熱沖壓成形模具冷卻水流動(dòng)數(shù)值模擬

熱沖壓成形技術(shù)是一項(xiàng)專門(mén)用于成形高強(qiáng)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(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)板料快速冷卻，以此獲得具有高強(qiáng)度的沖壓件，高溫下成形幾乎沒(méi)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(chē)制造領(lǐng)域的熱門(mén)技術(shù)。

熱沖壓成形過(guò)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(dòng)。因此，研究熱沖壓成形模具冷卻水的流動(dòng)對(duì)冷卻效果的影響，已經(jīng)成為熱沖壓模具設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，其中，冷卻水流動(dòng)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(duì)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(duì)水流速度的影響，得到冷卻水流速的影響規(guī)律。

流體動(dòng)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(shí)際流體兩類(lèi)。在理論研究的初期，學(xué)者們通常將流體看做沒(méi)有粘性，而進(jìn)行流體運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)通常需要考慮流體的粘性，即當(dāng)成實(shí)際流體處理，這樣的模擬結(jié)果更貼近實(shí)際。

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

工件降低溫度所釋放比焓正比于冷卻水進(jìn)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(dòng)來(lái)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(dòng)。

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(jìn)行CFD計(jì)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(jìn)出水口分別為速度入口邊界、出口流動(dòng)邊界，外表壁面為wall，輸入mesh文件。導(dǎo)入FLUENT計(jì)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(dòng)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(dòng)情況。初始工藝條件設(shè)定入口水速10m/s，管道直徑8mm，管長(zhǎng)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(guò)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?yàn)閁形管中每一次彎角都對(duì)水頭有一個(gè)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(duì)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(zhǎng)度500mm情況下，考察管道數(shù)量N分別為6、8、10時(shí)的冷卻水流動(dòng)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(jiàn)中間管道流速較大，由中間到兩側(cè)管道流速逐漸變小。當(dāng)N取10時(shí)，中間和外側(cè)管道流速差值可達(dá)1.42m/s。由以上模擬結(jié)果可知：中間管道流動(dòng)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(lái)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(duì)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(zhǎng)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(shí)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(lái)越小，流動(dòng)均勻性好。

結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)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?gòu)澖窃O(shè)計(jì)，可以減少冷卻水流損失。

⑵管道數(shù)量增多，水流流動(dòng)不均勻。

⑶增加C，C'管直徑，可以改善冷卻水流動(dòng)均勻性。

熱沖壓成形模具冷卻水流動(dòng)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(qiáng)鋼冷沖壓/熱沖壓等。

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