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注塑冷却数值分析方法的研究与应用

石宪章  
【摘要】:注塑冷却分析CAE技术在模具制造业越来越受到重视,应用越来越广泛,但它的工程实用性仍然有限,主要受两方面因素的制约:一是分析规模,二是计算速度。由于目前冷却分析模型多为三维稳态边界元模型,采用的算法是耦合迭代算法,即联立求解模具温度场边界积分方程组和塑件一维热传导有限差分方程组,因为边界元方程组的系数矩阵为满阵,规模较大时,耦合迭代算法极易发散,另外耦合迭代算法花费大量时间计算中间结果,且难以对算法采取优化措施,因此计算效率低,这两个因素严重制约了冷却分析的工程实用性。针对这两个问题,本文对上述分析模型和算法进行了较大的改进,改进后的模型在计算规模和速度方面都有较大的突破,原来规模大难以计算的模型现在都能顺利进行分析计算,采用快速算法时,计算时间仅为原方法的十分之一左右,有效提高了冷却分析CAE的分析能力和工程实用性。主要工作包括: 1、推导了第一类非对称边界条件下平板塑件一维瞬态热传导方程解析解,进一步将模具型腔表面热流处理为模具型腔表面温度的线性关系表达式,再将这一线性关系引入冷却分析边界元方程组,形成了新的边界元迭代模型,它只用迭代计算边界元方程组,取代原来的边界元方程组与塑件导热有限差分方程组耦合迭代的模型,提高了计算效率,扩展了计算的规模。且新的模型将模具外表面当作有限大非绝热球面处理,取代原来的当作无限大绝热球面的处理方法,由于考虑了模具外表面的传热,新的模型较原模型更接近于实际。 2、在管网分析中,应用《图论》知识,提出一种管网基本圈优化的方法,应用该方法可以找出管网中包含的一组最小基本圈,有利于提高管网分析中冷却剂流量分配计算的精度。 3、对于管道单元的积分,本文推导并应用了冷却管道高阶椭圆积分计算公式,在此基础上,进一步采用降维处理的方法,将二维管道单元简化为一维线单元,简化了计算,达到了提高计算速度、缩短计算时间的目的。 4、应用最小二乘原理优化松弛因子,在计算过程中动态调整松弛因子的大小,使得每一步迭代以较快的速度趋近于真解,提高计算速度。 5、基于注塑冷却边界元矩阵方程组系数矩阵为满阵的特点,采用单元虚拟合并的方法,将原模型由一个大型矩阵分解为一个小型的合并矩阵和数个小型的分解矩阵,大量缩短了计算时间,该方法同时减少了内外存之间数据交换的次数,在提高计算速度,缩短计算时间上效果显著。 6、针对模内复膜这一新的成型技术,本文利用注塑冷却分析将模具型腔表面离散为平面三角单元的特点,将薄膜和塑件视为两层具有良好接触的平板,


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