基于ANSYS吹塑模具冷卻系統(tǒng)的熱—流耦合分析

佟克偉

摘要：為了研究吹塑模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，運(yùn)用ANSYS workbench有限元軟件，對(duì)模具的冷卻管的尺寸，冷卻管的預(yù)埋深度進(jìn)行分析比較，最終確定更加適合吹塑模具冷卻的管道。結(jié)果證明，利用有限元技術(shù)可以加快模具的設(shè)計(jì)，提高效率。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng)；熱-流耦合；ANSYS workbench

0引言

ANSYS是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。本文根據(jù)冷卻管對(duì)型坯的降溫情況，利用ANSYS Workbench有限元分析軟件選用能夠全面模擬冷卻管對(duì)型坯降溫情況的熱-流耦合來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果云圖確定更加適合冷卻的管道。

1管道對(duì)型坯降溫冷卻的熱-流耦合分析

1.1冷卻管尺寸的確定

根據(jù)實(shí)際情況，可對(duì)冷卻模型的外部條件做出設(shè)定，設(shè)定中確定模型和周?chē)諝獾臒峤粨Q形式為熱對(duì)流，冷卻管道冷卻的時(shí)間為30s，并確定周?chē)諝鉁囟葹?2℃，模具和周?chē)諝獾膶?duì)流系數(shù)為5w/（m2/k），而型坯的初始溫度為22℃。當(dāng)中空吹塑機(jī)械的擠出機(jī)頭擠出圓形型坯時(shí)，型坯的溫度為220℃左右。另外，對(duì)于模具部分的冷卻系統(tǒng)，能夠獲得冷卻液的流速為v=0.5m/s，冷卻水的進(jìn)口溫度20℃，出口外部環(huán)境溫度為22℃，出口為環(huán)境壓力，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。最終獲得冷卻管計(jì)算結(jié)果云圖。本文在冷卻分析中，首先將冷卻管參數(shù)分成2組數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，最終可通過(guò)兩組數(shù)據(jù)的分析檢驗(yàn)來(lái)確定優(yōu)化冷卻銅管的直徑。冷卻管參數(shù)如表1所示。

根據(jù)熱-流耦合計(jì)算結(jié)果云圖所示可知，一號(hào)管和二號(hào)管對(duì)型坯的降溫情況幾乎想同，進(jìn)水口溫度較低，大約在293K，出水口相較入水口溫度高一些，大約在297K，基本上符合實(shí)際中入水口、出水口的溫度情況。本型坯內(nèi)的溫度基本上在293K至297K之間，符合正常工作時(shí)，型坯內(nèi)部的溫度值，故冷卻管道能夠滿足對(duì)型坯的降溫效果。另外，對(duì)比一號(hào)管和二號(hào)管的計(jì)算結(jié)果云圖可知，一號(hào)管的降溫效果稍好于二號(hào)管的降溫效果，一號(hào)管冷卻的型坯整體溫度略低于二號(hào)管冷卻的型坯，故本文選擇降溫效果更加優(yōu)越的一號(hào)管。

1.2冷卻管預(yù)埋深度

冷卻管預(yù)埋的深度及以及冷卻水的流速對(duì)制品的冷卻效果也有一定的影響，因此本文在確定一號(hào)管為最佳冷卻管后，還需要進(jìn)一步確定冷卻管的預(yù)埋深度及其流速，冷卻管預(yù)埋深度及流速如表2所示。研究的邊界條件和上述所施加的一樣，不同的是需要對(duì)不同預(yù)埋深度和不同流速進(jìn)行研究，首先確定預(yù)埋深度。

根據(jù)圖3、圖4的計(jì)算結(jié)果云圖可知，兩種種預(yù)埋深度都比較符合冷卻管對(duì)型坯的降溫情況，但是根據(jù)具體型坯的具體溫度值可知，冷卻管5mm的預(yù)埋深度降溫效果較差，最好的冷卻管降溫效果是預(yù)埋深度為9mm，故最終確定冷卻管的預(yù)埋深度為9mm。

另外，通過(guò)確定管號(hào)、預(yù)埋深度，反過(guò)來(lái)看其流體的溫度和速度變化情況，即如圖5所示的流體場(chǎng)溫度計(jì)算結(jié)果云圖，如圖6所示的流體速度計(jì)算結(jié)果云圖可知，流體在入水口溫度較低，流速較大，隨著管道趨勢(shì)的變化，流體溫度逐漸升高，而流速也呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象比較符合流體在實(shí)際中的工作狀況，故能夠間接驗(yàn)證，上述研究結(jié)果具有一定的正確性。

2結(jié)論

本文通過(guò)利用ANSYS Workbench有限元分析軟件全面模擬冷卻管道對(duì)型坯的降溫情況，進(jìn)行了熱-流耦合的分析計(jì)算，最終根據(jù)計(jì)算結(jié)果云圖的比對(duì)，確定了更加符合實(shí)際降溫效果的冷卻管道的型號(hào)、預(yù)埋深度，并用流體的溫度和流速計(jì)算結(jié)果云圖反過(guò)來(lái)驗(yàn)證分析計(jì)算的正確性。本章內(nèi)容充分使實(shí)踐和理論相結(jié)合，故研究結(jié)果具有一定的可靠性。endprint