玻纤增强聚丙烯热管理系统基板模流分析优化

Optimization of Glass Fiber Reinforced Polypropylene Base Plate of Thermal Management System Based on Molding Flow Analysis

摘要

文章基于仿真技术模拟了某玻纤增强热管理系统基板的注塑成型过程，以此评估可行性及优化方案。通过分析填充阻力及浇口匹配性结果确定了最佳的进胶方案。采用初始工艺计算得到基板的定位孔变形极差为0.538 4 mm，达不到设计指标要求。以注射时间、保压时间、模腔温度及熔料温度为变量设计正交试验并进行分析。结果表明：保压时间和注射时间的影响为极显著；模腔温度的影响为显著，而熔料温度的影响不显著。优化的工艺参数组合为A₂B₂C₁D₃。优化工艺的仿真结果显示：定位孔变形极差为0.452 8 mm，下降了15.9%，且达到设计指标要求；填状态良好、无缺欠注和滞留。实际试模样品的外观良好、变形结果均合格，验证了优化工艺的正确性。

关键词

热管理系统基板 / 仿真计算 / 正交试验 / 参数优化

Key words

Thermal management system substrate / Simulating calculation / Orthogonal test / Parameters optimization

汽车热管理系统是从系统集成角度出发，统筹热量与发动机及整车之间的关系，采用综合手段控制和优化热量传递的系统^[1]。汽车热管理系统可根据行车工况和环境条件，自动调节冷却强度以保证被冷却对象工作在最佳温度范围，从而优化整车的环保性能和节能效果，同时改善汽车运行安全性和驾驶舒适性等。汽车热管理技术的合理化应用可提高汽车整车能源利用效率，带来更优的节能环保性能，并降低经济成本^[2]。新能源汽车目前最主要的关注点在于安全与续航^[3]，其中温度热管理及整车重量是设计开发前期的重点考虑因素。

基板作为热管理系统的重要部件，承担着重要的热量交换功能^[4]。汽车热管理基板内部通常会布置大量的流道，供水、空气等介质流动以提升换热效率。基板的设计和选材都会直接影响热管理系统的换热性能^[5]。目前关于热管理系统基板的研究，大多聚焦在基板的结构设计和换热效率的提升方面。张遇好等^[6]通过对基板进行内嵌微流道或微通道设计，有效提升了基板热管理效率甚至化学反应的转化率等。在基板优化设计过程中，数值模拟技术也得到较好应用。李骥等^[7]通过无量纲化三维数值传热模型，探索了基板不同的对流换热边界条件下可能的最优厚度，探究了不同换热机制下热沉与热源面积比和最低热阻间的关系，有效指导基板的优化设计。康峰^[8]通过对基板上液滴蒸发过程进行计算机模拟，获得了液滴蒸发的速度场、温度场以及液滴在等接触角和等半径模式下的蒸发特性和生命周期，有效指导基板的表面设计。

基板通常占据热管理系统较大的质量比重，直接影响热管理系统的重量及汽车续航。目前的基板基本沿用传统的金属或陶瓷材料，在选材和制造工艺方面的研究较缺少。基板的设计中，新型选材往往能够突破原始设计的上限。高分子材料较高的比强度、较好的耐热耐腐蚀性能以及高效的成型性能，在基板中的应用也逐渐展开^[9-10]。玻纤增强热塑性复合材料的高比强度、高耐热耐腐蚀性能以及良好成型性能，使得其在基板中得到应用^[11-12]。但是诸如水路控制器等封闭式零件，一般都是由多个塑料部件分别注塑成型，再进行焊接和螺栓固定^[13]。这种情况下，各部件的变形幅度直接影响装配性能，进而影响密封性及工作稳定性。但玻纤增强材料的翘曲变形较大，翘曲变形成为重点考虑的问题^[14]。模流分析方法对于注塑成型产品的模拟和变形预测较精准^[15-16]。而影响注塑成型过程及产品变形情况的工艺参数较多，通常利用正交试验设计进行优化探究^[17-18]。本实验针对一热管理系统基板注塑成型后翘曲变形量超标的问题，以注射时间、保压时间、模腔温度和熔料温度为研究变量设计正交试验，并探究对定位孔变形极差的影响，通过极差与方差分析，最终获得优化的工艺参数组合。

