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仿真模型
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前处理及模型搭建
研究案例为某车型副仪表板前护板皮纹发白问题，如图1所示。某车型副仪表板前护板皮纹发白问题计算域的设置如图2所示。为贴合实际模具设计，模型保留原始的三浇口布局。由于研究聚焦于塑件表面发白现象，且皮纹区域边界属于非外观功能面，对注射充填仿真模型进行简化处理：采用ANSYS SpaceClaim软件去除仿真非必需的局部复杂结构（如边缘多级圆角），同时保留关键特征（如加强筋等影响流动的核心几何要素），针对皮纹微结构的跨尺度建模难题，采用等效粗糙度模型对其进行表征。
图1 某车型副仪表板前护板皮纹发白
图2 计算域模型前处理及简化
副仪表板前护板的注射充填过程涉及气液两相流与非牛顿流体流动，ANSYS Fluent提供的高效计算接口可精确实现该过程模拟。研究方案如下：基于Fluent多相流模块建立注射充填模型，计入聚丙烯熔体的非牛顿特性，重点考察流体壁面剪切应力水平——该参数通过调控聚合物分子链取向程度，影响取向应力累积与各向异性微结构的形成，主导皮纹发白现象的产生机制。模型验证后，将系统研究工艺参数（温度/压力/速度）、材料流变特性及几何结构特征对壁面剪切应力的耦合影响规律，构建参数敏感性量化模型，为实际注射工艺优化提供理论支撑。模型采用Polyhedra网格划分形式，如图3所示，在局部细节如加强筋处进行加密。依据牛顿粘性定律，壁面剪切应力的精确量化取决于速度梯度的精准描述。流场近壁面区域速度梯度大，网格精度要求高，为此通过法向局部加密在壁面处添加边界层网格。边界层网格在从壁面向外延伸时，相邻网格层外侧与内侧厚度的比例关系称之为增长率，平衡计算效率及数值稳定性，增长率设置为1.2。
图3 流体域网格划分
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瞬态流体计算设置
在Fluent中选择合适的湍流模型对准确预测壁面剪切应力至关重要，不同模型在处理近壁流动、分离、压力梯度等方面能力差异显著。Fluent模型可以分三类：雷诺平均（RANS）、大涡模拟（LES）和混合模型。对大多数工程问题，RANS是主流选择，因为LES计算成本高昂，需要精细的网格（尤其在壁面附近）和极小的时间步长。RANS的核心是将瞬时流场分解为时均量和脉动量，对N-S方程进行时间平均，引入雷诺应力项封闭问题，主要子类是标准k-ε模型、标准k-ω模型和SST k-ω模型。标准k-ε模型是基于湍流动能k及比耗散率ε输运方程的双方程模型，自B E LAUNDER等提出以来，其稳健性、经济性和在广泛湍流数值模拟中的准确性，已成为实际工程流体计算和传热模拟的主力模型。但其对近壁区（低雷诺数区域）、强逆压力梯度下的分离、壁面剪切应力预测较差，强烈依赖壁面函数。标准k-ω模型基于湍流动能k和比耗散率ω，ω在近壁区变化更平缓，适合处理近壁低雷诺数流动，但对自由来流中的ω值非常敏感，鲁棒性不如标准k-ε模型。SST k-ω模型融合了标准k-ε和标准k-ω的优点，对逆压力梯度和分离敏感，鲁棒性更高，具备良好的近壁分辨率。因此采用SST k-ω模型对皮纹发白注射充填问题进行模拟，其控制方程如公式1所示。
