CN111797547A - 一种计算模具温度场的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热冲压成型技术领域，具体涉及一种计算模具温度场的方法，包括：建立模具的三维几何模型；对模具的三维几何模型进行网格划分，得到模具的有限元网格模型；按照节点提取规则提取有限元网格模型中的节点，提取出的节点构成流道；根据流道的参数，对热冲压过程中模具中的流道进行动态模拟，得到流道的温度场云图；判断流道的温度场云图是否符合要求，如符合，则输出温度场云图。通过上述方法可以能够精确计算出流道中流体带走的热量，进而计算出的模具的温度场具有更高的精确度；由于采用节点来描述流道，可以实现对流道几何形状复杂的模具的流道进行精确提取，拓展了本发明的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及热冲压成型技术领域，具体涉及一种计算模具温度场的方法。
背景技术
目前，为了减轻车身重量，生产出超高强度的车身零件，往往采用热冲压成型的生产工艺。但是热冲压成型对相应的模具提出了更高的要求，尤其是对模具的散热性能，现在往往借助于CAE(计算机辅助工程)来分析热冲压成型工艺中模具的冷却温度场。
现有的获取模具冷却温度场的方法是采用ICFD(计算流体力学)方式计算。在钢板的热冲压过程使用固体有限元软件，模具流道的水流和冷却使用流体分析软件，需要两种软件的结合来完成模具温度场的计算。该方法需要定义进口以及出口的边界，提交求解时，软件会自动划分网格，采用流体方式计算流体与模具水路边界的热交换，从而得到模具冷却区的温度场信息。
上述方法根据划分的网格来提取流道，根据网格提取流道，计算得到模具冷却区的温度场的信息精度不高，特别是对于流道几何形状复杂的模具，其计算精度会进一步降低，同时，上述方法中使用两个独立的软件工具，需要数据不停地在两个软件工具之间相互传输，才能计算模具温度场的动态过程，这延长了计算的时间，降低了效率。
发明内容
本发明的目的是，为了解决解决现有技术中，计算得到模具冷却区的温度场的信息精度不高的问题，本发明提供一种计算模具温度场的方法。
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种计算模具温度场的方法，所述方法包括：
步骤一、建立所述模具的三维几何模型；
步骤二、对所述模具的三维几何模型进行网格划分，得到所述模具的有限元网格模型；
步骤三、按照节点提取规则提取所述有限元网格模型中的节点，将提取出的节点构成流道；
步骤四、根据所述流道的参数，对热冲压过程中所述模具中的流道进行动态模拟，得到所述模具的温度场云图；
步骤五、判断所述模具的温度场云图是否符合要求，如符合，则输出所述温度场云图。
进一步的，所述步骤三中的节点提取规则为：当所述有限元网格模型中相邻两条网格边的夹角大于角度阈值时，选取所述相邻两条网格边的交点作为节点。
更进一步的，所述角度阈值的取值范围为：110°—160°。
进一步的，所述步骤四中的所述参数包括：热交换系数和热冲压节拍。
更进一步的，所述热交换系数根据流经所述流道的流体的温度、流经所述流道的流体的流速、所述流体的导热系数、所述模具的导热系数和模具的平均温度计算得到。
更进一步的，计算所述模具的平均温度包括：
S1、建立用所述模具加工的坯料的三维几何模型；
S2、对所述坯料的三维几何模型进行网格划分，得到所述坯料的有限元网格模型；
S3、根据所述坯料的有限元网格模型确定所述坯料与所述模具之间的接触传热系数；
S4、根据所述坯料的温度初始值、所述模具的温度初始值和所述接触传热系数确定所述模具的平均温度。
进一步的，所述步骤五中判断所述流道的温度场云图是否符合要求的条件为：所述温度场云图中是否有超过温度阈值的区域，如果没有，则所述温度场云图符合要求。
更进一步的，所述步骤五还包括：如果所述温度场云图中有超过温度阈值的区域，则所述温度场云图不符合要求，返回执行所述步骤三。
更进一步的，所述温度阈值的取值范围为：220℃—320℃。
更进一步的，当所述温度场云图不符合要求并返回执行所述步骤三时，重新确定所述步骤四中的所述流道的参数。
本发明的有益效果是，提供一种计算模具温度场的方法，包括：建立模具的三维几何模型；对模具的三维几何模型进行网格划分，得到模具的有限元网格模型；按照节点提取规则提取有限元网格模型中的节点，提取出的节点构成流道；根据流道的参数，对热冲压过程中模具中的流道进行动态模拟，得到模具的温度场云图；判断模具的温度场云图是否符合要求，如符合，则输出温度场云图。通过上述方法可以能够精确计算出流道中流体带走的热量，进而计算出的模具的温度场具有更高的精确度；由于采用节点来描述流道，可以实现对流道几何形状复杂的模具的流道进行精确提取，拓展了本方法的应用范围。
