保 莉，楊 峰，鄒朝鑫

（貴州師范大學機械與電氣工程學院，貴州 貴陽5500014）

0 引言

注塑成型零件主要是以塑料為原材料經(jīng)過成型加工獲得，常用的塑料成型工藝有注塑成型、壓縮成型、擠出成型、傳遞成型和氣壓成型等工藝[1]。零件成型過程中冷卻系統(tǒng)對于模具溫度分布和成型零件質量有重要影響。冷卻系統(tǒng)中合理的流道結構設計會加快零件散熱速度并減少因溫度過高造成的應力集中和零件結構破壞等缺陷，如蘭州理工大學的楊莉通過隨形水道冷卻使得注塑冷卻時間大幅降低[2]，河北科技大學的張新聚則利用“以面到體”設計方法實現(xiàn)模具溫度下降，并降低了零件翹曲變形[3]。為了進一步提高成型零件的力學性能和質量精度，文章采用ANSYS中FLUENT模塊探究注塑零件在不同冷卻流道下注塑零件的溫度場，并結合傳熱方程和流體力學方程得到流道壁面與固體區(qū)域墻壁的傳熱系數(shù)，通過仿真模擬得到不同流道下零件溫度場的分布情況。仿真結果表明在相同參數(shù)設置條件下，通過模具溫度場分布圖和流道壁面與固體壁面區(qū)域的熱通量分布圖分析可得，冷卻系統(tǒng)采用彎曲流道的冷卻效果優(yōu)于直流道和雙進口流道。利用仿真技術預測模具冷卻系統(tǒng)的散熱效果能為冷卻系統(tǒng)的設計和優(yōu)化提供必要依據(jù)。

1 零件分析及模具設計

1.1 零件分析

影響零件成型質量和精度的因素主要有塑件的原材料、澆注系統(tǒng)的設計和塑件的結構工藝的合理性。零件結構設計應充分考慮零件原材料的成型工藝特性和成型模具的結構，以滿足零件力學性能和工藝要求。為了防止零件成型時出現(xiàn)氣泡、縮孔、凹陷及開裂等缺陷，一定要確保塑件的結構設計滿足成型工藝要求[3，4]。本文分析的零件的形狀如圖1所示，所采用的材料為PVC，大批量加工。根據(jù)工藝參數(shù)，本文采用一腔雙模結構設計。

圖1 零件結構圖

1.2 模具設計

注塑模主要應用于熱塑性零件的成型，由定模和動模兩部分組成[5]。動模和定模分別安裝在注射機的定模板和動模板上，在注射機的驅動下形成澆注系統(tǒng)和型腔，注塑零件在型腔成型、冷卻后，再被脫模機構推出[6]。注塑模具長度是315 mm，寬度是250 mm，如圖2所示。

圖2 注塑模具二維圖

2 仿真分析

2.1 理論分析

注塑零件在不同流道中的冷卻過程可簡化為均勻、無內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)熱傳導問題，可通過流固耦合分析求解。質量守恒方程即連續(xù)性方程滿足一切流體問題，其連續(xù)性方程的微分形式為[7]：

式中 vx、vy、vz代表三個方向上的速度分量，ρ是密度，t是時間。

流體是液態(tài)水，模擬分析時將其看做是恒流，即?ρ/?t=0，其形式變?yōu)椋?/p>

能量守恒定律本質是熱力學第一定律，滿足熱交換流動系統(tǒng)中的傳熱問題。其表達式為：

式中E是流體的總能，h是焓，Keff和τeff是熱傳導系數(shù)，Sh是其他用戶自定義的熱源項。

注塑零件成型中主要涉及的傳熱方式是接觸傳熱（導熱），在分析計算時不考慮輻射傳熱和對流傳熱的影響，即其傳熱基本方程為：

式中K為傳熱系數(shù)，A為傳熱面積，△Ttm為傳熱的平均溫差。

通過流體和傳熱學分析可知，探究流道散熱時需要對傳熱系數(shù)進行分析計算。

根據(jù)傳熱學基礎中的邊界條件可知，傳熱系數(shù)的計算公式為[8]：

式中γ是導熱系數(shù)，h是傳熱系數(shù)，tf是液態(tài)水的溫度。

2.2 仿真計算

2.2.1 模型優(yōu)化與網(wǎng)格劃分

為探究注塑零件在不同流道下的模具和零件的溫度場分布情況，本文設計三種不同形狀的流道，包括圓柱形直流道、彎曲型流道和雙進口流道。為了提高計算精度和減小對仿真硬件配置的要求，將原模型存在很多圓角、倒角、螺栓孔，以及不影響溫度分布，但會導致模型網(wǎng)格劃分質量和計算速度的結構去除[9]。簡化模型根據(jù)流道形狀的不同和進口數(shù)量不同分為直流道模型、彎曲流道模型和雙進口流道模型，其簡化后的三維線框圖如圖3所示。

圖3 流道模型

網(wǎng)格劃分方式包括自動劃分、四面體網(wǎng)格劃分、六面體主導網(wǎng)格劃分、結構化網(wǎng)格劃分和非結構化網(wǎng)格劃分等方法[10]。網(wǎng)格劃分質量直接影響分析計算的精度和速度。為了較大程度的模擬熱量傳遞和液體流動的真實性，模具的三維數(shù)值模型采用組合網(wǎng)格處理。流道采用非結構化網(wǎng)格劃分，其余結構采用結構化網(wǎng)格劃分。對應流道形狀的不同，三種流道的網(wǎng)格劃分如圖4所示，下面網(wǎng)格劃分圖為了顯示流道的位置，故將固體區(qū)域設為隱藏。

