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1、第13卷第10期中 国 塑 料Vol13No101999年10月CHINAPLASTICSOct1999注塑冷却的数值模拟郭志英 李德群 胡俊翘(华中理工大学模具技术国家重点实验室,武汉430074)摘 要以注塑制品的温度变化为对象,考虑了注塑制品出模后的冷却过程。系统地对注塑模具的冷却过程以及制品在注塑模具内和出模后的冷却过程进行集成分析。建立了冷却过程的数学模型,并采用边界元法和有限差分法求解成型过程中模具的温度分布和制品在模具内和出模后的温度分布。关键词:冷却模拟 导热方程 有限差分法 边界元法的计
2、算更正确。0 前言1 模具内的冷却模拟注塑冷却模拟是注塑成型CAE的一个重要部分。但目前,绝大多数软件的冷却模111 数学模型的建立拟都是基于注塑成型工艺过程,即流动、保压注塑过程中的传热现象很复杂,包括制阶段之后的冷却过程。本文以制品的温度变品内的热交换、制品与模具之间的热交换、模化为对象,考虑制品出模后的冷却,模拟注塑具与冷却介质的热交换、模具外表面与外界模具的冷却过程和制品由熔融塑料经注塑成环境的热交换。对模具和制品分别建立其传型并在出模后冷至室温的温度变化过程。也热的数学模型,并耦合求解可得模具和
3、制品就是说,注塑冷却集成模拟是对制品在注塑的温度场。模具内的冷却过程和出模后的自然冷却过程在建立模具的数学模型时,作如下假设:以及注塑模具的冷却过程进行模拟。(1)忽略模具与熔体间的间隙热阻,并视注塑模具内的冷却分析能计算制品所需模具材料的导热性能为各向同性。的冷却时间、制品及模具的温度分布。利用(2)只考虑模具与冷却介质及塑料制品分析结果,调整注塑模具冷却系统的布置,优之间的热传导和热对流,而对模具外表面的化工艺条件和塑料材料的选取,以提高制品辐射热作近似估算。因为通过模具外表面辐质量和生产效率。制品出
4、模后的冷却分析,射而散失的热量少于总热量的5%。可以使注塑冷却模拟软件更准确地计算制品模具三维稳态温度场的导热方程可用的温度变化,并可使制品中残余应力的计算LAPLACE方程表示为:更为准确。制品出模时,常常没有完全固化。2229T9T9T2+2+2=0P(x,y,z)∈Ω这时,制品的应力状态可能发生巨大的改变,9x9y9z故出模后制品的冷却分析能更准确预测制品(1)内温度随时间的变化,能使制品内应力状态式中 T———模具的温度Ω———模具区域收稿日期:1999-03-22x,y,z———模具内某点位置坐
5、标©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.82注塑冷却的数值模拟初始条件为:Tm———模具温度T=T0(t=0)(2)112 求解方法式中 T0———初始温度自Brebbia提出边界元法后,该方法以其给定边界温度条件为:独特的优势被广泛应用。但是,由于注塑模T=Tb(3)的结构特点,采用标准边界元法需要对整个式中 Tb———给定边界的温度模具进行剖分,其应用也局限于二维分析,如对流边界条件为:最先用边界元模拟冷却过程的B
6、arone和[1]9TCaulk。为了进行三维冷却过程,Rezayat-K1()=h1(T-Tc)(4)[2,3]9n和Burton首先将用于断裂分析中的边界式中 K1———模具的热传导系数元法成功地应用于注塑模的冷却过程模拟。[4～6]h1———模具与冷却介质的热交换系数后有许多学者采用“中面边界元法”计算Tc———冷却介质温度模具的温度场。对于制品的温度场,则采用n———模具型腔表面的法线方向有限差分法进行分析,并与模具的边界元分在建立制品的数学模型时,作如下假设:析进行迭代耦合。(1)考虑到塑料的导
7、热率远远低于金属11211“中面边界元法”求解模具的温度场模具的导热率,可以忽略制品在平面内的传为避免对狭长模具型腔面的网格剖分,热,假设制品只沿厚度方向传热。本文采用中心面边界元法,如图1所示。(2)假设塑料的热物性参数(ρ、c、K)不取模具型腔的中心面Sm代替模腔面,随温度发生变化。S+和S-分别为中心面所对应的上、下型腔(3)忽略塑料潜热和粘热效应。潜热只面,在进行边界元计算时,通过计算中心面的对结晶塑料很重要,因此,本文的冷却模拟只温度分布以及对上、下型腔面热流量耦合分适用于无定形塑料。析得到上、
8、下型腔面的温差,从而确定模腔面根据以上所作的假设,制品只沿厚度方的温度场。向传热,即将制品的传热过程看作一维瞬态传热过程,则制品一维瞬态问题的传热方程为:29T′9T′K22=ρc(5)9x9t式中 ρ、c———塑料的密度和比热图1 采用中面边界元的几何边界条件K2———塑料的热传导系数对模具外表面Se,依据实验结果,模具T′———制品的温度温度的变化主要发生在模腔表面以下5mm初始条件为:左右,且通过模具外表面所散失的热量仅