其中，ρ表示密度；Gₖ表示由于平均速度梯度产生的湍流动能；G_ω表示比耗散率的产生；Γₖ=μ+μ_t/σₖ、Γ_ω=μ+μ_t/σ_ω，分别表示k、ω的有效扩散系数；Yₖ和Y_ω分别表示k和ω因湍流引起的耗散项；D_ω表示交叉扩散项；σₖ和σ_ε分别是k和ε的湍流普朗特数；Sₖ和S_ε是用户定义的源项；G_b表示浮力项。 聚丙烯PP熔体具备剪切变稀的非牛顿效应，模拟中采用交叉模型Cross Model对其进行描述，具体参数如图4所示。为与实际工况保持一致，压力入口设置考虑充填加保压随时间变化曲线，采用表达式功能实现分段函数的构建，如图5所示。出口为常压出口，设置在实际排气槽处，采用VOF界面追踪算法以刻画相界面演化，瞬态仿真时间步长为1 ms，总时间步为5000步，总时长为5 s。
图4 非牛顿PP熔体黏度模型设置
图5压力入口设置
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结果与讨论
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流体计算结果
副仪表板前护板注射充填至2.4 s时的压力分布云图如图6所示，压力峰值集中于浇口区域，且沿流动方向呈现压力梯度衰减规律，该分布模式与理论预测及工程经验一致。熔体前沿动力学行为如图7所示，对应时刻的气液相界面分布中，深色区域表征聚丙烯（PP）熔体表相分数，气液界面清晰表征流动前沿形态。可观测到高速充填条件下由Rayleigh-Taylor不稳定性诱导的典型指状渗透结构（finger penetration pattern），验证了所采用模型与方法的可靠性。
图6 压力分布云图
图7 气液相界面演化
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壁面受力及局部流场细节
图8所示为壁面应力矢量在流动Y方向分量的可视化分布，该物理量表征运动流体作用于壁面的总应力（含压力分量与粘性剪切分量），其反作用力即流体所受力，其中，法向压力源自壁面各处流体空间上均匀分布且与加强筋结构无关联，表明壁面压力在法向的积分，粘性剪切力反映流体粘性在壁面切向引发的摩擦效应。由图8可知，壁面应力分布呈几何相关性：加强筋位处应力值较低，而筋间区域应力增大。结合图6压力分布分析，压力场在剪切力分布差异主要由几何特征诱导。值得注意的是该剪切力非均匀分布模式与图1皮纹发白区域高度符合，证明了壁面剪切诱导的取向应力及各向异性微结构是皮纹发白的根本成因。
图8 壁面应力矢量积分流动方向Y分量
为解析壁面剪切力非均匀分布的成因，图9所示为充填过程的速度剖面分布，当流体流经加强筋区域时，流动截面的突扩效应导致部分熔体分流进入筋槽，具体可见加强筋根部流线图。根据流量守恒原理，加强筋区域流速降低，该流速衰减引发壁面速度梯度下降，根据牛顿粘性定律，壁面剪切应力随之减小。这一分布规律符合经典流体动力学理论对突扩流场的预测。
图9 加强筋区域截面流场
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参数研究
为系统探究皮纹发白的优化路径，将基于工艺参数调控与模具结构改进双维度展开论证，并提出针对性解决方案。鉴于注射充填瞬态仿真存在计算成本高、周期长的瓶颈，不利于多参数快速迭代，采用图10所示的平板特征简化流体域模型：保留加强筋核心结构，剔除非关键几何特征。稳态仿真结果显示，壁面剪切应力的非均匀分布模式被准确复现，验证了该简化方法的有效性。后续将依托此高效模型开展参数敏感性研究，量化工艺/几何参数对壁面剪切应力的影响规律。
图10 简化平板模型及其壁面剪切应力分布
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流动速度影响
