外文翻譯--注塑成型冷卻過程的仿真 中文版.doc

第6卷第2期自然科學(xué)進展國家重點實驗室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)科點專項科研基金資助項目翻譯注塑成型冷卻過程的仿真盧義強李德群肖景容（華中理工大學(xué)塑性成型及模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢430074）摘要采用邊界元法，對注塑成型過程中的冷卻過程進行了仿真。對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行計算，對模具采用特解邊元法進行計算。多個工廠的應(yīng)用表明，系統(tǒng)的運行速度快、計算精度高。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，對制品的精度和表面質(zhì)量要求越來越高。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)驗進行設(shè)計往往難以滿足要求。采用模具CAD/CAE是解決這個問題的有效途徑。20世紀(jì)80年代初，美國的AcTech公司、澳大利亞的Moldflow公司、德國IKV研究所等相繼開始開發(fā)對注塑模的流動、保壓、冷卻進行仿真的系統(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)中大都采用線形冷卻水管來近千差萬別的冷卻裝置，非穩(wěn)態(tài)過程冷卻仿真對模具和制品一般采用一維有限差分法，計算精度不高，為了提高模擬的精度和軟件的實用性，本文針對實際應(yīng)用中的冷卻裝置提出了合理的分類分析方法，采用特解邊界元法與有限差分法結(jié)合進行非穩(wěn)態(tài)冷卻模擬，開發(fā)了整套冷卻分析系統(tǒng)。1.注塑成型過程的理論分析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)域的溫度波動是，注塑模的冷卻過程訥個可以看作三維穩(wěn)態(tài)傳熱問題，其控制方程及邊界條件為：第6卷第2期自然科學(xué)進展國家重點實驗室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)科點專項科研基金資助項目式中T為溫度，K為導(dǎo)熱系數(shù)，T0為給定溫度，Te為對流介質(zhì)的溫度，h為對流換熱系數(shù)。引入滿足三位傳熱問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方向的尺寸小一個數(shù)量級以上，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，否則會造成積分方程的系數(shù)矩陣的狀態(tài)變壞，這種小網(wǎng)格劃分是一般微機的容量所不能承受的，為此，采用“中面邊界元法”計算型腔面，得到以下僅考慮型面時的方程組：其中T為型腔壁面，T*為控制方程的基本解，T為對應(yīng)的兩型腔壁面的溫差，為對應(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特征，將冷卻裝置分為兩大類：管類和板類。管類的幾何特點是，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性處理；板類的幾何特點是，橫截面上兩坐標(biāo)方向的尺寸相差一個數(shù)量級以上，冷卻水道只能近似用面處理。管類冷卻裝置包括直圓柱管、曲圓柱管、螺旋形水管等，板類冷卻裝置包括隔板管、噴流管等。1.2.1管類內(nèi)冷裝置的邊界積分方程管類冷水道的等效直徑遠遠小于水道長度和模具外形尺寸，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遠小于其它單元，會造成矩陣的惡狀態(tài)變壞。本文中將圓柱簡化為線，同樣引入控制方程的基本解T*，采用加權(quán)余量法進行變換，可以將管類冷卻裝置時的邊界元方程表示為：第6卷第2期自然科學(xué)進展國家重點實驗室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)科點專項科研基金資助項目1.2.2板類內(nèi)冷裝置的邊界積分方程板類內(nèi)冷裝置的截面都為一狹縫，狹縫相對兩側(cè)相距很近，其數(shù)值比其它兩個方向的數(shù)值小一個數(shù)量值左右，采用標(biāo)準(zhǔn)的邊界元法同樣會產(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)過推導(dǎo)可以得出，壓縮后的兩面sc1與sc2上的滿足傳熱控制方程的基本解得數(shù)值相等，但由于法線方向相反，基本解對反法向德導(dǎo)數(shù)也大小相等、方向相反，既有同樣采用加權(quán)余量法對三維穩(wěn)態(tài)傳熱方程式（1）進行變換，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）式對積分點的法向求導(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，由于制品的長寬兩個方向的尺寸遠遠大于厚度方向上的第6卷第2期自然科學(xué)進展國家重點實驗室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)科點專項科研基金資助項目尺寸，加之塑料的導(dǎo)熱率遠遠低于金屬模具的導(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，即將制品的傳熱過程看作一維費穩(wěn)態(tài)傳熱過程，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）式對齊的齊次方程V2T=0的邊界積分方程（2）進行變換可以得到：對于注塑模具，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