基于Fluent异型模杯模具的设计

2021-02-03花维维倪俊芳

机械制造与自动化 2021年1期

花维维，倪俊芳

(苏州大学机电工程学院，江苏苏州 215021)

0 引言

传统模压设备由凹模和凸模组成模具，需要保证凸模和凹模表面的高精度要求。双子弹模压机主要用于模压女性模杯。双子弹模压机只有凸模和模型腔，故只需要保证凸模的精度。国内外对于女性模杯模压有广泛研究，并且取得一定进展。WU L等通过3D Solid 164元素以及模具之间的自动表面到表面接触来建模[1]，基于有限元分析，使用传统模具开发也能保证效率和表面质量。潘思晨通过三维数字参数化建模实现模杯个性定制化的功能[2]。由于女性个体模杯的差异性，而且对双子弹模压机的异型模杯模具成型研究甚少，因此需要对双子弹模压机异型模具设计提出新的要求。本文将通过UG建模，运用Fluent仿真模拟实际加工情况，采用正交试验设计和实验对比，加工出适用于双子弹模压机的最优异型模杯模具，并实验验证了其可行性。

1 热力学条件及热力学基础

双子弹模压机在模压成型过程中，存在热对流和热辐射两种热传递方式。由于双子弹模压机模腔壁面恒温，假设流体是不可压缩牛顿流体，采用微元法进行离散。因模腔内存在涡旋热流，且与时间、温度有关，可表示为：

T=f(x,y,z,τ)

(1)

式中：T为温度；x、y、z为空间坐标；τ为时间。

式(1)是三维瞬态温度场，如果温度值恒定，本双子弹模压机模压过程模型是恒温模式，所以有：

(2)

对于各相同性材料有傅里叶导热定律：

(3)

式中：λ表示各向同性材料的导热系数；后面3项依次代表x、y、z3个方向上的热流密度。

双子弹模压机在模压过程[3]中遵守能量守恒定律，故有：

(4)

双子弹模压机的边界条件设置如下：

1) 第一类边界条件。边界上的温度与时间的关系：

Tw=f(x,y,z,τ)

(5)

本双子弹模压机模压模具表面和材料接触面的温度连续，则为：Tw|1=Tw|2

2) 第二类边界条件。已知边界上的热流密度及其时间的关系：

qw=f(x,y,z,τ)

(6)

双子弹模压机布料表面的涡旋热流密度是连续的，其边界条件为：qw|1=qw|2

3) 第三类边界条件。给出表面传热系数α及周围流体温度Tf：

(7)

热流耦合数值求解方法是将整体模型进行离散化、整体求解[4]，把不同区域内的传热过程进行统一换热过程求解。这样缩减不同区域之间的迭代过程，使得计算时间显著缩短。

2 模压过程及异型模杯模具正交试验设计

双子弹模压机的结构如图1所示。在模压过程中，3D直立棉布料放置在模型腔拼接盖板2上，模型腔3经电阻丝加热，待加热完成，异型模模具1通过气缸的收缩实现上、下模压动作，通过代模型腔拼接盖板2上的两个通孔进行向下模压，同时周向涡旋热风口6吹风，经过孔板4使得风均匀吹拂在模压织物表面，从而在温度场作用下模杯成型。

1—子弹头异型模模具；2—模型腔拼接盖板；3—高温模杯成型腔；4—孔板；5—孔板安装支柱；6—涡旋热风入口；7—出风口。图1 双子弹模压机结构图

运用UG NX对异型模杯模具进行建模。由于女性模杯空间是不规则的，而椭球体是抽象为女性模杯的最佳空间模型。运用椭球体作为模杯的基本造型。模具表面椭球体初步由x、y、z三轴的坐标来确定其空间大小，模杯异型模模具采用椭球体为基底，采用椭圆线条缝合曲面进行建模。

异型模模具的空间尺寸以及空间曲面曲率都是由x、y、z三轴方向尺寸来控制的。采用水平因素表1进行正交试验[5]，得到最优的模具尺寸；采用L16(45)的正交试验表进行建模；再运用Fluent对这16组模型仿真分析，监测模具表面温度变化，得到相应的数据。

对模头表面采取6个点的温度进行测定，首先选定这6个点的x、y坐标为点1(75，-25)、点2(75，-18)、点3(75，-4.5)、点4(105，-25)、点5(105，-18)、点6(105，-4.5)，以上点的z坐标可以通过椭球空间方程进行求解。

表1 模具水平因素单位：mm

各因素以0.5mm为水平差异[6]的原因是：1)实际模具加工方法是采用数控加工中心自动化编程加工方法，目前加工中心的普遍精度在0.008mm，该水平差异设计能满足实际生产需求;2)考虑到现在模具对模杯模压精度需求不高，模具是用来模压3D直立棉这类较软的材料，对于模杯的精度影响可能不是很大，所以采用较大的水平差异。

由极差分析得到椭球的x、y、z三轴的轴半径分别为44mm、29mm、36mm，这也是最符合在总温较大的同时模具表面温差又是最小的要求。

3 有限元分析

3.1 流体模型建模

得到最优的模具参数后，运用Fluent对模杯模具的表面温度分析时，需要对试验设备模型腔内的流体模型进行1∶1建模，如图2所示。

图2 模型腔内空气流体模型

3.2 网格划分

在ICEM-CFD 中选用4面体网格。对空气流体模型进行网格划分如图3所示。此模型是双子弹模压机模型腔流体域的1/4，命名边界名称并进行网格划分。控制网格的大小，生成网格，检查质量。只有少数网格质量在0.2～0.3之间，大部分的网格质量处于0.3以上即可。网格数量60万个，符合要求，划分结果如图4所示。

图3 空气流体模型

图4 网格划分结果

3.3 边界条件设置

1) 入口边界条件设置

模型腔内存在热流耦合现象涡旋风[7]，对入口条件设置采用udf编程[8]，入口风的温度为90℃，径向速度0.2m/s，轴向速度0.4m/s，周向速度设置如下：

#include "udf. h"

DEFINE_PROFILE(inlet_x_velocity, thread, position)

{

real x[ND_ND]; //存储坐标表示向量

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)); //在半径76mm的圆之内每一点周向速度的分布情况

else F_PROFILE(f, thread, position)=0;//其余位置半径大于76mm的时候周向速度分布情况

}

end_f_loop(f, thread)

}

2) Fluent仿真结果

模具材质为铝，模型腔内壁温度设为180℃，模压时间设置为40s。由于双子弹模压机的模型腔不是封闭的，采用dom辐射模型[9]。求解得到最后的仿真结果如图5所示。

图5 模具温度云图分布

4 实验与仿真对比

将加工好的凸模(图6)，进行模压实验，记录模具上6个点的实时温度变化(图7)，利用AT4516温度测试仪对模具表面6个点的实时温度进行测试，得到3组数据，取其平均值进行对比，其实验平台如图8所示。

图6 模具实物加工图

图7 模杯三维建模图

图8 实验平台搭建

实验过程中温度误差在允许范围之内，与实际温度相差无几且稳定在434.15K左右。控制波动在3K之内，利于3D直立棉材质的异型模杯成型。模具表面温度分布均匀，温度极差控制在5K之内。由表2的数据对比得到，温度之差保持在5K之内，差值百分比在±3%以内，满足温度值差在3K的业内要求，模具表面温度达到预期的要求，可以进行生产加工。