1 热管理系统基板设计与模拟

1.1 热管理系统基板设计

图1为热管理系统设计。从图1a可以看出，热管理系统整体尺寸为316 mm×223 mm×95 mm，主要由底板、基板及盖板组成。热管理系统的底板和盖板上布置了系列进出口管路，用于控制液体的进出。从图1b可以看出，基板上布置了大量水路凹槽，用于引导液体的流动。基板与底板和盖板之间采用焊接方式进行连接，再利用图示的四个螺栓孔进行安装固定。这四个定位孔的变形量的差异直接影响基板与底板和盖板的安装，进而影响热管理系统的密封状态，故要求这四个定位孔变形量的极差控制在一定范围内。该热管理系统基板的设计指标中要求：定位孔变形极差不得大于0.5 mm。

图2为该热管理系统基板的壁厚分布。从图2可以看出，最大壁厚为6.3 mm，最小壁厚为0.86 mm。主要壁面厚度及加强筋厚度均为3.0 mm，侧边圆柱管壁厚为3.5 mm，部分加强筋厚度为1.6 mm。

1.2 网格模型

该热管理系统基板主要为板状结构，故采用Fusion网格类型对其进行网格离散化建模^[19]。单元质量要求中需要重点降低单元纵横比并提升匹配率，以保证计算精度。避免产生重复单元、交叉单元、零面积单元、自由边，以防止无法计算。图3为热管理系统基板的网格模型。基本单元长度为3.0 mm，单元总数为63 752，纵横比最大值为3.26，纵横比最小值为1.12，纵横比均值为1.54，单元匹配率为91.1%，相互匹配率为90.2%。通过质量修复后得到的单元质量指标，满足双面网格对于计算分析的要求，实际计算也可正常进行。

1.3 材料参数

该热管理系统基板的材料为30%玻纤填充的PP材料^[20]，表1为材料推荐工艺参数。基于材料实测UDB文件中默认工艺参数进行初始模流分析。即初始工艺参数：熔料温度为235 ℃，模腔温度为45 ℃，注射时间为2.5 s，保压时间为10 s。

1.4 浇注系统设计

根据该基板尺寸及材料流动性，可采用单点浇口进行注塑成型。图4为基于单点浇口进行的浇口位置分析结果。其中，红色区域表示流动阻力较大及浇口匹配性较差的区域，蓝色区域表示流动阻力较小及浇口匹配性较好的区域^[21]。综合分析得到：产品中部区域结果较好，周边区域结果较差。因此，选择图中红色圈出位置作为最佳的浇口位置，并进行后续的流道系统构建及模流分析。

图5为基于最佳浇口位置建立的单点冷流道进胶系统模型。从图5可以看出，该流道系统包含：(1)圆形冷浇口（Φ2~Φ6 mm）、(2)圆形冷流道（垂向Φ6 mm）、(3)圆形冷流道（横向Φ6 mm）、(4)冷主流道（Φ2~Φ6 mm）。

1.5 初始工艺分析

基于初始工艺参数及单点冷流道进胶系统进行模流分析，图6为所有效应下的翘曲变形结果。从图6可以看出，整体看，周边区域变形量较大，中部区域变形量相对较小。最大变形量为2.122 0 mm，最小变形量为0.113 9 mm。四个定位孔的变形量从小到大分别为0.381 7、0.722 9、0.787 6及0.920 1 mm。计算得到这四个定位孔变形量极差为0.538 4 mm，大于设计指标中要求的0.5 mm，故不满足要求，需进行工艺优化。

2 正交试验设计

多变量优化可采用正交试验法，有效减少试验数量、提升优化效率^[22]。该热管理系统基板产品实际注塑成型试模发现，注射时间、保压时间、模腔温度和熔料温度对其翘曲变形及定位孔变形极差的影响较大，选择这四个工艺参数设计正交试验。参考材料UDB中的工艺参数范围，设置不同因素水平，表2为L₉(3⁴)正交试验因素水平设计。

