基于Fluent異型模杯模具的設計

花維維，倪俊芳

(蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

傳統模壓設備由凹模和凸模組成模具，需要保證凸模和凹模表面的高精度要求。雙子彈模壓機主要用于模壓女性模杯。雙子彈模壓機只有凸模和模型腔，故只需要保證凸模的精度。國內外對于女性模杯模壓有廣泛研究，并且取得一定進展。WU L等通過3D Solid 164元素以及模具之間的自動表面到表面接觸來建模[1]，基于有限元分析，使用傳統模具開發也能保證效率和表面質量。潘思晨通過三維數字參數化建模實現模杯個性定制化的功能[2]。由于女性個體模杯的差異性，而且對雙子彈模壓機的異型模杯模具成型研究甚少，因此需要對雙子彈模壓機異型模具設計提出新的要求。本文將通過UG建模，運用Fluent仿真模擬實際加工情況，采用正交試驗設計和實驗對比，加工出適用于雙子彈模壓機的最優異型模杯模具，并實驗驗證了其可行性。

1 熱力學條件及熱力學基礎

雙子彈模壓機在模壓成型過程中，存在熱對流和熱輻射兩種熱傳遞方式。由于雙子彈模壓機模腔壁面恒溫，假設流體是不可壓縮牛頓流體，采用微元法進行離散。因模腔內存在渦旋熱流，且與時間、溫度有關，可表示為：

T=f(x,y,z,τ)

(1)

式中：T為溫度；x、y、z為空間坐標；τ為時間。

式(1)是三維瞬態溫度場，如果溫度值恒定，本雙子彈模壓機模壓過程模型是恒溫模式，所以有：

(2)

對于各相同性材料有傅里葉導熱定律：

(3)

式中：λ表示各向同性材料的導熱系數；后面3項依次代表x、y、z3個方向上的熱流密度。

雙子彈模壓機在模壓過程[3]中遵守能量守恒定律，故有：

(4)

雙子彈模壓機的邊界條件設置如下：

1) 第一類邊界條件。邊界上的溫度與時間的關系：

Tw=f(x,y,z,τ)

(5)

本雙子彈模壓機模壓模具表面和材料接觸面的溫度連續，則為：Tw|1=Tw|2

2) 第二類邊界條件。已知邊界上的熱流密度及其時間的關系：

qw=f(x,y,z,τ)

(6)

雙子彈模壓機布料表面的渦旋熱流密度是連續的，其邊界條件為：qw|1=qw|2

3) 第三類邊界條件。給出表面傳熱系數α及周圍流體溫度Tf：

(7)

熱流耦合數值求解方法是將整體模型進行離散化、整體求解[4]，把不同區域內的傳熱過程進行統一換熱過程求解。這樣縮減不同區域之間的迭代過程，使得計算時間顯著縮短。

2 模壓過程及異型模杯模具正交試驗設計

雙子彈模壓機的結構如圖1所示。在模壓過程中，3D直立棉布料放置在模型腔拼接蓋板2上，模型腔3經電阻絲加熱，待加熱完成，異型模模具1通過氣缸的收縮實現上、下模壓動作，通過代模型腔拼接蓋板2上的兩個通孔進行向下模壓，同時周向渦旋熱風口6吹風，經過孔板4使得風均勻吹拂在模壓織物表面，從而在溫度場作用下模杯成型。

1—子彈頭異型模模具；2—模型腔拼接蓋板；3—高溫模杯成型腔；4—孔板；5—孔板安裝支柱；6—渦旋熱風入口；7—出風口。圖1 雙子彈模壓機結構圖

運用UG NX對異型模杯模具進行建模。由于女性模杯空間是不規則的，而橢球體是抽象為女性模杯的最佳空間模型。運用橢球體作為模杯的基本造型。模具表面橢球體初步由x、y、z三軸的坐標來確定其空間大小，模杯異型模模具采用橢球體為基底，采用橢圓線條縫合曲面進行建模。

異型模模具的空間尺寸以及空間曲面曲率都是由x、y、z三軸方向尺寸來控制的。采用水平因素表1進行正交試驗[5]，得到最優的模具尺寸；采用L16(45)的正交試驗表進行建模；再運用Fluent對這16組模型仿真分析，監測模具表面溫度變化，得到相應的數據。

