數(shù)值模擬技術(shù)在冰箱模具設(shè)計中的應(yīng)用

王羅海 滁州市鍇模裝備模具制造有限公司 張春雨 李忠芳 于敏 安徽科技學(xué)院

伴隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和有限元法的不斷完善，許多通用的板料成形專用分析軟件已經(jīng)進(jìn)入了實用階段。板材成形數(shù)值模擬技術(shù)已在板材成形領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。板材成形理論與材料力學(xué)、計算數(shù)學(xué)、計算力學(xué)、沖壓工藝、計算機科學(xué)等學(xué)科的交叉，產(chǎn)生了板材成形數(shù)值模擬技術(shù)。運用此技術(shù)，可對汽車覆蓋件的成型過程進(jìn)行定量分析和計算機數(shù)值模擬，預(yù)測模具設(shè)計中可能存在的缺陷，減少模具試驗次數(shù)，提高模具研發(fā)效率，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強企業(yè)的市場競爭力。

一、數(shù)值模擬技術(shù)概述

數(shù)值仿真又稱計算機模擬，借助于計算機，聯(lián)合有限體積法及有限元法，經(jīng)過圖像及數(shù)值計算，可以對工程問題、物理問題甚至自然界中的各種問題進(jìn)行研究。具體的計算是在計算機上進(jìn)行的，和物理實驗非常相似。此時，分析家們紛紛跳出數(shù)學(xué)方程式的圈子，對發(fā)生的物理現(xiàn)象進(jìn)行研究，就像做物理實驗一樣。事實上，數(shù)值模擬應(yīng)被理解為使用計算機進(jìn)行試驗。比如，可以計算一個特定翼面周圍的流場并在屏幕上顯示出來，能夠清楚了解各項細(xì)節(jié)，激波的位置，強度，分離，面壓分布，力的大小跟著時間的變化而發(fā)生變化。這種方式能夠清楚了解到激波運動，渦流的產(chǎn)生和傳播。結(jié)果表明，數(shù)值模擬能夠逼真地還原流動情景，與實驗結(jié)果基本一致[1]。

二、數(shù)值模擬技術(shù)的注意事項及工作原理

冰箱模具在設(shè)計制造過程中，有幾個方面值得我們注意，這與產(chǎn)品的質(zhì)量和性能有直接關(guān)系。在模具設(shè)計中應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)也必須注意這些基本要求。一是冰箱門，冰箱門內(nèi)膽四周采用鉸鏈?zhǔn)酵夥Y(jié)構(gòu)，中間凸出部分采用筒體縮回抽芯機構(gòu)；模具的加熱、冷卻應(yīng)采用水循環(huán)方式進(jìn)行加熱、冷卻；為保證模具加熱、冷卻溫度均勻，模具內(nèi)部水道系統(tǒng)布置均勻，避免因溫度不均而造成局部應(yīng)力集中，影響產(chǎn)品質(zhì)量。數(shù)值仿真必須保證模具的加熱、冷卻和氣動系統(tǒng)不會發(fā)生泄漏。此外，在數(shù)值模擬時，模具相關(guān)部位應(yīng)設(shè)置密封圈，密封材料應(yīng)采用硅橡膠或硅海綿；冰箱模具的底座和上壓框應(yīng)設(shè)計成焊接件，底座內(nèi)部要密封，上壓框應(yīng)安裝輔助壓模，以便形成門密封槽。因此，將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到建模中，必須保證整個冰箱結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，冰箱內(nèi)外及材料的選擇都要進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值采集[2]。

