Moldex3D流固耦合環(huán)境下橡膠管件澆注系統(tǒng)分析

葛曉宏，李煌陽，翟豪瑞

(廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,福建廈門361024)

Moldex3D流固耦合環(huán)境下橡膠管件澆注系統(tǒng)分析

葛曉宏，李煌陽，翟豪瑞

(廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,福建廈門361024)

為驗證橡膠管件澆注系統(tǒng)設(shè)計的合理性，解決由澆注系統(tǒng)設(shè)計不合理引起的型芯偏移、橡膠管件壁厚分布不均勻的問題，以一橡膠管件產(chǎn)品為例，運(yùn)用Moldex3D流固耦合分析方法對橡膠管件澆注系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，確定合理的澆注系統(tǒng)，使得橡膠熔體在模具型腔中均勻流動.結(jié)果表明：經(jīng)過對澆注系統(tǒng)的改進(jìn)，橡膠管件的壁厚偏差值由1.0 mm降到0.1 mm以內(nèi)，仿真結(jié)果與生產(chǎn)驗證一致，有效地解決了由型芯偏移所導(dǎo)致的厚度分布不均勻的質(zhì)量缺陷.

橡膠管件；流固耦合；偏芯；澆注系統(tǒng)；Moldex3D

目前,橡膠管件的模具一般采用經(jīng)驗或試模的方法進(jìn)行設(shè)計.對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橡膠管件模具,由于細(xì)長型芯偏移問題一直是模具設(shè)計的一個難點,因此,大部分模具廠采用多次試模改模來解決問題,這加大了模具開發(fā)的成本及周期.流固耦合技術(shù)現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于渦輪機(jī)械、風(fēng)葉機(jī)以及離心泵等流體機(jī)械的設(shè)計分析之中,通過分析可以對流體機(jī)械各個結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,分析結(jié)果的精確程度已經(jīng)滿足了當(dāng)前的工程需求［1－3］,但其在模具設(shè)計上的應(yīng)用偏少.Moldex3D是主流的模流分析軟件之一,采用的數(shù)值分析技術(shù)能大幅度提高三維實體流動分析精度、穩(wěn)定性與分析性能,除此之外, Moldex3D豐富的材料庫也提高了分析的靈活性［4］.Moldex3D被廣泛運(yùn)用于射出件的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及成型工藝的優(yōu)化分析［5－7］,對于質(zhì)量要求高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品可以進(jìn)行殘余應(yīng)力的分析以及優(yōu)化［8］.本文基于Moldex3D軟件,采用流固耦合的方法對一復(fù)雜橡膠管件成型過程中型芯偏移問題進(jìn)行分析,通過改進(jìn)優(yōu)化澆注系統(tǒng),解決細(xì)長型芯偏移變形、壁厚不均問題.

1 流固耦合的相關(guān)理論

流固藕合問題涉及流體與固體的分析理論計算以及兩者之間的耦合關(guān)系,固體的結(jié)構(gòu)力學(xué)計算以及流體的流場分析是流固耦合計算的基礎(chǔ),兩者的數(shù)據(jù)交合便是流固耦合問題的求解方法,其求解的本質(zhì)是固體域以及流體域之間的數(shù)據(jù)交換,兩相場之間的交叉迭代的數(shù)值計算過程.

流固耦合技術(shù)可以分為單向流固耦合和雙向流固耦合.單向流固耦合只考慮流體對固體的力學(xué)作用而忽略了固體的變形對流體流動的反作用；雙向流固耦合既考慮了流體對固體的作用,也考慮了固體變形對流體的影響.線性結(jié)構(gòu)的流固耦合瞬態(tài)動力學(xué)方程如下：

式 (1)中：M、C、K分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；u、u′、u″分別為節(jié)點位移、速度、加速度；FS為作用在結(jié)構(gòu)上的不含流體作用力的外部載荷矢量；FFSI為由流體作用在結(jié)構(gòu)上的耦合力［1－2］.

