外文翻译--注塑成型冷却过程的仿真 中文版

1、翻译注塑成型冷却过程的仿真摘要 采用边界元法，对注塑成型过程中的冷却过程进行了仿真。对多种工程中常用的冷却装置提出了适当的处理方法。为了分析非稳态过程，将制品分成许多薄层，层与层之间的传热采用有限差分法进行计算，对模具采用特解边元法进行计算。多个工厂的应用表明，系统的运行速度快、计算精度高。关键词 注塑成型 冷却仿真 边界元法 有限差分法随着塑料工业的迅速发展，对制品的精度和表面质量要求越来越高。而由于塑料品种增多，塑料制品的结构变的复杂，凭经验进行设计往往难以满足要求。采用模具CAD/CAE是解决这个问题的有效途径。20世纪80年代初，美国的Ac Tech公司、澳大利亚的Moldflow公司

2、、德国IKV研究所等相继开始开发对注塑模的流动、保压、冷却进行仿真的系统，至今比较成功的冷却分析系统有C-MOLD3.0，Moldcool等。这些冷却系统中大都采用线形冷却水管来近千差万别的冷却装置，非稳态过程冷却仿真对模具和制品一般采用一维有限差分法，计算精度不高，为了提高模拟的精度和软件的实用性，本文针对实际应用中的冷却装置提出了合理的分类分析方法，采用特解边界元法与有限差分法结合进行非稳态冷却模拟，开发了整套冷却分析系统。1. 注塑成型过程的理论分析不考虑注塑循环中中型腔附近区域的温度波动是，注塑模的冷却过程讷个可以看作三维稳态传热问题，其控制方程及边界条件为：式中T为温度，K为导热系数

3、，T0为给定温度，Te为对流介质的温度，h为对流换热系数。引入满足三位传热问题的控制方程的基本解T*采用加全余量法，可以将方程（1）进行变换得到的标准的边界积分方程为式中为基本解的法向导数，C为与边界形状有关的导数。由于注塑模的型腔间距比其它两个方向的尺寸小一个数量级以上，应用标准的边界积分公司要求划分的网格尺寸与间距为同一数量级，否则会造成积分方程的系数矩阵的状态变坏，这种小网格划分是一般微机的容量所不能承受的，为此，采用“中面边界元法”计算型腔面，得到以下仅考虑型面时的方程组：其中T为型腔壁面，T*为控制方程的基本解，T为对应的两型腔壁面的温差，为对应的两型腔壁面上的流通流量之和。据测量，

4、注塑摸95%的热量都是由冷却水管带走的，因此在温度分析中必须考虑冷却水管的作用，即边界元方法中必须分析水管的边界。按照冷却装置的集合性质和冷却水在其中的流动特征，将冷却装置分为两大类：管类和板类。管类的几何特点是，冷却装置的横截面上两坐标方向的尺寸相近，冷却水道可近似用线性处理；板类的几何特点是，横截面上两坐标方向的尺寸相差一个数量级以上，冷却水道只能近似用面处理。管类冷却装置包括直圆柱管、曲圆柱管、螺旋形水管等，板类冷却装置包括隔板管、喷流管等。管类冷水道的等效直径远远小于水道长度和模具外形尺寸，如采用常规边界元法，需要将水道沿截面划分为多段，而且由于冷却水道单元远远小于其它单元，会造成矩阵

5、的恶状态变坏。本文中将圆柱简化为线，同样引入控制方程的基本解T*，采用加权余量法进行变换，可以将管类冷却装置时的边界元方程表示为：1.2.2 板类内冷装置的边界积分方程板类内冷装置的截面都为一狭缝，狭缝相对两侧相距很近，其数值比其它两个方向的数值小一个数量值左右，采用标准的边界元法同样会产生很大的误差。为此，将其两面向其中心面压缩，如图1所示。经过推导可以得出，压缩后的两面sc1与sc2上的满足传热控制方程的基本解得数值相等，但由于法线方向相反，基本解对反法向德导数也大小相等、方向相反，既有同样采用加权余量法对三维稳态传热方程式（1）进行变换，并将（5）式代入变换后的积分方程，可以得出利用（6

6、）式只能求出两壁的温差Tsc,为了求出两壁的温度TSC1, TSC2,需要i增加同样数量的方程组，将（6）式对积分点的法向求导，可以得出将制品分为10层，由于制品的长宽两个方向的尺寸远远大于厚度方向上的尺寸，加之塑料的导热率远远低于金属模具的导热率，可以忽略制品在面内的传热，假设制品只沿厚度方向上传热，即将制品的传热过程看作一维费稳态传热过程，其传热方程为式中K为导热系数，x为制品的厚度坐标。采用有限差分法求解（8）式，为了得到比较高的差分精度，本文采用加权六点差分格式：模具内部没有热源存在，其三维非稳态传热方程为：式中K为导温系数，将（10）式对齐的齐次方程V2T=0的边界积分方程（2）进行

7、变换可以得到：对于注塑模具，由于模具的两型腔相距很近，如直接采用（18）式则要求边界元网格划分非常细，一般的微机的内存不能承受。考虑到模具的外表面传递的热量仅有5%左右，可以对模具沿型腔面进行剖分，型腔面及冷却水管以外的区域都作为半无限体处理（如图2所示）。对于剖分后型芯和型腔部分，可以利用（18）式求解各个时间步的瞬态温度场。2. 仿真结果及分析作者采用本系统对两种不同类型的制品的冷却过程进行了冷却模拟，如图3所示为上海无线电厂的接插件零件，由于制品的尺寸很小，不宜采用内冷却装置，只采用了一根外部冷却水管，图4为在冷却时间为2S和顶出示制品的温度分布，可以看出，由于制品的恶薄厚不均，冷却时的

8、温度分布也不均匀，厚壁处（D=2mm）的温度比壁薄处（D=1mm）高8oC左右。从其随时间变化情况看，在2S时，制品的法兰及底部由于壁厚都为2MM， 温度比较高，为180oC左右，法兰部位由于离冷却水管较近，散热条件较好，温度降低较快，在冷却过程完成时期温度比底部厚壁处低4oC左右，仿真结果与工程实际极其相符。另一制品为带翼板的五面盒，盒底、盒壁及翼板厚度均为3mm，在盒内采用喷流管，外部采用两根直圆柱冷却水管。顶出时制品及型芯的温度分布如图5所示，可以看出，喷流管对冷却有明显的效果，制品及型芯的底部都呈与喷流管对于得环状分布，底部中心位置温度最低，侧壁温度也呈条状分布。由于侧壁型腔内有两根直圆柱管冷却水管，对应的两面制品的温度最低。翼板由于散热条件好，虽然周围没有设置冷却水