外文翻譯--注塑成型冷卻過(guò)程的仿真 中文版.doc

第6卷第2期自然科學(xué)進(jìn)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1996年3月1994-04-13收稿，1994-09-02收修改稿*高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目翻譯注塑成型冷卻過(guò)程的仿真盧義強(qiáng)李德群肖景容（華中理工大學(xué)塑性成型及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074）摘要采用邊界元法，對(duì)注塑成型過(guò)程中的冷卻過(guò)程進(jìn)行了仿真。對(duì)多種工程中常用的冷卻裝置提出了適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?。為了分析非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，將制品分成許多薄層，層與層之間的傳熱采用有限差分法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)模具采用特解邊元法進(jìn)行計(jì)算。多個(gè)工廠(chǎng)的應(yīng)用表明，系統(tǒng)的運(yùn)行速度快、計(jì)算精度高。關(guān)鍵詞注塑成型冷卻仿真邊界元法有限差分法隨著塑料工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)制品的精度和表面質(zhì)量要求越來(lái)越高。而由于塑料品種增多，塑料制品的結(jié)構(gòu)變的復(fù)雜，憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)往往難以滿(mǎn)足要求。采用模具CAD/CAE是解決這個(gè)問(wèn)題的有效途徑。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)的AcTech公司、澳大利亞的Moldflow公司、德國(guó)IKV研究所等相繼開(kāi)始開(kāi)發(fā)對(duì)注塑模的流動(dòng)、保壓、冷卻進(jìn)行仿真的系統(tǒng)，至今比較成功的冷卻分析系統(tǒng)有C-MOLD3.0，Moldcool等。這些冷卻系統(tǒng)中大都采用線(xiàn)形冷卻水管來(lái)近千差萬(wàn)別的冷卻裝置，非穩(wěn)態(tài)過(guò)程冷卻仿真對(duì)模具和制品一般采用一維有限差分法，計(jì)算精度不高，為了提高模擬的精度和軟件的實(shí)用性，本文針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的冷卻裝置提出了合理的分類(lèi)分析方法，采用特解邊界元法與有限差分法結(jié)合進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)冷卻模擬，開(kāi)發(fā)了整套冷卻分析系統(tǒng)。1.注塑成型過(guò)程的理論分析1.1型腔面穩(wěn)態(tài)冷卻分析的邊界積分方程不考慮注塑循環(huán)中中型腔附近區(qū)域的溫度波動(dòng)是，注塑模的冷卻過(guò)程訥個(gè)可以看作三維穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題，其控制方程及邊界條件為：第6卷第2期自然科學(xué)進(jìn)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1996年3月1994-04-13收稿，1994-09-02收修改稿*高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目式中T為溫度，K為導(dǎo)熱系數(shù)，T0為給定溫度，Te為對(duì)流介質(zhì)的溫度，h為對(duì)流換熱系數(shù)。引入滿(mǎn)足三位傳熱問(wèn)題的控制方程的基本解T*采用加全余量法，可以將方程（1）進(jìn)行變換得到的標(biāo)準(zhǔn)的邊界積分方程為式中為基本解的法向?qū)?shù)，C為與邊界形狀有關(guān)的導(dǎo)數(shù)。由于注塑模的型腔間距比其它兩個(gè)方向的尺寸小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的邊界積分公司要求劃分的網(wǎng)格尺寸與間距為同一數(shù)量級(jí)，否則會(huì)造成積分方程的系數(shù)矩陣的狀態(tài)變壞，這種小網(wǎng)格劃分是一般微機(jī)的容量所不能承受的，為此，采用“中面邊界元法”計(jì)算型腔面，得到以下僅考慮型面時(shí)的方程組：其中T為型腔壁面，T*為控制方程的基本解，T為對(duì)應(yīng)的兩型腔壁面的溫差，為對(duì)應(yīng)的兩型腔壁面上的流通流量之和。