2 橡膠管件澆注系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 產(chǎn)品質(zhì)量問題分析

本產(chǎn)品為一車用復(fù)雜的橡膠管件,該管件內(nèi)徑為4 mm,外徑為8 mm,其壁厚公差為0.1 mm,長度為160 mm,模具采用一模八穴,如圖1所示.由于該管件有2處轉(zhuǎn)折,結(jié)構(gòu)不規(guī)則,其澆注系統(tǒng)設(shè)計存在一定難度,原方案澆注系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中產(chǎn)品厚度偏差值高達(dá)1 mm.

圖1 橡膠管件的結(jié)構(gòu)圖（mm）Fig.1 Structure diagram of the rubber tube（mm）

2.2 澆注系統(tǒng)優(yōu)化

圖2為不同方案澆注系統(tǒng)分析模型.圖2(a)為原方案的澆注系統(tǒng)網(wǎng)格模型,采用雙點進(jìn)澆,一個澆口位于厚度較大的端部區(qū)域,另一個澆口位于直管區(qū)域；圖2(b)為改進(jìn)方案的澆注系統(tǒng)網(wǎng)格模型,2個澆口均位于厚度較大的端部區(qū)域,呈中心對稱；圖2(c)為澆道的網(wǎng)格,采用3層邊界層網(wǎng)格提高分析精度.

圖2 橡膠管件的分析模型Fig.2 Analysis model of the rubber tube

3 模擬結(jié)果分析

運(yùn)用Moldex3D對該產(chǎn)品成型過程進(jìn)行分析,根據(jù)分析結(jié)果可以觀察到橡膠熔體充填模具型腔的過程以及在整個過程中對模具型芯的作用力是否平衡.根據(jù)流體力學(xué)原理,在橡膠熔體充填模具型腔過程中,只有當(dāng)橡膠熔體均勻地布滿型腔,使得型芯受力平衡,才能避免型芯偏移的現(xiàn)象.

3.1 原方案模擬結(jié)果分析

圖3為原方案橡膠熔體充填模具型腔不同體積百分比的流態(tài)圖.根據(jù)填充60%和75%的時刻圖可以明顯的發(fā)現(xiàn),在厚度較大的端部區(qū)域,橡膠熔體并非同時地抵達(dá)模壁,而是在單側(cè)澆口的作用下由一邊往另外一邊充填,使得型芯受到不對稱的單邊沖擊力從而導(dǎo)致在該區(qū)域的型芯偏移較嚴(yán)重.另一方面,在直管區(qū)域開設(shè)單側(cè)流道,必定使得型芯受到不對稱熔體的沖擊力.

圖3 原方案不同體積百分比的填充圖Fig.3 Filling of different volume percentage for original plan

圖4(a)為原方案型芯Y軸方向變形放大圖,圖4(b)為型芯總位移放大圖.由于Y軸方向與澆口方向一致,是主要的偏移方向,因此只分析Y軸方向型芯偏移以及型芯總偏移.在直管區(qū)域的澆口端,Y軸方向的偏移量達(dá)到1.01 mm,這主要是由于此區(qū)域澆口不對稱,受到橡膠熔體單邊沖擊力造成.實際生產(chǎn)過程中,原方案型芯在Y軸方向的最大偏移量為1.08 mm,偏移趨勢一致.在拐角厚度較大區(qū)域雖然也受到不對稱力的作用,但該區(qū)域的型腔較大,型芯受力相對較小,因此偏移量也較小,約為0.326～0.651 mm.

圖4 原方案型芯變形圖Fig.4 Core deformation of the original plan

3.2 改進(jìn)方案模擬結(jié)果分析

圖5為改進(jìn)方案橡膠熔體充填模具型腔不同體積百分比的流態(tài)圖.根據(jù)圖5可以發(fā)現(xiàn),改進(jìn)方案的橡膠熔體充填均勻、對稱.橡膠熔體最先均勻充填厚度較大的區(qū)域,然后對稱且均勻地蔓延到整個模具型芯.由于澆口設(shè)置區(qū)域的空間較大,橡膠熔體的沖擊力一定程度上得到緩沖,且澆口的位置避開型芯,對著模壁,因此橡膠熔體大部分的沖擊力被型腔壁吸收,對型芯產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷小.