在冰箱模具設(shè)計過程中，數(shù)據(jù)仿真技術(shù)首先要利用建模軟件建立能夠反映設(shè)計本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。具體來說，需要建立反映冰箱各部件數(shù)量的微分方程及相應(yīng)的定解條件。這一步是冰箱建模的起點。如果沒有精確、完善的數(shù)學(xué)模型，冰箱的數(shù)值模擬技術(shù)就不會有太大的優(yōu)勢，在對冰箱進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模之后，下一步要解決的問題是如何在此基礎(chǔ)上找到一種更高效、更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)計算方法[3]。許多數(shù)值方法是經(jīng)過長期努力而發(fā)展起來的。它們不僅包括微分方程的離散化和解法，而且還包括實體坐標(biāo)系統(tǒng)的建立以及邊界條件處理。在確定了計算冰箱總數(shù)據(jù)的方法和坐標(biāo)之后，就可以開始計算冰箱的電量了。在整個計算完成之后，大量的數(shù)據(jù)只能通過圖像來顯示，所以數(shù)值顯示在圖像中也是一項很重要的工作。

三、數(shù)值模擬技術(shù)的步驟

建立數(shù)學(xué)模型反映問題的本質(zhì)。建立微分方程與定解的具體對應(yīng)條件是必要的。它是數(shù)值計算的起點。如果數(shù)學(xué)模型不正確和完善，數(shù)值模擬就不可能實現(xiàn)。著名的N-Stokes方程和相應(yīng)的定解條件為牛頓流體流動數(shù)學(xué)模型。在建立數(shù)學(xué)模型之后，要解決的問題是如何找到一種有效而精確的計算方法，因為人們的努力，發(fā)明了許多數(shù)值方法。它不僅包括微分方程的離散化和解的問題，而且包括實體坐標(biāo)系統(tǒng)的建立和邊界條件處理問題，這類以往人們所忽視或回避的問題，越來越引起人們的關(guān)注。計算方法和坐標(biāo)系確定之后，就可以開始編程計算，實際操作中，這部分工作是整個工作的主體，占據(jù)了大部分時間。因為方程是一類非常復(fù)雜的非線性方程，其數(shù)值解方法在理論上尚不完善，因此需要進(jìn)行實驗驗證。在這種意義下，數(shù)值模擬又被稱為數(shù)值試驗。現(xiàn)在，人們已經(jīng)能像照相一樣照出真實的照片，用錄像機或投影儀可以顯示動態(tài)過程，模擬的程度更高，更真實[4]。

四、數(shù)值模擬技術(shù)在冰箱模具中的應(yīng)用

采用數(shù)值模擬技術(shù)，可利用計算機智能技術(shù)對冰箱模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，流動冷卻和材料形成都有物理過程。它廣泛應(yīng)用于冷空氣動力學(xué)仿真，制冷機設(shè)計，水箱運行調(diào)節(jié)等領(lǐng)域。本文首先采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型和近流線數(shù)值模擬方法，通過對冷藏箱的作用、運轉(zhuǎn)及制冷功率的數(shù)值研究，了解冰箱制冷系統(tǒng)的循環(huán)及其對模擬數(shù)據(jù)的影響；這在很大程度上避免了制冷系統(tǒng)不協(xié)調(diào)和不必要的損失。然后，通過模具試驗，利用數(shù)值模擬的方法，對冰箱模具的高、長、寬進(jìn)行了數(shù)值比較，得出冰箱在一定范圍內(nèi)的實際數(shù)據(jù)，并根據(jù)實際數(shù)據(jù)計算出整個模具和外模的設(shè)計格式。該系統(tǒng)可對冰箱的外部設(shè)計和內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行精確地計算。

五、總結(jié)

數(shù)值仿真技術(shù)經(jīng)過長期的發(fā)展，能夠完成更為復(fù)雜的建模任務(wù)。通過對冷藏器模具進(jìn)行數(shù)值模擬，可以使模具的數(shù)值計算更加精確。提升生產(chǎn)率，確保產(chǎn)品品質(zhì)。采用數(shù)值仿真技術(shù)，不僅可以降低模具開發(fā)成本，而且可以大大縮短模具開發(fā)周期。在計算機技術(shù)和有限元理論不斷發(fā)展的今天，數(shù)值模擬技術(shù)可以更快、更真實地反映沖壓工藝過程中的各種問題，對生產(chǎn)實踐具有指導(dǎo)意義。