摘要 摘要 冷卻系統(tǒng)是注塑模具的重要組成部分。對大多數(shù)模具，冷卻是通過冷卻液在 冷卻管網(wǎng)內(nèi)的流動來實現(xiàn)的。注塑模具冷卻管網(wǎng)的分析計算，是在基本參數(shù)已定 的基礎上，來確定各管段的流量和各個節(jié)點的壓力。 管網(wǎng)分析的意義，不但在于可以確定冷卻液壓力泵( 大多為水泵) 是否能提 供足夠的壓力以保證管網(wǎng)的流量，而且當管網(wǎng)有內(nèi)部支路時，可以計算各支路的 流量分配。 注塑模具的冷卻管網(wǎng)和水力管網(wǎng)具有異類相似性。管網(wǎng)計算的理論研究發(fā)展 到今天，已經(jīng)取得了卓有成效的成績。因此模具管網(wǎng)的計算參考借鑒了水力管網(wǎng) 計算的一些理論算法。例如在已知的注塑模c a e 軟件中，如世界著名的m p i 、c m 0 1 d 以及我國的z m o l d ，在管網(wǎng)分析中均套用了通常管網(wǎng)計算方法。 但是，目前的模具冷卻管網(wǎng)分析仍然存在一些不足。首先，用于管網(wǎng)分析的 兩大類算法節(jié)點法和回路法均存在一定的缺陷；其次，是否通常的管網(wǎng) 分析完全適用于注塑模的冷卻管網(wǎng)分析這一特殊問題，尚未見令人信服的分析報 告。本文在深入研究管網(wǎng)計算理論的基礎上，針對模具冷卻管網(wǎng)的特殊性，主要 進行了以下工作： l 、在對傳統(tǒng)的管網(wǎng)計算理論深入分析的基礎上，歸納總結了各種計算方法。并對 各種算法進行比較，針對以往算法中的不足，提出了一種新的管網(wǎng)計算方法 修正流量的節(jié)點法。構造了新節(jié)點法的數(shù)學模型，給出了計算程序框圖。 2 、根據(jù)新算法的數(shù)學模型，采用c + + 語言編寫了電算程序。并通過算例，證明了 新方法能有效的克服傳統(tǒng)方法的弊端。 3 、進行了模具冷卻管道的流量壓力關系實驗，對實驗數(shù)據(jù)進行了研究分析， 與理論計算結果進行了比較。結果表明，目前的注塑模冷卻管網(wǎng)的計算方法存 在嚴重缺陷，包括m p i 在內(nèi)的c a e 軟件給出的計算結果均有重大誤差。本文分 析了問題產(chǎn)生的原因，對原有模具管網(wǎng)計算理論進行了一些修正，提出了指導 模具冷卻管網(wǎng)計算的一些定性結論。 關鍵詞：管網(wǎng)；節(jié)點法；回路法；注塑模具；冷卻系統(tǒng) a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o o l i n gs y s t e mp l a y si m p o r t a n tr o l et l l ei n j e c t i o nm o l d i n g t om o s ti 巧e c t i o n m o l d ，t h ec o o l i n gi sr e a l i z e dt l l r o u 曲t h ec o o l a n tn o w i n gi np i p en e t w o r k s o - c a l l e d c o o l i n gp i p en e 帆o r ka n a l y s i si st od 神黜i n e 血e 玎o wr a t ef o re a c hs e g m e ma n dt h e p r e s s l l r ea ts e g m e mj o i m s ( n o d e s ) w h e nt 1 1 eb a s i cp a r 捫e t e r sa r ek n o w n b yt h ea n a l y s i s ，n o to n l yc a nw eb es u r ew h e t h e rt h ec o o l a mp u m pc a np m v i d e e n o u g hp r e s st o e n s u r e 廿1 en o wr a t eo ft h en e t w o r k ，b u ta l s ow ec a np r e d i c tt 1 1 e c o o l a l l t - n o wd i s t r i b 砸o ni na l ls u b c i r c u i t si f t h e ye x 汛 t h ec o o l i n gp i p e1 1 e 似o r ko fi n j e c t i o nm o l di ss i m i l a rt o 廿l ew a t e rn e t w o r kt oa c e n a i nd e g r e e u pt o 出崎，廿l eg e n e r a lp i p en e “v o r ka n a l y s i si s 、v e l ld e v e l o p e d ，s oi t s t 1 1 e o r ya n dn 啪謝c a lm e m o di sa l s o 訕d e l ya p p l i c dt o 也ep i p en e t w o r ka n a i y s i si nt h e c o o l i n gs y s t e mo fi n j e c t i o nm o l d f o re x 鋤p l e ，s o m ec a e s o r w a r ef o ri n j e c t i o nm o l d ， s u c ha sm p i ，c m o l d ，w h i c ha r ec o n s i d e r c da sw o r dc l a s ss o f 【w 盯e ，a n dz m o l d d e v e l o p e di no l l rc o u m r y ，a r eu s m gt 1 1 eg e n e r a lt c c l l i l i q u eo fp i p en e t w o r ka i l a l y s i s h o w e v e r ，m e r ea r es t i l ls o m es h o r t c o m i n g si nt l l ec u r r e n tn u m e r i c a la n a l y s i sf o rc o o l i n g p 啦n e t w o r ko f e c n o nm o l d f i r s t l y ，b o t hj u n c t