首先量化研究充填流速对壁面剪切应力的影响规律，在固定其他工艺参数条件下，系统调整入口充填速度（0.5 m/s→1 m/s→2 m/s），如图11所示，壁面剪切应力随流速提升呈增长趋势，2 m/s流速状态下应力水平约为0.5 m/s流速状态下4倍。该现象符合τ∝γ̇，其中，剪切速率γ̇与流速正相关。尽管非牛顿聚合物熔体表现剪切稀化特性（黏度随剪切速率增大而降低），但壁面剪切应力仍呈现剪切速率正相关趋势。此现象源于本构方程中剪切速率的主导作用：τ(γ̇)=η(γ̇)γ̇，当γ̇增大时，η(γ̇)的衰减幅度小于γ̇的增幅，导致净剪切应力升高。这表明在模具设计阶段，通过浇口优化调控高剪切敏感区域（如拐角、狭窄区域）的局部流速分布，可有效抑制皮纹发白缺陷。
图11 流速对壁面剪切应力影响
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流动速度影响
进一步量化熔体黏度对壁面剪切应力的影响规律，在固定参数条件下，系统调控熔体黏度（100 mPa·s→200 mPa·s→500 mPa·s），结果如图12所示，壁面剪切应力随黏度提升呈增长趋势，500 mPa·s黏度状态下应力水平约为100 mPa·s黏度状态下5倍，符合流体本构方程τ(γ̇)=η(γ̇)γ̇的理论预测。这表明在实际生产中，选用低黏度聚合物材料，即流动性好的材料，可降低高剪切敏感区域的应力水平，有效优化皮纹发白问题。尽管低黏度原料可有效抑制皮纹发白，但其较高的采购成本需纳入综合评估。实际应用时，建议基于材料成本增量、质量效益增益及模具维护成本节约权衡决策。
图12 黏度对壁面剪切应力影响
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流动方向曲率影响
如前所述，皮纹发白现象在内凹区域呈现高发态势，而外凸区域发生率较低，表明熔体流动方向上的几何曲率变化是核心诱因。为系统揭示其物理机制，构建了图13所示的特征化计算流体域：①基准平板模型；②内凹皮纹特征模型；③外凸皮纹特征模型。在严格控制其余参数不变条件下，量化分析流动方向曲率变化对壁面剪切应力的调控规律。
图13 平板、皮纹内凹、皮纹外凸结构设置
如图14所示，内凹皮纹区壁面剪切应力高于基准平板模型，外凸皮纹区应力水平最低，与实际观测结果高度一致。该现象源于曲率诱导的流动结构差异：流体流经外凸曲面时，离心力驱动高速主流贴附外侧，导致壁面速度梯度增大，此时外凸皮纹设计减小最远端流体流速，降低剪切速率γ̇，最终抑制发白现象；流体流经内凹曲面时，逆压梯度引发流动分离，皮纹结构进一步阻滞近壁流场，使剪切速率γ̇显著上升，加剧发白风险。皮纹内凹结构应力水平较之皮纹外凸结构提升约9%，仿真与流场解析揭示了皮纹发白的几何敏感机制。
图14 内凹与外凸模型仿真及其壁面剪切应力分布
为精确表征流动方向曲率变化对壁面剪切应力的影响机制，构建图15所示的内凹皮纹特征化计算域，并设计2种对比流动场景：①曲率敏感模式，流体由侧壁入口流入，对侧出口流出，模拟流动方向与内凹曲率最大主方向所在平面共面工况；②平面基准模式：流体由顶端入口流入，底部出口流出，模拟流动方向与内凹曲率最大主方向所在平面垂直工况，实现零曲率梯度流动。两类模式保持流动路径长度相等以及加强筋拓扑构型一致，通过控制其余参数条件不变，聚焦解析流向-曲率耦合作用对壁面剪切应力的独立影响规律。
图15 皮纹内凹结构流向对壁面剪切影响研究几何模型
内凹结构壁面剪切应力与流向关系如图16所示，在曲率敏感模式（存在流动方向曲率变化）下，壁面剪切应力水平较平面基准模式提升1%，印证皮纹发白对流向曲率的敏感性。该现象明确指示模具设计准则：模具设计阶段浇口定位应使熔体主流方向与内凹曲率最大主方向所在平面正交，通过抑制曲率-流动耦合效应降低发白风险。
图16 内凹结构壁面剪切应力与流向关系
▍原文作者：吴涛，张哲，刘灿，于福天，林金山
▍作者单位：比亚迪汽车工业有限公司
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