1.2冷卻裝置的邊界積分方程據(jù)測(cè)量，注塑摸95%的熱量都是由冷卻水管帶走的，因此在溫度分析中必須考慮冷卻水管的作用，即邊界元方法中必須分析水管的邊界。按照冷卻裝置的集合性質(zhì)和冷卻水在其中的流動(dòng)特征，將冷卻裝置分為兩大類(lèi)：管類(lèi)和板類(lèi)。管類(lèi)的幾何特點(diǎn)是，冷卻裝置的橫截面上兩坐標(biāo)方向的尺寸相近，冷卻水道可近似用線(xiàn)性處理；板類(lèi)的幾何特點(diǎn)是，橫截面上兩坐標(biāo)方向的尺寸相差一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，冷卻水道只能近似用面處理。管類(lèi)冷卻裝置包括直圓柱管、曲圓柱管、螺旋形水管等，板類(lèi)冷卻裝置包括隔板管、噴流管等。1.2.1管類(lèi)內(nèi)冷裝置的邊界積分方程管類(lèi)冷水道的等效直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水道長(zhǎng)度和模具外形尺寸，如采用常規(guī)邊界元法，需要將水道沿截面劃分為多段，而且由于冷卻水道單元遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它單元，會(huì)造成矩陣的惡狀態(tài)變壞。本文中將圓柱簡(jiǎn)化為線(xiàn)，同樣引入控制方程的基本解T*，采用加權(quán)余量法進(jìn)行變換，可以將管類(lèi)冷卻裝置時(shí)的邊界元方程表示為：第6卷第2期自然科學(xué)進(jìn)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1996年3月1994-04-13收稿，1994-09-02收修改稿*高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目1.2.2板類(lèi)內(nèi)冷裝置的邊界積分方程板類(lèi)內(nèi)冷裝置的截面都為一狹縫，狹縫相對(duì)兩側(cè)相距很近，其數(shù)值比其它兩個(gè)方向的數(shù)值小一個(gè)數(shù)量值左右，采用標(biāo)準(zhǔn)的邊界元法同樣會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。為此，將其兩面向其中心面壓縮，如圖1所示。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可以得出，壓縮后的兩面sc1與sc2上的滿(mǎn)足傳熱控制方程的基本解得數(shù)值相等，但由于法線(xiàn)方向相反，基本解對(duì)反法向德導(dǎo)數(shù)也大小相等、方向相反，既有同樣采用加權(quán)余量法對(duì)三維穩(wěn)態(tài)傳熱方程式（1）進(jìn)行變換，并將（5）式代入變換后的積分方程，可以得出利用（6）式只能求出兩壁的溫差Tsc,為了求出兩壁的溫度TSC1,TSC2,需要i增加同樣數(shù)量的方程組，將（6）式對(duì)積分點(diǎn)的法向求導(dǎo)，可以得出1.3制品的非穩(wěn)態(tài)傳熱分析方法將制品分為10層，由于制品的長(zhǎng)寬兩個(gè)方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度方向上的第6卷第2期自然科學(xué)進(jìn)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1996年3月1994-04-13收稿，1994-09-02收修改稿*高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目尺寸，加之塑料的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬模具的導(dǎo)熱率，可以忽略制品在面內(nèi)的傳熱，假設(shè)制品只沿厚度方向上傳熱，即將制品的傳熱過(guò)程看作一維費(fèi)穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，其傳熱方程為式中K為導(dǎo)熱系數(shù)，x為制品的厚度坐標(biāo)。采用有限差分法求解（8）式，為了得到比較高的差分精度，本文采用加權(quán)六點(diǎn)差分格式：1.4模具的非穩(wěn)態(tài)傳熱分析方法模具內(nèi)部沒(méi)有熱源存在，其三維非穩(wěn)態(tài)傳熱方程為：式中K為導(dǎo)溫系數(shù)，將（10）式對(duì)齊的齊次方程V2T=0的邊界積分方程（2）進(jìn)行變換可以得到：對(duì)于注塑模具，由于模具的兩型腔相距很近，如直接采用（18）式則要求邊界元網(wǎng)格劃分