起到支撑作用。

关键词：压铸充型过程、模态分析、前舱盖、一体化设计

引 言

2021年，汽车出口 201.5万辆，同比增长1倍，新能源汽车出口表现突出，新能源汽车出口31万辆，同比增长3倍曲。我国汽车产销总量已经连续13年位居全球第一，并在“电动化、网联化、智能化”方面取得巨大的进步, 新能汽车的销量已经连续七年位居世界第一。电动车的出现对汽车结构等方面提出了新的要求。例如：电动汽车的前部和内部结构与传统汽车结构存在很大的差异。

目前大多数研究集中在汽车前舱盖内、外板冲压成型分析，传统前舱盖的加工工序，需要经过多套模具分别对前舱盖的内外板进行冲压，再通过焊接将两者焊接在一起，传统的加工工序复杂，耗时长。

近几年特斯拉采用超大压铸机，生产model Y-体成型的后底板,将后底板本来需要的70个零件减少为只剩2个零件。目前文献对一体化设计的前舱盖的浇注过程分析的研究较少。本文针对前舱盖的内外板一体化压铸的工艺问题，对高压压铸的生产方式进行了数值仿真分析，采用ProCAST软件对一体化设计的前舱盖的进行模流分析，通过分析模拟结果，观察该设计模型是否满足汽车盖板基本的压铸工艺要求。采用Radioss软件对成型后的一体化设计的前舱盖的进行结构模态分析，观察该设计模型是否满足汽车盖板基本的使用要求。

1、前舱盖设计

1.1压铸件模型设计

通过对特斯拉前舱盖的结构观察，参考某常用的汽车前舱盖类型，设计出新型前舱盖，其外形尺寸约为1324mmX604X3.5mm,产品体积2751968mm³ ,铸件质量约为7.48kg,主体平均壁厚为2.5mm,壁厚最大处达到6mm。铸件结构较为简单，加强筋对称分布，且壁厚相差不大，铸件三维模型如图1所示。

1.2铸件材料

汽车罩盖一般由内外板组成，材料为AlSi9Cu4铝合金，该材料具有较好的流动性、易于成型等特点，表1和表2为其化学成分和力学性能。

2、压铸工艺方案

2.1浇注系统设计

金属液在压力作用下重新的通道称为浇注系统。常见的横浇道主要是有扇形、梳型、锥型等几种。本文设计的一体化前舱盖模型是与扇形展开相类似，结构也较为简单，拟设计浇道选择扇形浇道，可以充型成扇形结构，如图2所示。浇口采用圆形截面，其能量损失小；减缓浇口内部合金液的凝固速度，有助于铸件补缩。设计的横浇道结构如图3所示。

2.2数值仿真

采用ProCAST软件，建立一体化前舱盖有限元模型，分析高压压铸工艺过程，本文参考文献,模具选用H13,基于模具和工件两种材料的物理特性，结合压铸工艺设计手册及生产经验，通过计算确定了压铸工艺参数:铸件初始温度为650°C,模具初始温度为200°C；铸件质量为7.4kg,浇注系统质量为2kg,排溢系统质量为850g,总质量为6.25kg；铸件投影面积为1196ccm²,总投影面积为1554cm²；选取压射比压为60MPa,安全系数选择1.2。

通过仿真分析，获得了一体化抢舱盖的不同时刻压铸成型温度场分布、凝固状态、卷气等分布规律。

2.2.1温度分布

图5为一体化前舱盖不同时刻压铸成型温度场分布云图，整个结构充型过程约为0.5300s,根据模拟的充型过程，一体化前舱盖的压铸充型可以完全成型，在型腔100%填充后，铸件整体的温度均高过液相线温度，铸件因金属液温度下降出现冷隔的风险较小。考虑整个前舱盖为对称结构，图4只保留前舱盖一半的充型图示例。

2.2.2凝固状态

图6为一体化前舱盖不同时刻凝固分子状态温分布云图，整个前舱盖的凝固时间约为7s,整个一体化前舱盖的凝固时间较短，壁厚较厚的地方冷却较慢，可以在后期通过采用高压点冷处的结构通过高压点冷机将冷却水调节到理想的压力状态，通过相应的管道快速从模具内通过，达到降温的目的。由于在此过程中薄壁冷却速度快，使用高压点冷技术可以实现模具热平衡，有效改善局部气孔缺陷，提高产品寿命，减少更换和翻修率，并使铸件的品质得到更好地保证。考虑整个前舱盖为对称结构，图5只保留前舱盖一半的充型图示例。

2. 2. 3卷气分析（缺陷）

图6为一体化前舱盖成型时产生卷气的位置分布云图,通过对一体化前舱盖的卷起仿真模拟分析可以的到:整个一体化前舱盖巻气的出现均是在在产品的边缘，含气比例小于30%,可以通过后期去角质等方式去除或者对卷气位置增加排气和修改排气大小、改变进料方式。考虑整个前舱盖为对称结构，图5只保留前舱盖一半的充型图示例。

根据仿真结果可以看出整个前舱盖充型时间约为0.5s,金属液刚进入空腔内时速度比较慢，中间区域充型速度明显快于两侧，充型中期情况比较好,最后填充比较快，壁厚的地方凝固时间较长，气孔、缩孔等缺陷大部分出模型的边缘，说明该模型设计基本满足要求。边缘的工艺问题可以通过后期去角质除去。

2.2.4缩孔分析

图7为一体化前舱盖的缩孔模拟仿真分析，箭头所指位置是产品形成液相对孤立的区域,产品形成缩孔，需要对缩孔位置加强冷却，实现顺序凝固。或者通过改变产品结构减少缩孔区域。

3、前舱盖模态分析

3.1有限元模型的建立

本文对一体化成型的前舱盖进行结构模态分析，材料为AlSi9Cu4铝合金，密度2.72g/m³，采用Hypermesh专业网格划分软件对模型进行网格划分，模型的整体网格尺寸控制在8mm,釆用四面体网格划分方法，结构总单元数为27373个，其中三角形单元有339个，占单元总数1.2%,前舱盖有限元模型如图8所示。

3.2自由模态分析

对前舱盖进行了自由状态边界条件下的模态分析。结构频率如表3所示，前6阶为刚体模型振型，结构频率为0,纯电动汽车前舱盖内外板需要承受来自地面的激励,路面所造成的不平衡激振频率一般情况在1〜30Hz之间，因而，前舱盖的低阶固有频率应当避开上述频率区间。前舱盖结构的第7阶为39.6Hz,位于路面所不平衡激振频率范围外，设计的前舱盖能有效避免产生共振现象。图9和图10为前舱盖结构的模态振型。

4、总 结

本文基于有限元数值模拟，通过针对国内某款AlSi9Cu铝合金的汽车前罩板开展研究,对大型薄壁件的压铸过程和结构模态进行有限元数值仿真分析。通过铸造仿真软件对浇注系统下一体化前舱盖板的充型过程进仿真分析，分析表明:整个前舱盖充型时间约为0.5s,得到前舱盖不同区域和不同浇筑过程的填充速度,获得了工艺过程的缺陷分布。通过Radioss软件对一体化浇筑后的前舱盖结构模态分析，得到前舱盖结构的模态频率和模态振型，前舱盖新设计可以避免发生结构共振。总的来说，一体化压铸大型薄壁件能实现压铸成型，这将能改变原本传统前舱盖复杂的加工工艺流程和焊接过程,能大量减少工作时间，提高效率。