COMSOL推動鑄造技術商業(yè)化革新

Iwww.CnT中仿Iwww.CnT中仿￡1技中仿科技公司CnTechCo.,Ltd微波武器的COMSOLMultiphysics仿真數(shù)學模擬已經遠遠超出實驗室研發(fā)的范圍,逐漸成為制造工業(yè)中的制勝法寶。法國RocTool公司的成功就是一個典型的例子。RocTool公司JoseFeigenblum博士說：“很難想象如果沒有COMSOLMultiphysics的幫助，復合型材料快速制模技術能有今天的成就。不得不承認，我們公司的成功和軟件強大的仿真能力有著密不可分的關系?！眱H僅在五年前，RocTool公司還沒有成熟的虛擬仿真技術。在引進COMSOLMultiphysics之后，通過模擬仿真逐開發(fā)出CageSystem成型技術。如果沒有軟件模擬的幫助，RocTool公司很難滿足每一個客戶不同的要求。RocTool是擁有復合型材料快速制模專利技術授權的創(chuàng)新型公司。他們的顧客涉及大型汽車制造、飛機制造、體育和娛樂設備制造等行業(yè)，他們的共同特點是采用輕質高強度復合材料作為主要組件的材料（圖1）。RocTool公司不涉及具體的加工制造過程，主要是為客戶提供集成CageSystem感應加熱方法的生產流水線的解決方案。由最初15名員工發(fā)展起來的RocTool公司去年的銷售額已經接近1500萬歐元，收入全部來自于專利授權和咨詢服務。圖1模具和成型設備樣圖.RocTool提供技術授權，他們的技術可以用在許多不同類型的成型過程中。

針對不同的材料、形狀要求這項技術在應用時差別非常大。更好的控制模具表面加熱利用樹脂傳遞膜成型工藝制作復雜時，模具要有足夠高的溫度來完成對材料的固化，但是在注入位置卻不能溫度過高。一般模具由間距為幾毫米的上下兩個表面組成。模具一般都是金屬材料，常用的給模具加熱有兩種方法：模具表面管道中通入熱油或者熱水，或者將模具放置在加熱盤中。這樣的話，大量的金屬就需要持續(xù)的加熱，并根據用途和模具的差異，加熱可能需要20?50kW功率一天24小時或者一周7天的時間。完整注入、固化循環(huán)過程參數(shù)要根據材料成型要求來確定，以環(huán)氧樹脂為例，需要在90恒溫下加熱15?20分鐘。RocTool公司的工程師們認為一定存在一種更好更快的方法oJoseFeigenblum博士在五年前攻讀博士學全國統(tǒng)一客戶服務熱線：4008885100網址：www.CnT郵箱:info@-1-申仿科技位期間就了解了COMSOLMultiphysics的計算能力，所以在加入RocTool公司之后的第一件事就是說服工程管理部門購買COMSOLMultiphysics軟件。事實證明這是個偉大的決定。利用COMSOLMultiphysics,他們開發(fā)了CageSystems技術，這項技術在2004年申請了專利。這個方法是使用感應線圈包裹金屬模具表面，通過頻率為15?100kHz的高頻信號驅動線圈產生感應電流進而形成高溫。由于趨膚效應，感生電流集中在模具距離外表面0.1或0.2mm。模具具有很高的磁導率，在外場作用下會產生很強渦流，又由于材料本身具有很高電阻，從而可以實現(xiàn)模具表面的局部加熱。而模具外部非磁性材料的傳導表面并沒有明顯受到加熱。當線圈被激發(fā)后，模具表面加熱即刻開始，如果要獲得40*?140oC的溫度就需要200kW或者更高功率。加熱冷卻循環(huán)可以2~5分鐘（圖2）。圖2成型過程示意圖。符合材料放到模具上，然后進行沖壓成型同時感應電流對模具的上下表面進行加熱。當最終的形狀成型后，通過在導管中通入水流對材料進行冷卻。