對模頭表面采取6個點的溫度進行測定，首先選定這6個點的x、y坐標為點1(75，-25)、點2(75，-18)、點3(75，-4.5)、點4(105，-25)、點5(105，-18)、點6(105，-4.5)，以上點的z坐標可以通過橢球空間方程進行求解。

表1 模具水平因素 單位：mm

各因素以0.5mm為水平差異[6]的原因是：1)實際模具加工方法是采用數控加工中心自動化編程加工方法，目前加工中心的普遍精度在0.008mm，該水平差異設計能滿足實際生產需求;2)考慮到現在模具對模杯模壓精度需求不高，模具是用來模壓3D直立棉這類較軟的材料，對于模杯的精度影響可能不是很大，所以采用較大的水平差異。

由極差分析得到橢球的x、y、z三軸的軸半徑分別為44mm、29mm、36mm，這也是最符合在總溫較大的同時模具表面溫差又是最小的要求。

3 有限元分析

3.1 流體模型建模

得到最優的模具參數后，運用Fluent對模杯模具的表面溫度分析時，需要對試驗設備模型腔內的流體模型進行1∶1建模，如圖2所示。

圖2 模型腔內空氣流體模型

3.2 網格劃分

在ICEM-CFD 中選用4面體網格。對空氣流體模型進行網格劃分如圖3所示。此模型是雙子彈模壓機模型腔流體域的1/4，命名邊界名稱并進行網格劃分。控制網格的大小，生成網格，檢查質量。只有少數網格質量在0.2～0.3之間，大部分的網格質量處于0.3以上即可。網格數量60萬個，符合要求，劃分結果如圖4所示。

圖3 空氣流體模型

圖4 網格劃分結果

3.3 邊界條件設置

1) 入口邊界條件設置

模型腔內存在熱流耦合現象渦旋風[7]，對入口條件設置采用udf編程[8]，入口風的溫度為90℃，徑向速度0.2m/s，軸向速度0.4m/s，周向速度設置如下：

#include "udf. h"

DEFINE_PROFILE(inlet_x_velocity, thread, position)

{

real x[ND_ND]; //存儲坐標表示向量

real xc,y;

face_t f;

begin_f_loop(f,thread)

{

F_CENTROID(x, f, thread);

xc=x[0];

y=x[1];

if (0.076>=pow((xc*xc+y*y)/(0.076*0.076),0.5)>=0)

F_PROFILE(f,thread,position)=0.4/atan(0.076)*atan(pow((xc*xc+y*y)/(0.076*0.076),0.5)); //在半徑76mm的圓之內每一點周向速度的分布情況

else F_PROFILE(f, thread, position)=0;//其余位置半徑大于76mm的時候周向速度分布情況

}

end_f_loop(f, thread)

}

2) Fluent仿真結果

模具材質為鋁，模型腔內壁溫度設為180℃，模壓時間設置為40s。由于雙子彈模壓機的模型腔不是封閉的，采用dom輻射模型[9]。求解得到最后的仿真結果如圖5所示。

圖5 模具溫度云圖分布

4 實驗與仿真對比

將加工好的凸模(圖6)，進行模壓實驗，記錄模具上6個點的實時溫度變化(圖7)，利用AT4516溫度測試儀對模具表面6個點的實時溫度進行測試，得到3組數據，取其平均值進行對比，其實驗平臺如圖8所示。

圖6 模具實物加工圖

圖7 模杯三維建模圖

圖8 實驗平臺搭建

實驗過程中溫度誤差在允許范圍之內，與實際溫度相差無幾且穩定在434.15K左右。控制波動在3K之內，利于3D直立棉材質的異型模杯成型。模具表面溫度分布均勻，溫度極差控制在5K之內。由表2的數據對比得到，溫度之差保持在5K之內，差值百分比在±3%以內，滿足溫度值差在3K的業內要求，模具表面溫度達到預期的要求，可以進行生產加工。

表2 數值模擬仿真數據與實驗數據對比

5 結語

在異型模模具的設計中，控制異型模具x、y、z方向尺寸的影響因素，采用正交試驗進行有限元分析，并進行溫度場和流場的耦合仿真，得到其表面溫度分布狀況，獲得異型模模具最優尺寸，并且通過實驗平臺測定模具表面的6點溫度數據，與模擬數據進行對比實驗，驗證了設計的可行性，符合企業實際生產的需求。