3 正交试验结果分析

表3为L₉(3⁴)正交试验结果。从表3可以看出，定位孔变形极差在0.457 6~0.563 4 mm范围内变化，定位孔变形极差的最大值和最小值相差18.8%，说明工艺参数组合对热管理系统基板定位孔变形极差的影响较大。正交试验结果中，第8组试验定位孔变形极差最小，第1组试验定位孔变形极差最大。第2、5、6和8组试验结果满足设计指标的要求，第1、3、4、7和9组试验结果不满足设计指标的要求，证明正交试验工艺参数水平取值较为合理。

根据表3中各工艺参数的极差R结果进行影响程度分析。对于定位孔变形极差，排序为：R _B>R _A>R _C>R _D，因此保压时间对定位孔变形极差的影响最大，其次为注射时间和模腔温度，熔料温度的影响最小。当注射时间为A₂时，热管理系统基板的定位孔变形极差获得最小值。对于保压时间，整体呈先减小后增大变化特征。当保压时间为B₂时，热管理系统基板的定位孔变形极差获得最小值。对于模腔温度，整体呈先增大后减小变化特征。当模腔温度为C₁时，热管理系统基板的定位孔变形极差获得最小值。对于熔料温度，整体呈逐渐减小变化特征。当熔料温度为D₃时，热管理系统基板的定位孔变形极差获得最小值。综合推断：工艺参数组合为A₂B₂C₁D₃时，基板的定位孔变形获得最小值，对应的注射时间为2.5 s，保压时间为12 s，模腔温度为30 ℃，熔料温度为245 ℃。

为了排除误差对实验结果的影响并获得工艺参数对目标变量影响的显著性程度，进行一次重复实验及方差分析，表4为方差分析结果。从表4可以看出，误差的平均偏差平方和明显小于工艺参数的平均偏差平方和，故试验误差影响较小。对于保压时间和注射时间，F值 > F _0.01，故保压时间和注射时间对定位孔变形极差有极显著影响。对于模腔温度，F _0.05 F值 F _0.01，故模腔温度对定位孔变形极差有显著影响。对于熔料温度，F值 F _0.05，故熔料温度对定位孔变形极差无显著影响。

4 优化工艺验证分析

优化组合A₂B₂C₁D₃的可行性需要进行模流分析仿真验证，图7为所有效应的翘曲变形结果。

从图7可以看出，所有效应的最大翘曲变形量为1.271 0 mm，相比初始工艺结果优化率达到40.1%。四个定位孔的翘曲变形量分别为0.113 4、0.405 8、0.406 9及0.566 2 mm，计算得到四个定位孔变形极差为0.452 8 mm，相比优化前降低幅度为15.9%，优化效果较明显。优化后的定位孔变形极差小于0.5 mm，满足设计指标的要求。

基于优化工艺模流分析得到充填过程等值线、流动前沿温度及锁模力曲线，图8为优化工艺模流分析结果。从图8a可以看出，充填等值线分布十分均匀、无明显密切区域，说明熔体填充模腔过程中速度稳定、受到的阻力也较为稳定，有利于材料物性及收缩的均匀性。从图8b可以看出，最大流道前沿温度差为3.7℃，说明熔体填充过程温度下降不明显，熔体填充状态保持稳定，不易出现温度变化带来的外观缺陷。从图8c可以看出，熔体填充过程中锁模力变化稳定，最大锁模力为135.9 t，采用相应的中小型机台进行注塑即可。

采用优化工艺参数进行该热管理系统基板的注塑成型试模，图9为工艺稳定后取出试模样品。从图9可以看出，热管理系统基板表面无明显不良缺陷，定位孔变形极差实际测试结果为合格，验证了本文优化分析及优化工艺的合理性。

