保 莉，杨 峰，邹朝鑫

（贵州师范大学机械与电气工程学院，贵州 贵阳5500014）

0 引言

注塑成型零件主要是以塑料为原材料经过成型加工获得，常用的塑料成型工艺有注塑成型、压缩成型、挤出成型、传递成型和气压成型等工艺[1]。零件成型过程中冷却系统对于模具温度分布和成型零件质量有重要影响。冷却系统中合理的流道结构设计会加快零件散热速度并减少因温度过高造成的应力集中和零件结构破坏等缺陷，如兰州理工大学的杨莉通过随形水道冷却使得注塑冷却时间大幅降低[2]，河北科技大学的张新聚则利用“以面到体”设计方法实现模具温度下降，并降低了零件翘曲变形[3]。为了进一步提高成型零件的力学性能和质量精度，文章采用ANSYS中FLUENT模块探究注塑零件在不同冷却流道下注塑零件的温度场，并结合传热方程和流体力学方程得到流道壁面与固体区域墙壁的传热系数，通过仿真模拟得到不同流道下零件温度场的分布情况。仿真结果表明在相同参数设置条件下，通过模具温度场分布图和流道壁面与固体壁面区域的热通量分布图分析可得，冷却系统采用弯曲流道的冷却效果优于直流道和双进口流道。利用仿真技术预测模具冷却系统的散热效果能为冷却系统的设计和优化提供必要依据。

1 零件分析及模具设计

1.1 零件分析

影响零件成型质量和精度的因素主要有塑件的原材料、浇注系统的设计和塑件的结构工艺的合理性。零件结构设计应充分考虑零件原材料的成型工艺特性和成型模具的结构，以满足零件力学性能和工艺要求。为了防止零件成型时出现气泡、缩孔、凹陷及开裂等缺陷，一定要确保塑件的结构设计满足成型工艺要求[3，4]。本文分析的零件的形状如图1所示，所采用的材料为PVC，大批量加工。根据工艺参数，本文采用一腔双模结构设计。

图1 零件结构图

1.2 模具设计

注塑模主要应用于热塑性零件的成型，由定模和动模两部分组成[5]。动模和定模分别安装在注射机的定模板和动模板上，在注射机的驱动下形成浇注系统和型腔，注塑零件在型腔成型、冷却后，再被脱模机构推出[6]。注塑模具长度是315 mm，宽度是250 mm，如图2所示。

图2 注塑模具二维图

2 仿真分析

2.1 理论分析

注塑零件在不同流道中的冷却过程可简化为均匀、无内热源的稳态热传导问题，可通过流固耦合分析求解。质量守恒方程即连续性方程满足一切流体问题，其连续性方程的微分形式为[7]：

式中 vx、vy、vz代表三个方向上的速度分量，ρ是密度，t是时间。

流体是液态水，模拟分析时将其看做是恒流，即∂ρ/∂t=0，其形式变为：

能量守恒定律本质是热力学第一定律，满足热交换流动系统中的传热问题。其表达式为：

式中E是流体的总能，h是焓，Keff和τeff是热传导系数，Sh是其他用户自定义的热源项。

注塑零件成型中主要涉及的传热方式是接触传热（导热），在分析计算时不考虑辐射传热和对流传热的影响，即其传热基本方程为：

式中K为传热系数，A为传热面积，△Ttm为传热的平均温差。

通过流体和传热学分析可知，探究流道散热时需要对传热系数进行分析计算。

根据传热学基础中的边界条件可知，传热系数的计算公式为[8]：

式中γ是导热系数，h是传热系数，tf是液态水的温度。

2.2 仿真计算

2.2.1 模型优化与网格划分

为探究注塑零件在不同流道下的模具和零件的温度场分布情况，本文设计三种不同形状的流道，包括圆柱形直流道、弯曲型流道和双进口流道。为了提高计算精度和减小对仿真硬件配置的要求，将原模型存在很多圆角、倒角、螺栓孔，以及不影响温度分布，但会导致模型网格划分质量和计算速度的结构去除[9]。简化模型根据流道形状的不同和进口数量不同分为直流道模型、弯曲流道模型和双进口流道模型，其简化后的三维线框图如图3所示。

图3 流道模型

网格划分方式包括自动划分、四面体网格划分、六面体主导网格划分、结构化网格划分和非结构化网格划分等方法[10]。网格划分质量直接影响分析计算的精度和速度。为了较大程度的模拟热量传递和液体流动的真实性，模具的三维数值模型采用组合网格处理。流道采用非结构化网格划分，其余结构采用结构化网格划分。对应流道形状的不同，三种流道的网格划分如图4所示，下面网格划分图为了显示流道的位置，故将固体区域设为隐藏。

