CN114398728A - 一种考虑冷却水温度变化的模温仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热冲压模具的冷却技术领域，具体地说是一种考虑冷却水温度变化的模温仿真分析方法。一种考虑冷却水温度变化的模温仿真分析方法，具体方法步骤如下：采用建模软件UG进行几何模型的建立；通过网格划分软件Hyper Mesh对建模软件UG建立的模型进行网格的划分；导出CFD格式；导入到有限元分析软件Ansys中，进行热固流耦合分析；温度及热传导系数，并输出；输入至有限元分析软件Ansys中，进行分析模型；利用有限元仿真分析软件Lsdyna进行多次冲压仿真，得到最终精确的模温结果。同现有技术相比，这套模温分析方法中，不仅考虑冲压中板料厚度的变化、接触先后的变化、以及保压力对模温分析结果的影响，而且考虑了冷却水流速变化、冷却水温度变化对模温的影响。
Description
技术领域
本发明涉及热冲压模具的冷却技术领域，具体地说是一种考虑冷却水温度变化的模温仿真分析方法。
背景技术
汽车轻量化是全球汽车发展的趋势。车身采用热冲压零件，是实现车身轻量化的重要途径之一。热冲压把板料加热到高温，在成形后需要快速冷却，对材料进行淬火，才能达到所需要的强度。板料上的热量主要靠模具上的冷却水带走，在模具镶块内部要布置大量的冷却水管。
热冲压模具冷却水道是否能够达到所需的效果，可以通过仿真技术进行分析。采用热冲压模温分析的目的，是为了发现冷却水道设计中存在的问题，并在前期设计中加以避免，否则会导致模具设计的失败。
热冲压模具温度的分析，目前都采用了大量的近似方法，比如忽略到冷却水流速对模温的影响，忽略掉水管与模面间隙对模温的影响，忽略掉冷却水温度对模温的影响等，甚至忽略掉成形过程以及成形参数对模温的影响。这些因素会导致模温分析结果和实际结果存在比较大的差异，对热冲压冷却水道设计的指导所起作用有限。
热冲压模温的准确仿真分析特别重要，但由于常规商业仿真软件的缺陷，模温仿真精度有待进一步的提高。传统的几种仿真方法，不能考虑流速差异带来的传热量的变化，或者不能考虑冷却水在吸收热量后，冷却水温度发生变化，而导致其换热系数、模具的传热方式发生改变。模温分析精度，会影响热冲压冷却水道设计的有效性，在某些情况下，可能导致水道设计，不能满足降低模温的要求，导致模具温度高，无法实现高效的生产。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提供一种考虑冷却水温度变化的模温仿真分析方法，这套模温分析方法中，不仅考虑冲压中板料厚度的变化、接触先后的变化、以及保压力对模温分析结果的影响，而且考虑了冷却水流速变化、冷却水温度变化对模温的影响。
为实现上述目的，设计一种考虑冷却水温度变化的模温仿真分析方法，包括建模软件UG、网格划分软件Hyper Mesh、有限元分析软件Ansys，其中有限元分析软件Ansys包括仿真分析软件Fluent及有限元仿真分析软件Lsdyna，其特征在于：具体方法步骤如下：
（1）采用建模软件UG，对包含冷却水管的上、下模具及板料进行几何模型的建立；
（2）通过网格划分软件Hyper Mesh对建模软件UG建立冷却水管的上、下模具及板料的三维实体模型进行几何的前处理以及网格的划分；
（3）将步骤（2）中划分好的网格导出CFD格式；
（4）将导出的CFD格式导入到有限元分析软件Ansys的仿真分析软件Fluent中，并设置求解模型的边界条件以及初始化条件，进行热固流耦合分析；
（5）热固流耦合分析后，输出冷却水管内的各个节点的温度及热传导系数，并通过仿真分析软件Fluent输出；
（6）将输出后的数据输入至有限元分析软件Ansys的有限元仿真分析软件Lsdyna中，进行分析模型；