5 结论

本实验采用仿真技术模拟了热管理系统基板的注塑成型过程。基于单点浇口分析得到阻力最小及匹配性最好时的最佳浇口位置，并以此建立冷流道系统。采用初始工艺分析得到定位孔变形极差为0.538 4 mm，超过设计指标的要求。以注射时间、保压时间、模腔温度及熔料温度为自变量构建了标准正交试验。通过极差与方差分析得到：保压时间和注射时间对基板定位孔变形的影响为极显著；模腔温度的影响为显著；熔体温度的影响最小，为不显著。优化的工艺参数为A₂B₂C₁D₃。优化工艺分析得到的定位孔变形极差为0.452 8 mm，满足指标要求，且优化效果较为明显。仿真模拟得到填充过程结果良好，且试模样件的外观及变形测量结果均合格，验证了优化参数的可行性。

参考文献

[1] 胡祖贤,王可,干宏程,电动汽车电池热管理系统发展现状及分析[J].农业装备与车辆工程,2023,61(1):69-74.

[2] 曾祥兵,谢堃,张伟,新型动力电池热管理系统设计及性能研究[J].汽车工程,2022,44(4):476-481.

[3] 郭绍杰.新能源汽车动力电池散热方式及散热问题的热管理解决方案[J].节能,2022,41(5):86-88.

[4] 武晓萌,刘丰满,马鹤,基于柔性基板的异构多芯片三维封装散热仿真与优化设计[J].科学技术与工程,2014,14(19):238-242.

[5] 顾骁,宋健,顾炯炯,基板封装注塑中芯片断裂的有限元分析[J].电子与封装,2021,21(9):29-35.

[6] 张遇好,袁海,王明琼,LTCC基板内嵌金属柱多层微流道技术[J].电子工艺技术,2023,44(3):35-37, 59.

[7] 李骥,史忠山.电子冷却热沉基板的三维数值优化[J].电力电子技术,2011,45(12):109-111.

[8] 康峰.平直基板上液滴蒸发过程的数值模拟[D].北京:华北电力大学,2022.

[9] 祝大同.高导热性树脂开发与应用的新进展(1)——对散热基板材料制造新技术的综述[J].印制电路信息,2012(10):11-16.

[10] 韩常雨,刘姣,张小舟,用于柔性基板聚酰亚胺热性能的研究进展[J].塑料,2022,51(1):111-116.

[11] 董卫国.玻璃纤维/聚丙烯纤维增强热塑复合材料的制备及其性能[J].纺织学报,2019,40(3):71-75.

[12] 宋清华,肖军,文立伟,玻璃纤维增强热塑性塑料在航空航天领域中的应用[J].玻璃纤维,2012(6):40-43.

[13] 董影,戴廷婷,黄海鸥,玻纤增强聚丙烯制品翘曲行为的研究及优化[J].军民两用技术与产品,2018(16):119.

[14] 杨波,孙玲.工艺参数对短玻璃纤维增强PP注塑制品翘曲变形的影响研究[J].中国塑料,2015,29(1):90-94.

[15] 曹永志,王启祥,王传龙.基于Pro/E软件的手机壳注塑过程模流分析[J].塑料科技,2021,49(1):103-106.

[16] 荆彦涛,王羽,曹冠忠,基于CAE分析的热水器显示面板翘曲变形优化设计[J].轻工标准与质量,2021(4):112-114.

[17] 谭安平,幸晋渝,刘克威.打印机底壳翘曲变形分析及工艺参数正交优化[J].模具技术,2021(5):45-49.

[18] 陈文,徐小兵,李增超,基于CAE和正交试验的工艺参数对翘曲变形的研究[J].塑料科技,2019,47(6):99-102.

[19] 张晓陆.多侧浇口塑件法流动分析及应用[J].金属加工:冷加工,2010(20):48-51.

[20] 娄小安,苏吉英,孟成铭,改性聚丙烯收缩率的研究[J].中国塑料,2011,25(12):59-62.

[21] 吴利明.借助CAE分析软件来设计最佳浇口位置[J].中国科技信息,2005(21):71.

[22] 钱超.塑料插座面板的模流分析及参数优化[J].机电信息,2022(19):84-88.