CN107622145A - 一种均匀热成形模具型面水管流速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热成型模具领域，具体的说是一种均匀热成形模具型面水管流速的方法。包括如下步骤：1）建立模型；2）流场分析；3）根据得到的型面水管的流速大小，选择流速较大的型面水管，改变流速较大的型面水管的连接水管的位置，根据需要执行步骤4或步骤5；4）将平均流速较大的型面水管的连接水管沿进水口主水道轴线方向移动连接水管，然后执行步骤6；5）将平均流速较大的型面水管的连接水管沿垂直于进水口主水道轴线防线移动连接水管，然后执行步骤6；6）对移动连接水管后的型面水管进行流畅仿真，得到最优方案；7）对得到的最优方案。本发明同现有技术相比，方法简单，使用方便，通过适当的优化之后，各水管流速标准差降低了大约86%，为后续模具设计提供参考。

Description

一种均匀热成形模具型面水管流速的方法

技术领域

本发明涉及热成型模具领域，具体的说是一种均匀热成形模具型面水管流速的方法。

背景技术

高强度钢板目前满足了汽车轻量化的需求，且提高了汽车的安全性能，热冲压成形可以利用高强度钢板制造复杂的车身零部件，在现代汽车领域应用广泛。在成形件的冷却过程中，不同部位的冷却速度不同可能导致零件发生翘曲变形，开裂，从而影响成形零件的尺寸精度和质量。

针对热成型模具的冷却系统优化，国内一些专家学者对此问题进行了研究。具有代表性的是胡平教授研究的随形水管的参数化设计，改变了传统直孔加工方法，根据模具表面形状来设计冷却系统。其他一些专家学者均从管道物理参数出发，研究管道孔径，间距及水流速度等对成形件冷却的影响。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，设计一种均匀热成形模具型面水管流速的方法，针对热成型模具的冷却系统进行优化，将该型面水管的连接水管沿不同方向移动一定距离,达到改善模具冷却水管流速不均的目的。

为实现上述目的，设计一种均匀热成形模具型面水管流速的方法，其特征在于包括如下步骤：1）建立模型，建立简化的理想模具模型，提取理想模具模型的冷却系统，去除掉多余的部分利用hypermesh进行cfd网格划分；2）流场分析，采用k-e湍流模型，选取型面水管的中间截面，得到型面水管的流速大小；3）根据得到的型面水管的流速大小，选择流速较大的型面水管，改变流速较大的型面水管的连接水管的位置，根据需要执行步骤4或步骤5；4）移动进水口侧的连接水管，将平均流速较大的型面水管的连接水管沿进水口主水道轴线方向移动连接水管，然后执行步骤6；5）移动进水口侧的连接水管，将平均流速较大的型面水管的连接水管沿垂直于进水口主水道轴线防线移动连接水管，然后执行步骤6；6）对移动连接水管后的型面水管进行流程仿真，与步骤2中得到的平均流速进行对比，若流速仍然大于平均流速，则根据模具尺寸和偏大的程度增加移动距离，再进行数值模拟，直至达到均匀，得到最优方案；7）对得到的最优方案，进行试验验证。

所述步骤1中理想模具模型中包括进水口主水道、出水口主水道、型面水管和连接水管，cfd的网格尺寸为2mm。

所述步骤4中每次移动的距离为1-5mm。

所述步骤7中所述的试验验证装置包括试验台，所述试验台的上方从左至右依次设有水管模型、霍尔脉冲计数器和电源，所述水管模型由型面水管、进水口主水道、连接水管和出水口主水道组成，所述进水口主水道和出水口主水道相互平行放置，进水口主水道和出水口主水道的上方设有六根型面水管，所述型面水管两端的下方分别设有一根连接水管，连接水管的一端连接型面水管，连接水管的另一端连接进水口主水道和出水口主水道；位于试验台左侧的地面上设有水桶，所述水桶内设有水泵，水泵通过胶管连接水管模型的进水口主水道，水管模型的出水口主水道通过另一胶管连接水桶。

所述胶管与水管模型的进水口主水道之间设有箍头，所述箍头上设有压力表。

所述步骤7的实验验证包括如下步骤：7-1）选取步骤6中获得的最优方案和原始模型，搭建响应的三个冷却系统；7-2）将要进行试验的水管模型固定，打开电源，按照试验模型装置连接各设备，待水流稳定后，分别记录水管模型中各连接水管对应的脉冲数；7-3）关闭电源，换上下一个冷却系统的水管模型，按照步骤7-2再次进行试验。

所述步骤7-2中记录对应的脉冲数时，各个型面水管各记录三次，然后计算平均值进行对比。

本发明同现有技术相比，方法简单，使用方便，通过适当的优化之后，各水管流速标准差降低了大约86%，为后续模具设计提供参考。

附图说明

图1为本发明实施例中的理想模型的结构示意图。

图2为本发明实施例中的连接水管移动示意图。

图3为本发明中试验验证装置的结构示意图。

图4为本发明实施例中型面水管的脉冲均值柱状图。

其中，1是试验台，2是电源，3是霍尔脉冲计数器，4是水管模型，5是压力表，6是箍头，7是胶管，8是水泵，9是水桶，10是型面水管，11是进水口主水道，12是连接水管，13是出水口主水道。