（7）利用有限元仿真分析软件Lsdyna进行多次冲压仿真，得到最终精确的模温结果。
所述的步骤（2）中，板料的前处理以及网格的划分的具体步骤如下：
（21）对冷却水管的几何模型进行几何前处理；
（22）对冷却水管进行网格划分；
（23）对冷却水管与冷却水管的上、下模具进行布尔运算形成传热区域，然后划分3D网格；
（24）对板料进行网格划分。
所述的步骤（4）的热固流耦合分析中，还包括冷却水道的流速分析，具体步骤如下：
（41）根据水泵的工作特性，确定冷却水管的实际流速；
（42）设置各部分冷却水管的进水口流速与温度；
（43）设置冷却水管的流体域及固体域的边界条件及初始条件；
（44）设置时间步长，开始迭代计算至收敛。
所述的步骤（4）的热固流耦合分析中，冷却水管中的水温变化以及各部位的导热系数，确定冷却水流速的具体步骤如下：
（421）根据流量与流速、直径间的关系表达式，初步据水泵特性所能供给的进水口流量计算出冷却水管各个进水口的流速值：
，其中，V为流速，Q为流量，R为水管半径；
（422）为进一步得到更为精确的冷却水管进水口的流速，对上述计算得出的进水口流速进行仿真分析软件Fluent边界条件的设定后初步仿真，在结果收敛后查看仿真所得进出水口的压力值；
（423）根据实际冷却模具上进出水口压力监测器所得实际数值对上述仿真结果的压力值进行二次修正，以便重新得到精确的进水口流速；
（424）基于固体壁面边界在直角笛卡尔坐标系下，二维不可压缩黏性流动的连续方程和动量方程的无量纲形式为：
，
，
；
式中，u和v分别为沿x和y方向上的速度分量；p为压力；Re为雷诺数。
所述的步骤（6）的具体步骤如下：
（61）将经过多次迭代计算的结果通过仿真分析软件Fluent输出；
（62）利用有限元仿真分析软件Lsdyna对热冲压成形和保压冷却过程进行仿真，在计算控制文件中导入上述冷却水管各节点的温度及导热系数。
所述的冷却水管各节点的温度及导热系数包含了单元节点、材料属性、连接和接触、约束和载荷以及控制参数和计算设置信息。
本发明同现有技术相比，提供一种考虑冷却水温度变化的模温仿真分析方法，这套模温分析方法中，不仅考虑冲压中板料厚度的变化、接触先后的变化、以及保压力对模温分析结果的影响，而且考虑了冷却水流速变化、冷却水温度变化对模温的影响。
这套方法的应用，可以提高模温仿真的精度，从而增加对水道设计的指导作用，提升模具冷却系统的设计质量，减少模具的开发风险。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为整体流速分析中下模冷却水管流速图。
图3为整体流速分析中上模冷却水管流速图。
图4为通过仿真分析软件Fluent做出的流体传热仿真图。
图5为模型结构示意图。
图6为通过仿真分析软件Fluent考虑冷却水温度变化的仿真分析中冷却水管在YZ方向上的剖面截图。
图7为通过仿真分析软件Fluent考虑冷却水温度变化的仿真分析中冷却水管在ZX方向上的剖面进口截图。
图8为通过仿真分析软件Fluent考虑冷却水温度变化的仿真分析中冷却水管在ZX方向上的剖面出口截图。
图9为上模冷却水管部分节点对应温度数值。
图10为未考虑冷却水温度变化时，下模冷却水管流速图。
图11为未考虑冷却水温度变化时，上模冷却水管流速图。
图12为未考虑冷却水温度变化时，保压5s后的全局在X方向上的截面温度云图。
图13为未考虑冷却水温度变化时，保压5s后的板料温度云图。
图14为未考虑冷却水温度变化时，上模模具截面温度梯度变化云图。
图15为未考虑冷却水温度变化时，下模模具截面温度梯度变化云图。
图16为考虑冷却水温度变化时，下模冷却水管流速图。
图17为考虑冷却水温度变化时，上模冷却水管流速图。
图18为考虑冷却水温度变化时，保压5s后的全局在X方向上的截面温度云图。
图19为考虑冷却水温度变化时，保压5s后的板料温度云图。