最后材料成型樣本就可以從模具中取下。利用CageSystem技術加工工程師們可以更好的控制溫度循環(huán)。例如，環(huán)氧樹脂在注入和固化的過程中模具需要保持較低的溫度。較低溫度的模具可以解決注入過程中的交聯(lián)問題，但是固化過程卻需要很長的時間。然而，Cage系統(tǒng)能夠將模具預熱到40oC,使得環(huán)氧樹脂在注入時保持很好的黏度，在固化階段溫度可以迅速的升高。使用這項技術，可以將許多加工過程時間損耗降低2~3個數(shù)量級。而且Cage系統(tǒng)適用于很多需要快速加熱和冷卻的模制工序，并且適用于所有類型的成型過程，包括吹制、擠壓、注入、以及壓模。使用感應電流對模具表面加熱存在的問題就是可能出現(xiàn)熱節(jié)。模具表面的形狀會影響磁場進而影響感應電流，在不同形狀的模具表面會產生不同的溫差，會導致成型（澆鑄）材料受熱不均，凸面上溫度過高而凹面上溫度太低。造成這種情況的原因是在凸面上形成很高電流密度，所以加熱也主要集中在這個區(qū)域。然而利用Cage系統(tǒng)，工程師們可以在一些區(qū)域放置低磁材料表面鑲嵌件來控制熱量分布并消除熱節(jié)的形成。數(shù)學建模是決定這些鑲嵌件放置位置的主要途徑。據統(tǒng)計使用這項技術的成本是常規(guī)方法多出15?20%左右，然而生產效率的提高將最終成本降低全國統(tǒng)一客戶服務熱線：4008885100網址：www.CnT郵箱:info@-2-申仿￡1技15~20%左右。例如利用傳統(tǒng)的方法生產20000個自動屋頂需要2個生產單元，生產成本每個90歐元；使用Cage系統(tǒng)生長單元每個成本降低到45歐元。因為Cage系統(tǒng)大幅度縮短了時間消耗，將時間縮短為原來的1/5。為每個客戶量體裁衣在復合材料加工領域，因為沒有一個標準的產品，每一個模具必須根據客戶對材料和規(guī)格需求獨立設計。在這種情況下，COMSOLMultiphysics就起到了關鍵的作用。了解了客戶的需求之后，RocTool工程師們就會根據他們的需求建立模型來分析模具表面的磁場，渦流以及焦耳熱的分布情況。建立3D模型來確定最佳感應線圈配置，實現(xiàn)有效、均勻加熱。材料和形狀是工程師們關注的要素，也是他們可以通過仿真確定的參數(shù)。他們首先利用AC/DC模塊求出線圈產生的場準靜態(tài)電磁場，然后利用這些結果得出模具表面的熱能分布（圖3）。圖3對圖1儀器進行模擬結果，磁通量（流線圖）和溫度分布（彩色。圖紫）色線代表線圈的位置。利用這個模型，工程師們可以獲得線圈的最佳尺寸、位置、以及熱材料性能，來優(yōu)化時間消耗。通過COMSOLMultiphysics的模擬，他們很快了解了線圈數(shù)量和方向位移對于均勻加熱的重要性。如果線圈相對于模具來說不夠長，模具的邊緣會由于磁場強度過低出現(xiàn)低溫區(qū)域。通過模擬，RocTool公司的工程師們可以告訴客戶加工過程中的溫度循環(huán)，以及澆鑄過程中的時間消耗，最后還告訴客戶們整個制造過程中各個部分的預計成本。JoseFeigenblum博士介紹說，他們最新的研究進展是如何利用自動調節(jié)熱場材料來控制熱節(jié)。這些材料當溫度達到他們的居里溫度時磁性就會消失，也就不會再產生感應熱。通過改變這些材料的數(shù)量和位置，就可以很好的控制模具表面的溫度分布。他們通過建立3D幾何模型來研究這些材料的磁場分布，進而確定材料的溫度。當達到居里溫度時，再從新計算磁場的分布，找到新的溫度分布。他們通過COMSOL腳本實現(xiàn)循環(huán)上述的計算。