熱沖壓成形技術(shù)是一項專門用于成形高強度鋼板沖壓件的新技術(shù)，熱沖壓成形技術(shù)在成形的同時實現(xiàn)對板料快速冷卻，以此獲得具有高強度的沖壓件，高溫下成形幾乎沒有回彈，成形精度高、成形性能良好。因此引起業(yè)界的普遍關(guān)注并迅速成為汽車制造領(lǐng)域的熱門技術(shù)。

熱沖壓成形過程中，模具的冷卻效果（冷卻速度和均勻性）決定板料的成形質(zhì)量，而冷卻效果的好壞則取決于冷卻水的流動。因此，研究熱沖壓成形模具冷卻水的流動對冷卻效果的影響，已經(jīng)成為熱沖壓模具設(shè)計的重要內(nèi)容，其中，冷卻水流動的數(shù)值模擬是目前研究冷卻速度、均勻性和優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的重要方法之一。本文以熱沖壓模具冷卻系統(tǒng)為研究對象，采用數(shù)值模擬方法，考察冷卻管道形狀、數(shù)量和管道直徑等因素對水流速度的影響，得到冷卻水流速的影響規(guī)律。

流體動力學(xué)原理

根據(jù)是否考慮流體的粘性，把流體分為理想流體與實際流體兩類。在理論研究的初期，學(xué)者們通常將流體看做沒有粘性，而進行流體運動仿真時通常需要考慮流體的粘性，即當成實際流體處理，這樣的模擬結(jié)果更貼近實際。

流體迭代求解的基本過程是在空間上用有限體積法或類似方法將計算區(qū)域離散成許多小的體積單元，在每個體積單元上對離散后的控制方程進行求解。SIMPLE算法基于交錯網(wǎng)格，是一種主要用于求解不可壓縮流場的數(shù)值方法，核心是采用“猜測─修正”的過程，在交錯網(wǎng)格的基礎(chǔ)上來計算壓力場，從而達到求解動量方程的目的。

工件降低溫度所釋放比焓正比于冷卻水進出口比焓差，隨著冷卻水流速的增大，冷卻水帶走熱量增多，工件冷卻效果好，因此可以從冷卻水的流動來考察板料的成形效果。本次模擬僅考慮熱成形淬火階段冷卻水路流動。

數(shù)值模擬

圖1 冷卻水路三維模型

模型建立

如圖1所示，為熱沖壓模具冷卻水路三維模型。圖2為入水截面，其中A，A'，B，B'管道直徑為D，C，C'管道直徑為D'，管道間距G＝D/2+5mm，初始入水口與管道中心距離為H，入水口D0取20mm。

邊界條件

選擇FLUENT5/6作為進行CFD計算的求解器。利用GAMBIT自帶的三維建模功能建立模型，采用四面體六面體混合網(wǎng)格劃分法，定義進出水口分別為速度入口邊界、出口流動邊界，外表壁面為wall，輸入mesh文件。導(dǎo)入FLUENT計算迭代，采用SIMPLE算法，湍流模型，流體設(shè)置液態(tài)水。

圖2 入水截面

模擬結(jié)果

不同形狀管道水流流動情況

首先考察圖1冷卻水路三維模型所示的直管道和帶多處彎角的U形管道兩種形狀管道水流流動情況。初始工藝條件設(shè)定入口水速10m/s，管道直徑8mm，管長250mm。

圖3 直管道與U形管道水流速度變化示意圖

圖3所示為直管道與U形管道水流速度變化示意圖，圖3a顯示直管道出、入口水流速度下降，速度差為1.0m/s；圖3b顯示U形管道中水流經(jīng)過各彎角處速度值逐漸下降，出、入口水流速度差為2.1m/s。這是因為U形管中每一次彎角都對水頭有一個沖擊阻力，局部回流沖擊紊亂，水流質(zhì)量差，極大損失了流水速度。而直管道能量消耗小，水路流通速度比U形管好，故盡量減少U形管道的使用。

管道數(shù)量對水流流速的影響

圖4 不同管道數(shù)量下水流水速分布云圖

在初始入水速度10m/s，管道直徑8mm，管道長度500mm情況下，考察管道數(shù)量N分別為6、8、10時的冷卻水流動情況。如圖4所示，為不同管道數(shù)量下水流水速分布云圖。由圖4a、b、c均可見中間管道流速較大，由中間到兩側(cè)管道流速逐漸變小。當N取10時，中間和外側(cè)管道流速差值可達1.42m/s。由以上模擬結(jié)果可知：中間管道流動好，而隨著管道數(shù)量的增多，模具尺寸的增大，由中間到外側(cè)水流速度越來越低，冷卻效果不均勻。

圖5 不同D'下水流速度變化云圖

管道直徑對水流流速的影響

在初始入水速度10m/s，管道數(shù)量為6，管道長度250mm，初始入水口與管道中心距離H為70mm的情況下，研究D為8mm，D'分別為8、10、12mm時的水流速度變化。

如圖5所示，為不同D'下水流速度變化云圖。由于水流經(jīng)由水槽流向冷卻管道，C，C'管道水壓較小，水流沖擊力較小，水流速度較小，與A，A'水速差別較大。隨著D'的增加，水流逐漸增大，A，A'，B，B'，C，C'水路差別越來越小，流動均勻性好。

結(jié)束語

本文通過模擬不同管道參數(shù)下水流流速的變化，得到以下結(jié)論：

⑴減少彎角設(shè)計，可以減少冷卻水流損失。

⑵管道數(shù)量增多，水流流動不均勻。

⑶增加C，C'管直徑，可以改善冷卻水流動均勻性。

熱沖壓成形模具冷卻水流動數(shù)值模擬

文/徐虹，趙海明，谷諍巍，李欣·吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

徐虹，副教授、博士，主要研究方向是超高強鋼冷沖壓/熱沖壓等。

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