图20为考虑冷却水温度变化时，上模模具截面温度梯度变化云图。
图21为考虑冷却水温度变化时，为下模模具截面温度梯度变化云图。
图22为下模冷却水管内水温各节点温度变化离散图。
图23为上模冷却水管内水温各节点温度变化离散图。
图24为实际生产中冷却水管进出水口温度监测值。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种考虑冷却水温度变化的模温仿真分析方法，包括建模软件UG、网格划分软件Hyper Mesh、有限元分析软件Ansys，其中有限元分析软件Ansys包括仿真分析软件Fluent及有限元仿真分析软件Lsdyna，具体方法步骤如下：
（1）采用建模软件UG，对包含冷却水管的上、下模具及板料进行几何模型的建立；
（2）通过网格划分软件Hyper Mesh对建模软件UG建立冷却水管的上、下模具及板料的三维实体模型进行几何的前处理以及网格的划分；网格划分的同时需要考虑到仿真分析软件Fluent中所识别计算域的逻辑，并对其各部分计算域进行离散化或布尔运算，包括了成型板料、上下模具、上下冷却水管的网格以及冷却水管的进出水口边界网格等；
（3）将步骤（2）中划分好的网格导出CFD格式；
（4）将导出的CFD格式导入到有限元分析软件Ansys的仿真分析软件Fluent中，并设置求解模型的边界条件以及初始化条件，进行热固流耦合分析；
（5）热固流耦合分析后，输出冷却水管内的各个节点的温度及热传导系数，并通过仿真分析软件Fluent输出；
（6）将输出后的数据输入至有限元分析软件Ansys的有限元仿真分析软件Lsdyna中，进行分析模型；
（7）利用有限元仿真分析软件Lsdyna进行多次冲压仿真，得到最终精确的模温结果。
步骤（2）中，板料的前处理以及网格的划分的具体步骤如下：
（21）对冷却水管的几何模型进行几何前处理；
（22）对冷却水管进行网格划分；
（23）对冷却水管与冷却水管的上、下模具进行布尔运算形成传热区域，然后划分3D网格；
（24）对板料进行网格划分。
步骤（4）的热固流耦合分析中，还包括冷却水道的流速分析，具体步骤如下：
（41）根据水泵的工作特性，确定冷却水管的实际流速；
（42）设置各部分冷却水管的进水口流速与温度；
（43）设置冷却水管的流体域及固体域的边界条件及初始条件；
（44）设置时间步长，开始迭代计算至收敛。
步骤（4）的热固流耦合分析中，冷却水管中的水温变化以及各部位的导热系数，确定冷却水流速的具体步骤如下：
（421）根据流量与流速、直径间的关系表达式，初步据水泵特性所能供给的进水口流量计算出冷却水管各个进水口的流速值：
，其中，V为流速，Q为流量，R为水管半径；
（422）为进一步得到更为精确的冷却水管进水口的流速，对上述计算得出的进水口流速进行仿真分析软件Fluent边界条件的设定后初步仿真，在结果收敛后查看仿真所得进出水口的压力值；
（423）根据实际冷却模具上进出水口压力监测器所得实际数值对上述仿真结果的压力值进行二次修正，以便重新得到精确的进水口流速；
（424）基于固体壁面边界在直角笛卡尔坐标系下，二维不可压缩黏性流动的连续方程和动量方程的无量纲形式为：
，
，
；
式中，u和v分别为沿x和y方向上的速度分量；p为压力；Re为雷诺数。
关于修正的基本思路为：
首先预测一个压力场
；
根据
求解动量方程，得到
和
；
由于速度是根据不准确的压力场得到的，未必能够满足连续方程，因此需要修正压力场，并使得与修正后压力场对应的速度场能够满足连续方程；
根据修正后的压力和速度，开始新的迭代过程。
具体实现：
定义
和
为速度的修正值（直角笛卡尔坐标系下的，沿X和Y方向上的速度分量），
为压力修正值，且在时间第n+1层时的压力与速度满足：
