汽车的轮子后面并不是发现方向盘有缺陷的理想场所。这就是为什么在制造过程中采取特殊预防措施的原因。精心控制的注射模具可确保该产品的标准均达到标准。在这里,我们使用非等温管流固体中的传热接口研究聚氨酯汽车方向盘的注射模具的冷却路径。

注射模具制造简介

注射成型是最常见的聚合物制造形式由于速度和易于生产大量产品。该过程首先是约翰·卫斯理(John Wesley)和以赛亚·凯悦(Isaiah Hyatt)兄弟于1872年获得专利的。在第二次世界大战期间,由于需要迅速制造的大规模生产商品,因此注射成型迅速扩大。随着新制造材料的不断开发,注射霉菌制造不断发展。

在注射霉菌周期中,冷却占了50%以上的时间,这是制造过程中的重要一步。冷却不当会导致起泡(在产品表面上的凸起区域),水槽标记或“下沉”(在产品区域中的凹陷),甚至在产品中扭曲或扭曲。没有适当的冷却,产生的变形或有缺陷的产品浪费时间,金钱和材料。并且假设注射成型制造的许多产品用于重要功能,例如汽车转向车轮,那么生产有缺陷的产品可能很危险。

描绘方向盘的图像。
聚氨酯方向盘。

建模注射模具的冷却

我们在这里建模的是方向盘上的车轮握把的上半部分,该方向盘是由聚氨酯制成的。该产品的模具是一个50 x 50 x 15厘米的钢块,带有两个冷却通道,每个冷却通道的直径为一厘米。请记住,冷却通道的特性和定位是结果的重要方面。对于我们的模拟,注射后的平均温度为473K。在室温下的水作为冷却液和流动液以每分钟十升的速度流动。模拟需要十分钟才能设置并运行。

为了非等温管流界面,动量和质量方程描述了冷却通道中的流动。丘吉尔摩擦模型计算由于粘性剪切而导致的压降。该计算可用于层流和湍流,并且在界面中预定义。

计算在管道中冷却水的温度分布和热传递非等温管流界面。用钢块和聚氨酯产物中的传热和温度分布计算固体中的传热界面,与管道计算无缝耦合。此外,comsol多物理5.188金宝搏优惠0可以自动确定管道流量是层流还是湍流,并自动调节压降和传热特性。

结果

经过两分钟的水流通道后,仍然需要大量的冷却。模具中最热和最酷的区域差异约40 k。

方向盘中的温度分布。
整个钢模中的温度分布。

冷却2分钟后,聚氨酯方向盘(左)和整个钢模(右)中的温度分布。

10分钟后,钢模的温度更均匀,但是在冷却通道的入口和出口处温度差异20 k。

一个图显示10分钟后的注射模具冷却。
冷却10分钟后注射模具。

使用仿真软件,我们可以轻松地更改不同的因素以提供其他信息。初始模拟后,我们可以改变水的流速,冷却通道的表面粗糙度以及模具的材料,以研究模具的不同冷却路径。

图表突出了聚氨酯方向盘的平均温度。
聚氨酯方向盘的温度随着不同因素的变化而变化。

结果表明,模具材料的热导率是注射成型中快速冷却的最重要因素,其中将霉菌从钢改为铝制的材料可显着降低冷却时间。另一方面,将流量从10 l/min增加到20 l/min会减少冷却时间,而冷却效率的提高因使冷却通道的表面粗糙度增加10倍而增加10倍,并且可能是边缘不保证压力下降。

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弗朗西斯科·莫拉加(Francisco Moraga)
弗朗西斯科·莫拉加(Francisco Moraga)
2021年3月23日

布莱恩,
我尝试了这个模型的问题,该模型还将管道嵌入金属中,以加热管道中的流量。该模型在几分钟内运行,而不是使用3D RANS模型计算的管道流量,并且更强大。但是,即使在大入口雷诺数中,就像40,000个模型一样,这两个模型都会产生截然不同的结果。很可能是由于粗网格。但是,在进行网格收敛研究之前,我想更好地理解固体和管道流程如何相互作用以及相互作用区域中金属的网格要求。如何计算用于计算传热到流动流传输的金属的温度?管道直径是否用于确定金属中的哪些细胞提供温度?如果是这样,管道周围是否有网格拓扑更方便?

布莱恩·克里斯托弗(Brianne Christopher)
布莱恩·克里斯托弗(Brianne Christopher)
2021年3月26日

嗨,弗朗西斯科,

对于3D模拟,管道和金属之间的热交换取决于模拟中使用的湍流模型和壁边界条件。如果湍流模型使用墙壁功能或自动壁处理,则管道内将使用热壁功能。实际上,这意味着热通量(基于物理壁的温度与流动域的外边界之间的差异,这是不同的,因为后者被施加的偏移置换)管道和流体上的温度和物理壁的固体被限制为相等。如果使用了低雷诺德数壁处理,则温度和热通量会自动连续,因为它们在边界上具有自由度。

对于管道流量模拟,基于管道和固体之间温度差的热通量在两侧都施加。当在实心域上施加热通量时,使用了与管道相同的横截面盘上施加平均值的操作员。

关于网格分辨率:在3D模型中,通常在流体流量接口中作为后处理变量提供壁距离(或距离第一个单元中心的距离)。对于低雷诺兹数字壁处理,该值应大约为1,对于自动壁处理和壁功能最多可高达50。对于管道流量模拟,固体中的网格分辨率应与管道附近的物理管半径相同。在这两种情况下,取决于入口和出口边界条件,沿着管道也可能有尖锐的梯度可以解决。

管道和固体之间的热交换的准确性也取决于壁处理和网状分辨率。通常,具有低雷诺德量治疗的正确解决模型将带来最准确的结果。但是,当雷诺数数量较大时,这变得非常昂贵,并且墙壁功能方法可以提供足够的准确性。

如果您需要进一步的帮助,请将您的模型发送到support@188金宝搏优惠comsol.com

此致,
布莱恩

弗朗西斯科·莫拉加(Francisco Moraga)
弗朗西斯科·莫拉加(Francisco Moraga)
2021年3月23日

另一个相关的问题是,模具中温度的准确性如何取决于管道直径的比率和模具的特征尺寸。准确性会随着比率降低而提高吗?

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