图4 网格划分结果

2.2.2 参数设置与分析计算

求解参数设置包括对自定义的流体域和固体域进行参数设置。在Fluent求解域中将求解类型设置为基于压力模式，速度方程选择绝对速度模式，时间求解类型设置为稳态流动模式。流固耦合分析中牵涉热传学和流体力学，故计算时要打开原来定义好的能量方程，并将流体运动设置为层流。本算例中流体材料是液态水，密度设置为998 kg/m3，比热容为4 182 J/（kgk），传导系数和黏性分别设置成0.6 w/（m·k）和0.001，固体域的材料设成结构钢。另外对流体区域和边界进行参数设置，将流道进口的速度设成0.1 m/s，入口温度最低设成5°，固体域温度入口最高设成70°，出口压力边界设成标准大气压。求解方法选择SIMPLE算法，能量计算是采用标准方法先用一阶格式计算收敛后采用二阶格式计算[11]。对注塑零件模型进行温度场仿真时需要对传热原理进行简化分析。假设如下：

（1）注入模型中的水为液态，并将其在流道中的流动方式看作层流；

（2）将流道看成独立的散热系统，不考虑注塑零件中发生的辐射和对流传热；

（3）材料导热系数和接触面的热系数等参数保持不变；

（4）弯曲流道和开槽流道中的不规则结构视为圆形管道；

（5）忽略进出口温度和压力对层流速度造成的影响。

求解结束，通过后处理得到迭代计算650步时不同流道下零件的温度场分布和相对应的简化后的整体模具温度分布图，如图5所示。

图5 迭代计算500下的不同流道模型的温度分布

冷却系统中流道结构不同导致三种流道散热效果存在差异，从图5可以看出，双进口弯曲流道散热效果与直流道和弯曲流道相比存在明显差异，但直流道和弯曲流道散热效果差异不大。为了比较直流道和弯曲流道散热效果的优越性，继续进行迭代计算。当仿真计算迭代步数为1100时，直流道和弯曲流的温度分布如图6所示，此时弯曲流道模型已近似冷却至室温。通过模拟计算得到直流道冷却至室温时迭代的步数为1300步。

图6 迭代1100步下的温度分布

2.3 注塑零件温度场的分析

2.3.1 各型流道温度大小分析

从仿真分析结果中可以看出，在迭代计算650步时不同流道结构的注塑零件的温度场分布存在明显差异。直流道整体温度差值较大，平均温度分布值较大，最大值和最小值分别是靠近出口位置和入口位置；沿着水流方向模具外部结构温度逐渐降低，但降温速率逐渐缓慢。弯曲流道温度分布相对均匀，整体平均温度差较小，沿着流道方向温度下降速率较快。由于积水槽的作用，双进口流道开始散热较快，但出水口和进水口的尺寸相同，随着换热持续进行，液态水流动相对缓慢，左右两边的直流道中的流体停留时间较长，导致流道温度偏高。从图5可以看出双进口弯曲流道模型冷却效果远低于直流道模型和弯曲流道模型，但直流道模型和弯曲流道模型冷却效果相近。从图6可以看出，迭代计算1100步时弯曲流道模型近似冷却至室温，但是直流道模型换热过程仍在继续，仿真结果得出弯曲流道整体散热效果优于直流道。

2.3.2 各型流道温度分布分析

结合仿真分析云图和边界感热通量图分析各型流道温度分布。边界感热通量分布图如图7所示，分别对应直流道、弯曲流道和双进口流道模型中模具固体区域边界和流道的换热情况。

图7 流道边界感热通量分布

对比图 7（a）和图 7（b）可知，弯曲流道相对直流道而言，与流道周围固体区域进行的换热更加充分和均匀，流道水域的横向温度逐渐减小，是因为边界层的壁面与流道外壁发生的热传导，进而带走大部分的热量，流道中间位置温度分布差较小是因为散热均匀。但流道换热分布不均，且入口处的温度主要来源于边界的固体区域，导致出口处温度较高于进口处温度。直流道和双进口流道出口处温度过高，时间长，由于收缩不均，导致注塑零件发生翘曲变形，影响注塑零件的性能。

3 结束语

本文通过模拟分析了注塑零件在不同流道下的温度场分布。分析结果表明弯曲流道模具内部温度场分布相对稳定，增大了与固体域边界的接触面和与流道边界接触换热充分。弯曲流道冷却系统能使注塑零件迅速散热，加快了注塑零件冷却，避免了因温度梯度过大而造成冷却不均匀或发生变形等缺陷，因此注塑模具流道设计采用弯曲形状。仿真结果验证了合理的流道设计是保证注塑零件精度和力学性能提高的关键，流道的温度场仿真为注塑零件成型中流道的设计和优化提供理论基础。