通过速度V在x和y方向上的动量方程分别做离散，可知速度修正值由两个部分组成，一部分与相邻节点速度修正值有关，另一部分与该速度方向上相邻两节点间的压力修正值有关。假设压力修正值对速度修正的影响是主要的，而相邻节点速度修正值的影响是次要的，是可以忽略的，则构造速度修正方程如下：
其中，
；
。
若冷却水管入口流速为已知量，则速度修正值满足：
；
；则
；
。
在进口边界上，若速度分布已知，则压力修正方程边界条件的处理方法与固体壁面边界相同。实际生产中采用冷却水管进出水口的压力监测值作为仿真的压力修正值。
步骤（6）的具体步骤如下：
（61）将经过多次迭代计算的结果通过仿真分析软件Fluent输出；
（62）利用有限元仿真分析软件Lsdyna对热冲压成形和保压冷却过程进行仿真，在计算控制文件中导入上述冷却水管各节点的温度及导热系数。
冷却水管各节点的温度及导热系数包含了单元节点、材料属性、连接和接触、约束和载荷以及控制参数和计算设置信息。
热冲压仿真涉及到流体传热、塑性力学变形等过程，采用流-固-热耦合仿真技术，可以对热冲压进行全过程仿真，但这种仿真有一个缺陷，就是计算效率低，难以投入工程应用。本发明的方法一般把热冲压机械传热过程单独分析，或者把流体传热单独分析。这些可以减少热冲压模具模温分析的时间，但会牺牲部分精度。
本发明采用仿真分析软件Fluent进行流-固-热耦合传热分析，输出保压后冷却水的温度分布和各部分的热传导系数，转入到有限元仿真分析软件Lsdyna，进行成形过程和模温分析。采用这套方法可以提升模温分析的精度，从而更好的指导模具冷却水道的设计。
实施例：1.建立模具水道整体仿真模型，进行流体分析（如图2，图3所示），分析模具本身的水阻特性曲线，也就是在外界流量和压力下的关系。管路中流量与阻力的关系，在不考虑流体密度变化时，可由范宁（Fanning）公式可求得：
。
因为，
，所以，
，得压力与流量之间的关系为：
。
2.根据外接冷却系统，包括水泵和散热器、水阀等，分析热冲压模具的冷却水管进出水口的真实流速，根据上述水阻特性，利用水泵特性已知的工作压力及所能供给的冷却水流量对冷却水管的进水口流速进行不断修正，使其不断接近实际。
3.采用水道整体分析模型，在仿真分析软件Fluent中分析各路水管的流速，通过仿真结果中流速所对应的进口压力值对比实际生产中的冷却水管进出口的压力监测值，以达到修正其边界条件的目的。
4.采用仿真分析软件Fluent建立上下模具、板料、上下冷却水道的流固热耦合仿真，进行多个冲次的仿真（如图4~图9所示）。仿真可以得出冷却水在不同部位的温度，以及管壁各个部位的热传导系数。
5.把冷却水与管壁的冷却水温度和管壁的热传导系数，以有限元仿真分析软件Lsdyna输入文件的格式，进行连续冲压仿真。在这种情况下考虑成形中板料厚度的变化、模面间隙、以及模具保压力，对成形精度的影响。
本发明提出的方法，在同一各模型的分析中，一个考虑冷却水温度在仿真分析软件Fluent中进行模温分析，另一个则不考虑冷却水温度在同样条件下进行模温分析，选取同一位置截面的模具、板料以及冷却水道在同一方向上的温度云图进行对比分析。结果如图10~图21所示。由结果云图对比显示，考虑冷却水温度变化对与热冲压模具的冷却效果有明显地提高，且冷却水在该设定的流速下在进出水口的温差在10℃-15℃左右，仿真结果冷却水管内水温各节点的温度变化离散图如图22、图23所示；与实际生产线上的冷却水进出口的温度监测值一致，实际生产线上冷却水管进出水口的温度监测如图24所示。故而考虑考虑冷却水温度变化的模温分析方法在边界的设置上更加地贴合实际，因此其精度更高。
本发明的创新点在于：
在热冲压模具的模温分析中，不仅考虑了冷却水道流速对整体热冲压模具冷却效果的影响，而且考虑了冷却水温度在保压过程中的温度变化对模具传热性能的影响。