同时，本方法可以在一个软件中运行，避免了数据在不同软件间的传输过程，缩短了计算的时间，提高了运算效率。
附图说明
图1为本发明的一实施例一种计算模具温度场的方法的流程图。
图2为本发明的一个实施例中计算模具的平均温度的流程图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一
如图1所示，为本实施例一种计算模具温度场的方法的流程图。本发明一种计算模具温度场的方法主要包括如下步骤：
步骤一、建立模具的三维几何模型；
步骤二、对模具的三维几何模型进行网格划分，得到模具的有限元网格模型；
步骤三、按照节点提取规则提取有限元网格模型中的节点，提取出的节点构成流道；
步骤四、根据流道的参数，对热冲压过程中模具中的流道进行动态模拟，得到模具的温度场云图；
步骤五、判断模具的温度场云图是否符合要求，如符合，则输出温度场云图；如果不符合，则返回步骤三。
其中，步骤三中的节点提取规则为：当有限元网格模型中相邻两条网格边的夹角大于角度阈值时，则选取相邻两条网格边的相交点作为节点。角度阈值的取值范围为：110°—160°，本实施例中，角度阈值为110°，也就是说，只要有限元网格模型中相邻两条网格边的夹角大于110°时，则提取两条网格边的相交点作为节点。
步骤五中判断模具的温度场云图是否符合要求的具体条件为：温度场云图中是否有超过温度阈值的区域，如果没有，则温度场云图符合要求；如果温度场云图中有超过温度阈值的区域，则温度场云图不符合要求。温度阈值的取值范围为：220℃—320℃，本实施例中温度阈值为220℃，也就是说，如果步骤五中的温度场云图超过220℃，就说明模具的温度场云图不符合要求。
步骤四中的参数包括：热交换系数、热冲压节拍。热交换系数用于表征流经流道的流体与模具接触面之间的换热能力；热冲压节拍用于表示单位时间内通过模具进行加工的坯料的数量。
热交换系数根据流经流道的流体的温度、流经流道的流体的流速、流体的导热系数、模具的导热系数和模具的平均温度计算得到。
其中，如图2所示，计算模具的平均温度包括如下步骤：
101、建立用模具加工的坯料的三维几何模型；
102、对坯料的三维几何模型进行网格划分，得到坯料的有限元网格模型；
103、根据坯料的有限元网格模型确定坯料与模具之间的接触传热系数；
104、根据坯料的温度初始值、模具的温度初始值和接触传热系数确定模具的平均温度。
需要说明的时，当温度场云图不符合要求，说明步骤三中节点的提取或者步骤四中流道的参数选择不准确，则需要返回步骤三重新运行，需要重新确定角度阈值或重新确定流道的参数。通过重新确认流道的参数，从而可以在保障模具温度场符合要求的同时，确认出合适的热冲压节拍的数值。
实施例二
本实施例将结合汽车仪表板零件的热冲压成型工艺，对本发明的计算模具温度场的方法进行具体说明。
现有技术中，对于汽车仪表板零件的热冲压成型工艺过程中模具的温度场的计算，主要包括如下步骤：
第一步，分别建立模具和热钢板的三维几何模型；
第二步，要先用流体分析软件计算冷却水道，计算得到水道的整体温度场。
第三步，把水道的整体温度场输入给板料成型软件，把整体温度场作为边界条件。
第四步，用板料成型软件完成热成型计算，得到受到热钢板传热影响的模具的边界-模面的温度场。
第五步，导入边界-模面的温度场，重复第二步，用流体分析软件计算冷却水道。
重复上述第二步至第五步，才能计算模具温度场的动态过程。上述整个过程中：钢板的热冲压过程必须使用固体有限元软件，模具水道的水流和冷却的计算必须使用流体分析软件，相互之间传输数据会造成效率的降低。同时，对于流道几何形状复杂的模具，其计算精度不高。
而采用本发明对于汽车仪表板零件的热冲压成型工艺过程中模具的温度场的计算，主要包括如下步骤：
201、分别建立模具和热钢板的三维几何模型；
202、对模具的三维几何模型和热钢板的三维几何模型分别进行网格划分，得到模具的有限元网格模型和热钢板的有限元网格模型；
203、按照节点提取规则提取模具的有限元网格模型中的节点，提取出的节点构成流道，本实施例中，角度阈值为120°；
204、通过分析热钢板的有限元网格模型确定热钢板的参数，并根据已经确定的热钢板参数和模具的流道，确定模具流道的参数；然后对热冲压过程中模具中的流道进行动态模拟，得到模具的温度场云图；
205、判断模具的温度场云图是否符合要求，如符合，则输出温度场云图；如果不符合，则返回步骤203；本实施例中，温度阈值为300℃。
