基于ANSYS吹塑模具冷卻系統的熱—流耦合分析

佟克偉

摘要：為了研究吹塑模具冷卻系統的設計，運用ANSYS workbench有限元軟件，對模具的冷卻管的尺寸，冷卻管的預埋深度進行分析比較，最終確定更加適合吹塑模具冷卻的管道。結果證明，利用有限元技術可以加快模具的設計，提高效率。

關鍵詞：冷卻系統；熱-流耦合；ANSYS workbench

0引言

ANSYS是一種廣泛的商業套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機械結構系統受到外力負載所出現的反應，例如應力、位移、溫度等，根據該反應可知道機械結構系統受到外力負載后的狀態，進而判斷是否符合設計要求。本文根據冷卻管對型坯的降溫情況，利用ANSYS Workbench有限元分析軟件選用能夠全面模擬冷卻管對型坯降溫情況的熱-流耦合來進行分析計算，最后根據計算結果云圖確定更加適合冷卻的管道。

1管道對型坯降溫冷卻的熱-流耦合分析

1.1冷卻管尺寸的確定

根據實際情況，可對冷卻模型的外部條件做出設定，設定中確定模型和周圍空氣的熱交換形式為熱對流，冷卻管道冷卻的時間為30s，并確定周圍空氣溫度為22℃，模具和周圍空氣的對流系數為5w/（m2/k），而型坯的初始溫度為22℃。當中空吹塑機械的擠出機頭擠出圓形型坯時，型坯的溫度為220℃左右。另外，對于模具部分的冷卻系統，能夠獲得冷卻液的流速為v=0.5m/s，冷卻水的進口溫度20℃，出口外部環境溫度為22℃，出口為環境壓力，一個標準大氣壓。最終獲得冷卻管計算結果云圖。本文在冷卻分析中，首先將冷卻管參數分成2組數據進行研究，最終可通過兩組數據的分析檢驗來確定優化冷卻銅管的直徑。冷卻管參數如表1所示。

根據熱-流耦合計算結果云圖所示可知，一號管和二號管對型坯的降溫情況幾乎想同，進水口溫度較低，大約在293K，出水口相較入水口溫度高一些，大約在297K，基本上符合實際中入水口、出水口的溫度情況。本型坯內的溫度基本上在293K至297K之間，符合正常工作時，型坯內部的溫度值，故冷卻管道能夠滿足對型坯的降溫效果。另外，對比一號管和二號管的計算結果云圖可知，一號管的降溫效果稍好于二號管的降溫效果，一號管冷卻的型坯整體溫度略低于二號管冷卻的型坯，故本文選擇降溫效果更加優越的一號管。

1.2冷卻管預埋深度

冷卻管預埋的深度及以及冷卻水的流速對制品的冷卻效果也有一定的影響，因此本文在確定一號管為最佳冷卻管后，還需要進一步確定冷卻管的預埋深度及其流速，冷卻管預埋深度及流速如表2所示。研究的邊界條件和上述所施加的一樣，不同的是需要對不同預埋深度和不同流速進行研究，首先確定預埋深度。

根據圖3、圖4的計算結果云圖可知，兩種種預埋深度都比較符合冷卻管對型坯的降溫情況，但是根據具體型坯的具體溫度值可知，冷卻管5mm的預埋深度降溫效果較差，最好的冷卻管降溫效果是預埋深度為9mm，故最終確定冷卻管的預埋深度為9mm。

另外，通過確定管號、預埋深度，反過來看其流體的溫度和速度變化情況，即如圖5所示的流體場溫度計算結果云圖，如圖6所示的流體速度計算結果云圖可知，流體在入水口溫度較低，流速較大，隨著管道趨勢的變化，流體溫度逐漸升高，而流速也呈現降低的趨勢，這種現象比較符合流體在實際中的工作狀況，故能夠間接驗證，上述研究結果具有一定的正確性。

2結論

本文通過利用ANSYS Workbench有限元分析軟件全面模擬冷卻管道對型坯的降溫情況，進行了熱-流耦合的分析計算，最終根據計算結果云圖的比對，確定了更加符合實際降溫效果的冷卻管道的型號、預埋深度，并用流體的溫度和流速計算結果云圖反過來驗證分析計算的正確性。本章內容充分使實踐和理論相結合，故研究結果具有一定的可靠性。endprint