導入客戶的各種CAD模型COMSOLMultiphysics另一個重要的模塊是CAD導入模塊，這樣可以很方便把客戶提供的CAD數(shù)據全國統(tǒng)一客戶服務熱線：4008885100網址：www.CnT郵箱:info@-3-中仿科技公司CnTechCo.,Ltdwww.GnT中仿科技公司CnTechCo.,Ltdwww.GnT導入到COMSOLMultiphysics中進行計算。大量的客戶，特別是汽車制造業(yè)，一般都采用CATIACAD系統(tǒng)設計模型，所以提供的幾何數(shù)據一般都是IGES或者STEP格式。工程師們利用CAD導入模塊將這些幾何模型導入到COMSOLMultiphysics中求解模具表面的溫度分布。部分模型有時會非常復雜，工程師可以通過簡化幾何模型的方法使得模擬更實用。工程師們也常常在模型求解時間和結果的細節(jié)上進行權衡。COMSOLMultiphysics的強大后處理顯示功能也給RocTool公司的工程師們留下了很深的印象(圖4)。當客戶就他們現(xiàn)有的工序提出改進需求時，工程師們能夠一小時之內完成模型建立和求解，并以圖表的形式給出加熱過程的改進意見。在離開公司之前，就能和客戶簽訂合同。JoseFeigenblum博士說，“COMSOLMultiphysics最有吸引力的是對我們的研發(fā)沒有限制?？梢宰屛覀兛吹叫碌姆椒ê蜋C遇，例如當我們利用他去開發(fā)讓RocTool公司成功的新技術。因為COMSOLMultiphysics模擬能幫助工程師們研究全3D模型中的過程，省去了很多的實驗樣本。除此之外，運行這些2OMSOL模型確實有很多的樂趣，特別是當我們面對客戶的時候，我們能盡量讓他們了解我們?yōu)樗麄兯龅囊磺?。”圖4模具模擬結果截面區(qū)域放大圖hot溫標表示感應電流密度A/m2)大小，et溫標表示模具中溫度K)

分布。COMSOL在中國，中仿科技公司(CnTechCo.,Ltd)憑借個性化的解決方案、成熟的CAE產品線、專業(yè)的市場推廣能力以及強有力的技術支持服務贏得了國內眾多科研院所以及企業(yè)的一致認可，目前國內幾乎所有知名大學以及中國科學院下屬各研究所都已選擇使用COMSOLMultiphysics作為其科研分析的CAE主要工具。隨著中仿科技公司(CnTechCo.,Ltd)在全國各地的分公司、CAE技術聯(lián)合中心、CAE培訓中心的成立，為廣大客戶提供更專業(yè)、更周到的本地化技術服務，眾多企業(yè)也紛紛選用COMSOLMultiphysics作為企業(yè)的分析工具，應用全球最先進制造技術，最終增強企業(yè)的核心競爭力，保證了企業(yè)持續(xù)發(fā)展。COMSOLMultiphysics是一款業(yè)界領先的科學仿真軟件，主要是利用偏微分方程來對系統(tǒng)建模和仿真。它的特別之處在于它的多物理場耦合處理能力。從事專業(yè)科學研究的科研人員也可以開發(fā)具有專業(yè)用戶界面和方程設置的附加模塊；現(xiàn)在已經有的模塊有化學工程、地球科學、電磁場、傳熱、微機電系統(tǒng)、結構全國統(tǒng)一客戶服務熱線：4008885100網址：www.CnT郵箱:info@-4-中仿科技公司CnTechCo.,Ltdwww.CnTEch.CQ中仿科技公司CnTechCo.,Ltdwww.CnTEch.CQ申仿￡1技力學、聲學等模塊。軟件可以在多種操作系統(tǒng)上使用，包括Windows、Linux、Solaris、HP-UX等系統(tǒng)。其他可選軟件包有CAD輸入模