圖5 改進(jìn)方案不同體積百分比的填充圖Fig.5 Filling of different volume percentage for improved plan

圖6為改進(jìn)方案型芯在X軸、Y軸、Z軸的變形情況以及總位移.根據(jù)圖6可以知道,在改進(jìn)方案中,型芯在X軸方向上的最大變形量約為0.007～0.012 mm；型芯在Y軸方向上的最大變形量約為0.02～0.035 mm；型芯在 Z軸方向上的最大變形量約為 0.016～0.02 mm.型芯總偏移量為0.037 mm,位于澆口處的位置.該方案滿足尺寸公差要求.

圖6 改進(jìn)方案的變形圖Fig.6 Core deformation of the improved plan

4 生產(chǎn)驗證

采用改進(jìn)方案進(jìn)行修模改進(jìn)并量產(chǎn)驗證,在樣品生產(chǎn)驗證的過程中,為了排除其他因素的影響,使整個樣品驗證更加具有代表性與真實性,分別從第1天,第3天與第6天的量產(chǎn)樣品中隨機(jī)抽取5件產(chǎn)品進(jìn)行尺寸測量.選取產(chǎn)品主要變形區(qū)上的5個點進(jìn)行測量,測量點的位置如圖7所示,測量的數(shù)據(jù)如表1所示.

圖7 橡膠管件尺寸測量點（mm）Fig.7 Dimension measurement point of the rubber tube（mm）

表1 樣品件的尺寸測量數(shù)據(jù)Table 1 Data of sample rubber tube單位：mm

經(jīng)過對產(chǎn)品試樣的尺寸檢測驗證可知,改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)設(shè)計合理,產(chǎn)品的變形趨勢與模擬分析的一致,生產(chǎn)驗證的最大變形量在0.03～0.06 mm之間,與數(shù)值分析的0.037 mm結(jié)果一致,滿足了壁厚公差的要求,提高了產(chǎn)品的質(zhì)量.

5 結(jié)論

1)基于Moldex3D軟件,采用雙向流固耦合方法對復(fù)雜橡膠管件模具的澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,成功解決了細(xì)長型芯偏移而造成的橡膠管件壁厚分布不均的問題.

2)對于復(fù)雜模具型芯偏移變形的這類問題難點,采用流固耦合的方法進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化,設(shè)計出合理的澆注系統(tǒng),可節(jié)省開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量.

3)在復(fù)雜橡膠管件模具澆注系統(tǒng)設(shè)計的過程中必須盡量避免橡膠熔體的沖擊力不對稱地直接作用于細(xì)長的模具型芯上,澆注系統(tǒng)的設(shè)計必須能夠滿足橡膠熔體均勻?qū)ΨQ地充填模具型腔,這樣才能減少壁厚不均的問題產(chǎn)生.

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Gating System Analysis of Rubber Pipe Under the Fluid-Structure Interaction of Moldex3D Environment

GE Xiao-hong，LI Huang-yang，ZHAI Hao-rui
（School of Mechanical＆Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China）

In this case，fluid-structure interaction of Moldex3D modeling was applied to the rubber pipe gating system and smooth melt flow was achieved，and mold core deviation and uneven rubber pipe wall thickness caused by poorly designed gating system improved.The results show that the deviation of thickness is reduced from 1mm to 0.1 mm and simulation is verified with the results from real production.Successfully solved the problem of uneven thickness result from deviation of core.

rubber pipe；fluid-structure interaction；deviate；gating system；Moldex3D

TG76

A

1673－4432（2015）05－0001－06

（責(zé)任編輯 李 寧）

2015－06－29

2015－10－05

葛曉宏 (1964－),男,教授,博士,研究方向為材料成形及模具技術(shù).E-mail：xhge＠xmut.edu.cn