本发明可进一步提升热冲压模具的模温分析精度。由于增加了仿真分析软件Fluent对冷却水管进水口流速的修正，以及整体热冲压模具在有限元分析软件Ansys中以流-固-热耦合仿真，不可避免地会对整体的分析时间有增加。
Claims (6)
1.一种考虑冷却水温度变化的模温仿真分析方法，包括建模软件UG、网格划分软件Hyper Mesh、有限元分析软件Ansys，其中有限元分析软件Ansys包括仿真分析软件Fluent及有限元仿真分析软件Lsdyna，其特征在于：具体方法步骤如下：
（1）采用建模软件UG，对包含冷却水管的上、下模具及板料进行几何模型的建立；
（2）通过网格划分软件Hyper Mesh对建模软件UG建立冷却水管的上、下模具及板料的三维实体模型进行几何的前处理以及网格的划分；
（3）将步骤（2）中划分好的网格导出CFD格式；
（4）将导出的CFD格式导入到有限元分析软件Ansys的仿真分析软件Fluent中，并设置求解模型的边界条件以及初始化条件，进行热固流耦合分析；
（5）热固流耦合分析后，输出冷却水管内的各个节点的温度及热传导系数，并通过仿真分析软件Fluent输出；
（6）将输出后的数据输入至有限元分析软件Ansys的有限元仿真分析软件Lsdyna中，进行分析模型；
（7）利用有限元仿真分析软件Lsdyna进行多次冲压仿真，得到最终精确的模温结果。
2.根据权利要求1所述的一种考虑冷却水温度变化的模温仿真分析方法，其特征在于：所述的步骤（2）中，板料的前处理以及网格的划分的具体步骤如下：
（21）对冷却水管的几何模型进行几何前处理；
（22）对冷却水管进行网格划分；
（23）对冷却水管与冷却水管的上、下模具进行布尔运算形成传热区域，然后划分3D网格；
（24）对板料进行网格划分。
3.根据权利要求1所述的一种考虑冷却水温度变化的模温仿真分析方法，其特征在于：所述的步骤（4）的热固流耦合分析中，还包括冷却水道的流速分析，具体步骤如下：
（41）根据水泵的工作特性，确定冷却水管的实际流速；
（42）设置各部分冷却水管的进水口流速与温度；
（43）设置冷却水管的流体域及固体域的边界条件及初始条件；
（44）设置时间步长，开始迭代计算至收敛。
4.根据权利要求1或3所述的一种考虑冷却水温度变化的模温仿真分析方法，其特征在于：所述的步骤（4）的热固流耦合分析中，冷却水管中的水温变化以及各部位的导热系数，确定冷却水流速的具体步骤如下：
（421）根据流量与流速、直径间的关系表达式，初步据水泵特性所能供给的进水口流量计算出冷却水管各个进水口的流速值：
，其中，V为流速，Q为流量，R为水管半径；
（422）为进一步得到更为精确的冷却水管进水口的流速，对上述计算得出的进水口流速进行仿真分析软件Fluent边界条件的设定后初步仿真，在结果收敛后查看仿真所得进出水口的压力值；
（423）根据实际冷却模具上进出水口压力监测器所得实际数值对上述仿真结果的压力值进行二次修正，以便重新得到精确的进水口流速；
（424）基于固体壁面边界在直角笛卡尔坐标系下，二维不可压缩黏性流动的连续方程和动量方程的无量纲形式为：
，
，
；
式中，u和v分别为沿x和y方向上的速度分量；p为压力；Re为雷诺数。
5.根据权利要求1所述的一种考虑冷却水温度变化的模温仿真分析方法，其特征在于：所述的步骤（6）的具体步骤如下：
（61）将经过多次迭代计算的结果通过仿真分析软件Fluent输出；
（62）利用有限元仿真分析软件Lsdyna对热冲压成形和保压冷却过程进行仿真，在计算控制文件中导入上述冷却水管各节点的温度及导热系数。
6.根据权利要求5所述的一种考虑冷却水温度变化的模温仿真分析方法，其特征在于：所述的冷却水管各节点的温度及导热系数包含了单元节点、材料属性、连接和接触、约束和载荷以及控制参数和计算设置信息。
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