1.1 研究的目的及意义

近年来，随着国内制造业的飞速发展，模具工业在我国已经成为了国民经济发展的重要基础工业之一，机械、电子、汽车、石油化工和建筑行业都要求模具工业的发展与之相适应。在相当数量的汽车和电子产品中，有约60%~80%的零部件都需要依靠模具成型，随着现代工业发展的需要，模具作为一种重要的工艺装备在工农业生产及日常生活中得到了广泛的应用。

塑料模具的设计与制造水平为塑料成型加工工业的发展提供了必不可少的重要条件，也为汽车工业的产品创新提供了坚实的技术保障。在激烈的国际竞争中，汽车行业的发展呈现出了轻量化设计的趋势，车用工程塑料在未来将会替代更多的金属部件。汽车塑料化是当今国际汽车制造业的一大发展趋势。当前的市场需求已经逐渐转向重量更轻的运动型多功能车、小型货车和其他轻型车辆，这将促使车用材料向更轻质化发展。轻型车辆市场对树脂如聚丙烯、聚氨酯和其它工程塑料的需求量非常大，约占树脂市场需求总量的30%以上；对聚乙烯醇缩丁醛的需求量约占其总需求量的85%以上。

现如今，越来越多的发达国家开始将汽车塑料用量作为衡量汽车设计和制造水平高低的一个重要标志。目前德国汽车的塑料用量最多，占整车用料的15%以上，众多车型开始大范围地采用更为先进的汽车工程塑料。随着国家雾霾、节能减排以及更加严格的油耗法规的出台，国内车企们都在不遗余力地开发汽车轻量化技术，而汽车轻量化主要体现在汽车优化设计、合金材料以及非金属材料的应用上，而其中工程塑料等非金属材料的减重效果非常明显。几十年来，塑料在汽车中的应用不断增多，工业发达国家的汽车塑料用量占塑料总消费量的8%~10%。外装饰件的应用特点是以塑代钢，减轻汽车自重，主要部件有保险杠、挡泥板、车轮罩、导流板等；内装饰件的主要部件有仪表板、车门内板、副仪表板、杂物箱盖、座椅、后护板等；功能与结构件主要有散热器水室、空气过滤器罩、风扇叶等。目前，越来越多的汽车零部件开始采用工程塑料来代替金属制件。

汽车零部件轻量化是降低汽车制造成本和汽车能耗的主要方式，除了多数零件“以塑代钢”外，越来越多的零部件通过减小料厚的方式实现零件轻量化，特别是汽车上的大型零部件如挡泥板。汽车挡泥板是安装在车轮外框架上的板式结构，其制造材料通常采用通用塑料，其主要功能有：(1) 防止汽车行驶的过程中将泥土溅到车身上，导致车身不美观；(2) 为了避免轮胎缝隙内夹带的小石子甩在车身上，崩掉本车外漆。除此之外，挡泥板还可以增加车身的整体美观程度。

2.2 国内外研究现状

我国通过对国际先进技术和加工设备的引进，大幅度提升了塑料制品的设计和制造水平，尽管如此，由于技术基础薄弱，我国当前的模具设计和制造技术相比国际工业发达国家仍然存在不足，塑料模具总体水平与世界先进技术相比尚有一定差距。目前我国的塑料制造水平以注射成型模具为最高，以中空成型模具为最低,精密加工设备在我国的模具加工设备中占比较低，CAD/CAM/CAE的普及程度还不高，许多先进的模具技术应用还不广泛，特别是在大型、精密、复杂、长寿命模具技术上存在明显的差距，以国内现有的生产能力还无法满足市场需求，需要依赖大规模进口^[5]。

注塑模具发展到今天，产生了许多种不同的类型。按照成型特性可以分为热固性塑胶模具和热塑性塑胶模具两种。目前，国内外针对注塑模具结构设计的研究已经取得了许多全新的成果。Choi J H等^[6]设计出了位于注塑件产品表面偏置剖面上的冷却流道，并且利用渐进二次响应面分析法对相应的参数优化进行了研究。Park H S等^[7]设计出了能够制造复杂汽车零件的具有共形冷却通道的智能注塑模具，和传统的冷却系统相比大大降低了冷却时间，使得模具的注塑成型过程更加智能化。Rizvi S J A等^[8]则进行了对热塑性塑料微孔注射成型的探索，设计出了具有气动驱动闸板密封、机械密封等非常规特点的新型可膨胀型腔模具。

随着国内外塑料工业的飞速发展，注塑产品对模具的要求也越来越高，传统的模具设计方法已经无法适应当今的要求。与传统的模具设计方法相比，计算机辅助工程（CAE）技术无论是在提高生产率、保证产品质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，都具有极大的优越性^[9]。世界上第一套模流分析软件产生于1976年，由澳大利亚MOLDFLOW公司研发成功，随后美国康奈尔大学的科研人员也开发出了类似的软件，后成立了AC-Tech公司，其软件产品最后取名为C-MOLD。从20世纪90年代后期到现在，形成了以CAD/CAM应用一体化为主要标志的三维应用阶段^[10]。近年来，模流分析技术开始大规模应用于注塑模具的设计制造领域，许多学者都针对模流分析在模具设计中的应用进行了研究。刘迎春等^[11]分析了中面流技术和双面流技术这两种传统注射流动模拟CAE技术的局限性，针对MPI/3D技术在模流分析中的应用进行了研究，利用该技术真实模拟厚度差较大的复杂零件注射成型过程,并针对翘曲分析结果进行工艺参数优化，将惯性效应、非恒温流体等因素考虑到有限元分析中,熔体厚度方向的物理量变化不再被忽略,能够更全面地描述填充过程的流动现象,使得分析结果更能接近现实状况。王东峰等^[12]利用 Moldflow 软件对汽车扰流板的注塑成型过程进行模流分析，得出了影响翘曲变形量的最主要因素是体积收缩的结论，并且通过正交试验分析了不同工艺参数对翘曲变形量的影响规律。陈罡等^[13]利用Moldflow软件对汽车排气管的注塑成型过程进了模流分析，计算出浇注系统及模具型腔的压力场、温度场、速度场、切应变速率场和切应力场的分布，对浇口数目、浇口位置和注射成型工艺参数进行了优化，对所需的注射压力和锁模力进行了预测，并且针对可能出现的制品翘曲变形、注射不足、烧焦、不合理的熔接痕位置和气穴等缺陷进行了分析。