圖4 網(wǎng)格劃分結果

2.2.2 參數(shù)設置與分析計算

求解參數(shù)設置包括對自定義的流體域和固體域進行參數(shù)設置。在Fluent求解域中將求解類型設置為基于壓力模式，速度方程選擇絕對速度模式，時間求解類型設置為穩(wěn)態(tài)流動模式。流固耦合分析中牽涉熱傳學和流體力學，故計算時要打開原來定義好的能量方程，并將流體運動設置為層流。本算例中流體材料是液態(tài)水，密度設置為998 kg/m3，比熱容為4 182 J/（kgk），傳導系數(shù)和黏性分別設置成0.6 w/（m·k）和0.001，固體域的材料設成結構鋼。另外對流體區(qū)域和邊界進行參數(shù)設置，將流道進口的速度設成0.1 m/s，入口溫度最低設成5°，固體域溫度入口最高設成70°，出口壓力邊界設成標準大氣壓。求解方法選擇SIMPLE算法，能量計算是采用標準方法先用一階格式計算收斂后采用二階格式計算[11]。對注塑零件模型進行溫度場仿真時需要對傳熱原理進行簡化分析。假設如下：

（1）注入模型中的水為液態(tài)，并將其在流道中的流動方式看作層流；

（2）將流道看成獨立的散熱系統(tǒng)，不考慮注塑零件中發(fā)生的輻射和對流傳熱；

（3）材料導熱系數(shù)和接觸面的熱系數(shù)等參數(shù)保持不變；

（4）彎曲流道和開槽流道中的不規(guī)則結構視為圓形管道；

（5）忽略進出口溫度和壓力對層流速度造成的影響。

求解結束，通過后處理得到迭代計算650步時不同流道下零件的溫度場分布和相對應的簡化后的整體模具溫度分布圖，如圖5所示。

圖5 迭代計算500下的不同流道模型的溫度分布

冷卻系統(tǒng)中流道結構不同導致三種流道散熱效果存在差異，從圖5可以看出，雙進口彎曲流道散熱效果與直流道和彎曲流道相比存在明顯差異，但直流道和彎曲流道散熱效果差異不大。為了比較直流道和彎曲流道散熱效果的優(yōu)越性，繼續(xù)進行迭代計算。當仿真計算迭代步數(shù)為1100時，直流道和彎曲流的溫度分布如圖6所示，此時彎曲流道模型已近似冷卻至室溫。通過模擬計算得到直流道冷卻至室溫時迭代的步數(shù)為1300步。

圖6 迭代1100步下的溫度分布

2.3 注塑零件溫度場的分析

2.3.1 各型流道溫度大小分析

從仿真分析結果中可以看出，在迭代計算650步時不同流道結構的注塑零件的溫度場分布存在明顯差異。直流道整體溫度差值較大，平均溫度分布值較大，最大值和最小值分別是靠近出口位置和入口位置；沿著水流方向模具外部結構溫度逐漸降低，但降溫速率逐漸緩慢。彎曲流道溫度分布相對均勻，整體平均溫度差較小，沿著流道方向溫度下降速率較快。由于積水槽的作用，雙進口流道開始散熱較快，但出水口和進水口的尺寸相同，隨著換熱持續(xù)進行，液態(tài)水流動相對緩慢，左右兩邊的直流道中的流體停留時間較長，導致流道溫度偏高。從圖5可以看出雙進口彎曲流道模型冷卻效果遠低于直流道模型和彎曲流道模型，但直流道模型和彎曲流道模型冷卻效果相近。從圖6可以看出，迭代計算1100步時彎曲流道模型近似冷卻至室溫，但是直流道模型換熱過程仍在繼續(xù)，仿真結果得出彎曲流道整體散熱效果優(yōu)于直流道。

2.3.2 各型流道溫度分布分析

結合仿真分析云圖和邊界感熱通量圖分析各型流道溫度分布。邊界感熱通量分布圖如圖7所示，分別對應直流道、彎曲流道和雙進口流道模型中模具固體區(qū)域邊界和流道的換熱情況。

圖7 流道邊界感熱通量分布

對比圖 7（a）和圖 7（b）可知，彎曲流道相對直流道而言，與流道周圍固體區(qū)域進行的換熱更加充分和均勻，流道水域的橫向溫度逐漸減小，是因為邊界層的壁面與流道外壁發(fā)生的熱傳導，進而帶走大部分的熱量，流道中間位置溫度分布差較小是因為散熱均勻。但流道換熱分布不均，且入口處的溫度主要來源于邊界的固體區(qū)域，導致出口處溫度較高于進口處溫度。直流道和雙進口流道出口處溫度過高，時間長，由于收縮不均，導致注塑零件發(fā)生翹曲變形，影響注塑零件的性能。

3 結束語

本文通過模擬分析了注塑零件在不同流道下的溫度場分布。分析結果表明彎曲流道模具內(nèi)部溫度場分布相對穩(wěn)定，增大了與固體域邊界的接觸面和與流道邊界接觸換熱充分。彎曲流道冷卻系統(tǒng)能使注塑零件迅速散熱，加快了注塑零件冷卻，避免了因溫度梯度過大而造成冷卻不均勻或發(fā)生變形等缺陷，因此注塑模具流道設計采用彎曲形狀。仿真結果驗證了合理的流道設計是保證注塑零件精度和力學性能提高的關鍵，流道的溫度場仿真為注塑零件成型中流道的設計和優(yōu)化提供理論基礎。