具体实施方式

实施例：

如图1所示，是本实施例中理想模型的结构示意图，其中进水口主水道11和出水口主水道13的直径为16mm，型面水管10和连接水管12的直径为8mm，相邻的两根型面水管10圆心相距30mm，型面水管10的长度为300mm，进水口主水道11和出水口主水道13的长度为220mm。

对建立的理想模型进行流程分析，采用k-e湍流模型，进口压强设为0.4Mpa，选取六根型面水管的中间截面，得到型面水管的流速大小，从前至后流速依次为7.85m/s,7.86m/s,7.86m/s,7.99m/s,8.29m/s，8.60m/s，发现前三根型面水管流速基本一致，后三根型面水管流速变大，且变大程度不一。

针对流速较大的型面水管，改变流速较大的型面水管的连接水管与进水口主水道的连接位置。仅移动进水口侧的连接水管，沿主水道轴线和垂直于主水道轴线方向移动，移动方式如图2所示，其中左侧图是沿主水道轴线移动连接水管，右侧图是沿垂直于主水道轴线方向移动连接水管。从左向右，各连接水管离入水口距离越来越近，依次进行编号为3,2,1，其中设定1号管,2号管,3号管的移动距离分别为A,B,C。根据之前的流速分析结果，由于图中所表示的三管连接的型面水管流速偏大程度1>2>3，因此设定A>B>C。

进行优化结果分析，沿主水道轴线移动连接水管的优化结果分析如下：A,B,C的移动距离如表1所示，对不同偏移量情况(a)~(f)进行相应的流场仿真，每种情况进行分析后与前一种进行对比，流速大的水管再根据模具尺寸和偏大的程度增加移动距离，再进行数值模拟，达到均匀后不再改动。此种方法每次改进的移动距离为1~5mm。最后得到的(f)相对于前几种为最优的改进方法。对六根型面水管进行编号，从入水口最近处开始，依次是1~6号。分析结束后，获得各管的流速。求出平均流速V0，对比1-3管流速和平均流速大小，并计算出每种情况下的流速标准差σ，以反映流速优化的效果。σ越小，各管流速和其平均流速之间差异越小，流速越均匀。各优化情况下的1-3管流速，平均流速V0，标准差σ均列在表1中。

表一：1号管-3号管沿轴线移动距离,速度及各种情况流速标准差

	A	B	C	V1	V2	V3	V0	σ
									(a)	0	0	0	8.60	8.29	7.99	8.08	0.29
(b)	10	5	5	8.30	8.21	7.98	8.07	0.13
									(c)	10	10	5	8.40	8.05	7.94	8.03	0.17
(d)	15	10	5	8.04	8.25	7.94	8.01	0.12
									(e)	15	12	5	8.14	7.92	8.00	8.02	0.05
(f)	16	12	5	8.03	7.96	8.01	7.99	0.04

从表一中可知，经过优化后，标准差降低了大约86%，流速变得更均匀。每次改变一个连接水管位置后，不但可以改变此连接水管处的型面水管流速，也可能对相邻的型面水管流速产生影响，但是这种影响可同样通过再次移动连接水管进行消除。对流速较大的水管，增大相应的连接水管的移动距离，每次改进后，流速都比上次能够均匀一些。各水管在每种情况下的优化效果可以从表1中体现出来。

进行优化结果分析，沿垂直于主水道轴线方向移动连接水管的优化结果分析如下：

表二：1号管-3号管沿垂直轴线移动距离,速度及各种情况流速标准差

	A	B	C	V1	V2	V3	V0	σ
									(g)	0	0	0	8.60	8.29	7.99	8.08	0.29
(h)	5	3	1	8.43	8.10	7.80	7.83	0.28
									(i)	7	3	1	8.36	8.06	7.99	8.06	0.14
(j)	8	3	1	8.04	8.24	7.93	8.07	0.08
									(k)	8	5	1	8.06	8.21	8.02	8.07	0.07
(l)	8	6	1	8.04	8.10	8.01	8.00	0.05

从表格和云图得出的结论同沿轴线移动一致，（l）为较其他方案的最优方案。

最后进行实验验证，如图3所示，包括试验台，所述试验台1的上方从左至右依次设有水管模型4、霍尔脉冲计数器3和电源2，所述水管模型4由型面水管10、进水口主水道11、连接水管12和出水口主水道12组成，所述进水口主水道11和出水口主水道13相互平行放置，进水口主水道11和出水口主水道13的上方设有六根型面水管1，所述型面水管1两端的下方分别设有一根连接水管3，连接水管3的一端连接型面水管1，连接水管3的另一端连接进水口主水道11和出水口主水道13；位于试验台1左侧的地面上设有水桶9，所述水桶9内设有水泵8，水泵8通过胶管7连接水管模型4的进水口主水道11，水管模型4的出水口主水道13通过另一胶管连接水桶9。

