數值模擬技術在冰箱模具設計中的應用

王羅海 滁州市鍇模裝備模具制造有限公司 張春雨 李忠芳 于敏 安徽科技學院

伴隨著計算機技術的迅速發展和有限元法的不斷完善，許多通用的板料成形專用分析軟件已經進入了實用階段。板材成形數值模擬技術已在板材成形領域得到廣泛的應用。板材成形理論與材料力學、計算數學、計算力學、沖壓工藝、計算機科學等學科的交叉，產生了板材成形數值模擬技術。運用此技術，可對汽車覆蓋件的成型過程進行定量分析和計算機數值模擬，預測模具設計中可能存在的缺陷，減少模具試驗次數，提高模具研發效率，降低成本，提高產品質量，增強企業的市場競爭力。

一、數值模擬技術概述

數值仿真又稱計算機模擬，借助于計算機，聯合有限體積法及有限元法，經過圖像及數值計算，可以對工程問題、物理問題甚至自然界中的各種問題進行研究。具體的計算是在計算機上進行的，和物理實驗非常相似。此時，分析家們紛紛跳出數學方程式的圈子，對發生的物理現象進行研究，就像做物理實驗一樣。事實上，數值模擬應被理解為使用計算機進行試驗。比如，可以計算一個特定翼面周圍的流場并在屏幕上顯示出來，能夠清楚了解各項細節，激波的位置，強度，分離，面壓分布，力的大小跟著時間的變化而發生變化。這種方式能夠清楚了解到激波運動，渦流的產生和傳播。結果表明，數值模擬能夠逼真地還原流動情景，與實驗結果基本一致[1]。

二、數值模擬技術的注意事項及工作原理

冰箱模具在設計制造過程中，有幾個方面值得我們注意，這與產品的質量和性能有直接關系。在模具設計中應用數值模擬技術也必須注意這些基本要求。一是冰箱門，冰箱門內膽四周采用鉸鏈式外翻結構，中間凸出部分采用筒體縮回抽芯機構；模具的加熱、冷卻應采用水循環方式進行加熱、冷卻；為保證模具加熱、冷卻溫度均勻，模具內部水道系統布置均勻，避免因溫度不均而造成局部應力集中，影響產品質量。數值仿真必須保證模具的加熱、冷卻和氣動系統不會發生泄漏。此外，在數值模擬時，模具相關部位應設置密封圈，密封材料應采用硅橡膠或硅海綿；冰箱模具的底座和上壓框應設計成焊接件，底座內部要密封，上壓框應安裝輔助壓模，以便形成門密封槽。因此，將數值模擬技術應用到建模中，必須保證整個冰箱結構的標準化，冰箱內外及材料的選擇都要進行詳細的數值采集[2]。

在冰箱模具設計過程中，數據仿真技術首先要利用建模軟件建立能夠反映設計本質的數學模型。具體來說，需要建立反映冰箱各部件數量的微分方程及相應的定解條件。這一步是冰箱建模的起點。如果沒有精確、完善的數學模型，冰箱的數值模擬技術就不會有太大的優勢，在對冰箱進行了數學建模之后，下一步要解決的問題是如何在此基礎上找到一種更高效、更準確的數據計算方法[3]。許多數值方法是經過長期努力而發展起來的。它們不僅包括微分方程的離散化和解法，而且還包括實體坐標系統的建立以及邊界條件處理。在確定了計算冰箱總數據的方法和坐標之后，就可以開始計算冰箱的電量了。在整個計算完成之后，大量的數據只能通過圖像來顯示，所以數值顯示在圖像中也是一項很重要的工作。

三、數值模擬技術的步驟

建立數學模型反映問題的本質。建立微分方程與定解的具體對應條件是必要的。它是數值計算的起點。如果數學模型不正確和完善，數值模擬就不可能實現。著名的N-Stokes方程和相應的定解條件為牛頓流體流動數學模型。在建立數學模型之后，要解決的問題是如何找到一種有效而精確的計算方法，因為人們的努力，發明了許多數值方法。它不僅包括微分方程的離散化和解的問題，而且包括實體坐標系統的建立和邊界條件處理問題，這類以往人們所忽視或回避的問題，越來越引起人們的關注。計算方法和坐標系確定之后，就可以開始編程計算，實際操作中，這部分工作是整個工作的主體，占據了大部分時間。因為方程是一類非常復雜的非線性方程，其數值解方法在理論上尚不完善，因此需要進行實驗驗證。在這種意義下，數值模擬又被稱為數值試驗。現在，人們已經能像照相一樣照出真實的照片，用錄像機或投影儀可以顯示動態過程，模擬的程度更高，更真實[4]。

四、數值模擬技術在冰箱模具中的應用

采用數值模擬技術，可利用計算機智能技術對冰箱模具結構進行仿真，流動冷卻和材料形成都有物理過程。它廣泛應用于冷空氣動力學仿真，制冷機設計，水箱運行調節等領域。本文首先采用標準湍流模型和近流線數值模擬方法，通過對冷藏箱的作用、運轉及制冷功率的數值研究，了解冰箱制冷系統的循環及其對模擬數據的影響；這在很大程度上避免了制冷系統不協調和不必要的損失。然后，通過模具試驗，利用數值模擬的方法，對冰箱模具的高、長、寬進行了數值比較，得出冰箱在一定范圍內的實際數據，并根據實際數據計算出整個模具和外模的設計格式。該系統可對冰箱的外部設計和內部系統進行精確地計算。

五、總結

數值仿真技術經過長期的發展，能夠完成更為復雜的建模任務。通過對冷藏器模具進行數值模擬，可以使模具的數值計算更加精確。提升生產率，確保產品品質。采用數值仿真技術，不僅可以降低模具開發成本，而且可以大大縮短模具開發周期。在計算機技術和有限元理論不斷發展的今天，數值模擬技術可以更快、更真實地反映沖壓工藝過程中的各種問題，對生產實踐具有指導意義。