需要说明的时，当温度场云图不符合要求，说明203中节点的提取或者204中流道的参数选择不准确，则需要返回203重新运行，需要重新确定角度阈值或重新确定流道的参数。通过重新确认流道的参数，从而可以在保障模具温度场符合要求的同时，确认出合适的热冲压节拍的数值，进而确保生产出的零件符合要求。
本发明计算模具温度场的方法的重点在于203中采用点接触代替线接触，用密集的流道网格节点代替网格流道，提高了流道提取的精确度。原因在于，现有模具中的流道不仅有弯曲的，还有相交、相贯的，现有技术中的网格划分，不能处理几何形状复杂的流道，这就造成了最终计算出的模具温度场的准确度低，进而导致生产的零件的成品率低，而采用网格节点提取模具中的流道，不受流道几何形状的限制，可以准确提取模具中几何形状复杂的流道，同时，由于节点足够细密，提高了流道提取的精确度。
需要说明的是，在有限元网格模型中，只有模具中的实体部分有网格划分，模具中的孔洞区域不会有网格线，一般模具的流道多为圆孔，这样，通过在软件上人工框选没有网格的区域，提取该区域网格线，就可以提取出流道，但这种方式只能提取直的流道，而本发明采用密集的流道网格节点代替网格流道的依据是：模具流道的截面一般是圆形截面，网格划分时，对于流道与模具实体的边界，网格会采用近乎圆形的多边形来划分该边界，而对于模具实体部分的网格划分，相邻两条网格间的夹角基本小于90°，所以，通过提取网格中，相邻两条网格边夹角大于120°的两条网格边的交点，就可以提取出模具中完整的流道。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术方案和特点，其目的是在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式，凡是能在本发明要求保护的范围内做出的各种变化和修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种计算模具温度场的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、建立所述模具的三维几何模型；
步骤二、对所述模具的三维几何模型进行网格划分，得到所述模具的有限元网格模型；
步骤三、按照节点提取规则提取所述有限元网格模型中的节点，将提取出的节点构成流道；
步骤四、根据所述流道的参数，对热冲压过程中所述模具中的流道进行动态模拟，得到所述模具的温度场云图；
步骤五、判断所述模具的温度场云图是否符合要求，如符合，则输出所述温度场云图。
2.根据权利要求1所述的计算模具温度场的方法，其特征在于，所述步骤三中的节点提取规则为：当所述有限元网格模型中相邻两条网格边的夹角大于角度阈值时，选取所述相邻两条网格边的交点作为节点。
3.根据权利要求2所述的计算模具温度场的方法，其特征在于，所述角度阈值的取值范围为：110°—160°。
4.根据权利要求1所述的计算模具温度场的方法，其特征在于，所述步骤四中的所述参数包括：热交换系数和热冲压节拍。
5.根据权利要求4所述的计算模具温度场的方法，其特征在于，所述热交换系数根据流经所述流道的流体的温度、流经所述流道的流体的流速、所述流体的导热系数、所述模具的导热系数和模具的平均温度计算得到。
6.根据权利要求5所述的计算模具温度场的方法，其特征在于，计算所述模具的平均温度包括：
S1、建立用所述模具加工的坯料的三维几何模型；
S2、对所述坯料的三维几何模型进行网格划分，得到所述坯料的有限元网格模型；
S3、根据所述坯料的有限元网格模型确定所述坯料与所述模具之间的接触传热系数；
S4、根据所述坯料的温度初始值、所述模具的温度初始值和所述接触传热系数确定所述模具的平均温度。
7.根据权利要求1所述的计算模具温度场的方法，其特征在于，所述步骤五中判断所述流道的温度场云图是否符合要求的条件为：
所述温度场云图中是否有超过温度阈值的区域，如果没有，则所述温度场云图符合要求。
8.根据权利要求7所述的计算模具温度场的方法，其特征在于，所述步骤五还包括：如果所述温度场云图中有超过温度阈值的区域，则所述温度场云图不符合要求，返回执行所述步骤三。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的计算模具温度场的方法，其特征在于，所述温度阈值的取值范围为：220℃—320℃。
10.根据权利要求8所述的计算模具温度场的方法，其特征在于，当所述温度场云图不符合要求并返回执行所述步骤三时，重新确定所述步骤四中的所述流道的参数。
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