所述胶管7与水管模型4的进水口主水道11之间设有箍头6，所述箍头6上设有压力表5。

试验验证的步骤如下：（1）选取上述仿真最优方法（f），（l）和原始模型，搭建相应的冷却系统一共三个，对六根型面水管进行编号，从入水口最近处开始，依次是1~6号。（2）将要进行实验的水管模型进行固定，按照实验装置简图连接各设备，待到水流稳定的时候，分别记录每个水管的对应的脉冲数。每个水管各记录三次，取平均值进行对比。（3）关闭电源，换上下一个需要测试的水管模型，按照之前的方法进行实验。

如图4所示，其中（a）代表原模型，（f）和（l）为两种移动方式得到的最优方案，各水管三次测量脉冲数均值柱状图。可看出（a）情况下，1~3管脉冲数最大，4~6管脉冲数有大有小，但相差不大，处于同一水平。优化后的（f）和（l）中六个水管脉冲数基本一致。

综上，可以得到结论，（1）移动连接水管可以改变型面水管流速，且改变的程度与移动的距离有关。可以利用这个方法来对冷却水管进行优化设计，改善热成型模具型面水管流速不均。（2）由于连接水管移动可分为两个方向，且每个方向的移动都可降低型面水管的流速。因此，可根据具体冷却水道布局和尺寸大小，结合两个方向来优化冷却系统。

Claims (7)

1.一种均匀热成形模具型面水管流速的方法，其特征在于包括如下步骤：1）建立模型，建立简化的理想模具模型，提取理想模具模型的冷却系统，去除掉多余的部分利用hypermesh进行cfd网格划分；2）流场分析，采用k-e湍流模型，选取型面水管的中间截面，得到型面水管的流速大小；3）根据得到的型面水管的流速大小，选择流速较大的型面水管，改变流速较大的型面水管的连接水管的位置，根据需要执行步骤4或步骤5；4）移动进水口侧的连接水管，将平均流速较大的型面水管的连接水管沿进水口主水道轴线方向移动连接水管，然后执行步骤6；5）移动进水口侧的连接水管，将平均流速较大的型面水管的连接水管沿垂直于进水口主水道轴线防线移动连接水管，然后执行步骤6；6）对移动连接水管后的型面水管进行流程仿真，与步骤2中得到的平均流速进行对比，若流速仍然大于平均流速，则根据模具尺寸和偏大的程度增加移动距离，再进行数值模拟，直至达到均匀，得到最优方案；7）对得到的最优方案，进行试验验证。

2.如权利要求1所述的一种均匀热成形模具型面水管流速的方法，其特征在于：所述步骤1中理想模具模型中包括进水口主水道、出水口主水道、型面水管和连接水管，cfd的网格尺寸为2mm。

3.如权利要求1所述的一种均匀热成形模具型面水管流速的方法，其特征在于：所述步骤4中每次移动的距离为1-5mm。

4.如权利要求1所述的一种均匀热成形模具型面水管流速的方法，其特征在于：所述步骤7中所述的试验验证装置包括试验台，所述试验台（1）的上方从左至右依次设有水管模型（4）、霍尔脉冲计数器（3）和电源（2），所述水管模型（4）由型面水管（10）、进水口主水道（11）、连接水管（12）和出水口主水道（12）组成，所述进水口主水道（11）和出水口主水道（13）相互平行放置，进水口主水道（11）和出水口主水道（13）的上方设有六根型面水管（1），所述型面水管（1）两端的下方分别设有一根连接水管（3），连接水管（3）的一端连接型面水管（1），连接水管（3）的另一端连接进水口主水道（11）和出水口主水道（13）；位于试验台（1）左侧的地面上设有水桶（9），所述水桶（9）内设有水泵（8），水泵（8）通过胶管（7）连接水管模型（4）的进水口主水道（11），水管模型（4）的出水口主水道（13）通过另一胶管连接水桶（9）。

5.如权利要求4所述的一种均匀热成形模具型面水管流速的方法，其特征在于：所述胶管（7）与水管模型（4）的进水口主水道（11）之间设有箍头（6），所述箍头（6）上设有压力表（5）。

6.如权利要求1所述的一种均匀热成形模具型面水管流速的方法，其特征在于：所述步骤7的实验验证包括如下步骤：7-1）选取步骤6中获得的最优方案和原始模型，搭建响应的三个冷却系统；7-2）将要进行试验的水管模型固定，打开电源，按照试验模型装置连接各设备，待水流稳定后，分别记录水管模型中各连接水管对应的脉冲数；7-3）关闭电源，换上下一个冷却系统的水管模型，按照步骤7-2再次进行试验。

7.如权利要求6所述的一种均匀热成形模具型面水管流速的方法，其特征在于：所述步骤7-2中记录对应的脉冲数时，各个型面水管各记录三次，然后计算平均值进行对比。