i o nm e t h o da n d1 0 0 pm e t l l o d ，t w o m a i nm e t h o d su s e df o rt l l en e t w o r ka n a l y s i s ，h a v em e i ro w nd i s a d v a n t a g e s s e c o n d l y ， w h e t h e rt h eg e n e r a ln e t w o r ka n a l y s i si sc o m p l e t e l ya p p l i c a b l et oo u rs p e c i a lp r o b l e mi s q u e s t i o n a b l e ，a n dn 0c o n v i n c 訪gr e s e a r c hh a sb e e nr e p o r t e d o nt h eb a s i so fm em e o r yo fp i p en e t 、v o r ka 1 1 a l y s i s ，t h ep r e s e n t 、o r ki s c o n c e n 仃a t e do nt 1 1 es p e c i a ls t u d yo ft l l ec o o l i n gp i p en c t 、o r ko fi n j e c t i o nm o l d t h e m a i nw o r ki sa sf i o l l o w s ： 1 t h et r a d i t i o n a lp i p en e t w o r ka n a l y s i sw a sd e 印l ys t u d i e d ，a 1 1 dv a r i o u sn u m e r i c a l m c t h o d sw e r er e v i e w e da i l dc o m p 盯e d an e w 叫m e r i c a ls 0 1 u 廿o nt ot h ep i p en e 椰，o r k a i l a l y s i s ，n 鋤e da sj u n c t i o nm e t h o d 、v i mn o wr a t em o d i f i c a t i o n ，w a sp r e s e n t e dt o o v e r c o m e l es h o r t c o m i n g se x i s t i n gi nt l l ep r e s e n ta i l a l y s i s t h er e l a t e dm a m e m a t i c s m o d e lw a sf o 鋤u l a t e da n dt h ec o m p u t a t i o n a l 丘鋤ed i a g r a mw a sg i v e n 1 1 a b s t r a c t 2 b a s e do nt h en e wm e t t l o d ，t i l ec o m p u t e rp m g r 鋤c o d ew a sw r i n e nw i t 王1c + + 1 a n g u a g e t h eg i v e ne x a i l l p l e sp r o v e st h a tm en e wm e m o di sm o r ep o w e r f u la i l dc a l l s u c c e s s m l l yo v e r c o m et l l ed i s a d v a i l t a g e so f t h ep r e s e mn u m e r i c a lm e t h o d s 3 t h ee x p e r i m e n tw a sm a d et od e t e r m i n et t l en u x - p r e s s u r er e l a t i o ni nm ec o o l i n g p i p eo ft h em o l d t h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dt ot h e t h e o r e t j c a lc a l c u l a t j o n i tw 嬲s h o w nt h a tt h ec u r r e n tc a l c u l a “o nm e t h o d so ft h e c o o l i n gp i p en e t w o r ko fi n j e c t i o nm o l dh a v es e r i o u sp r o b l e m t h er e s u h sc a l c u l a t e d b ya l m o s ta l lc a es o f t 、 ，a r c ，i n c l u d i n gm p i ，a r en o tc o r r e c t t h er e a s o no ft h e p m b l e mw a sa i l a l y z e da n ds o m em o d m c a t i o nt ot h ep r e v i o u sc o o l i n gp i p en e t w o r k a n a l y s i so f i n j e c t i o nm o l dw a sg i v e n ，i n c l u d i n gs o m eq u a l i t a t i v ec o n c l u s i o n k e y w o r d ：p i p en e t w o r k ；j u n c t i o nm e t h o d ；l o o pm e t h o d ；i n j e c t i o nm o i d ；c o o h n gs y s t e m i l 鄭重聲明 本人的學位論文是在導師指導下獨立撰寫并完成的，學位論文沒有剽竊、抄 襲等違反學術道德、學術規(guī)范的侵權行為，否則，本人愿意承擔由此產(chǎn)生的一切 法律責任和法律后果，特此鄭重聲明。 心r - 1 陟 日 ， 8 月 兒廠g 名 年 簽 允 嗽 止 醬 ，一 作 一。 一 l 淪jl學 第一章緒論 第一章緒論 1 1 模具c a d c a e c a m 簡介 在現(xiàn)代機械制造業(yè)中，模具工業(yè)已成為國民經(jīng)濟中一個非常重要的行業(yè)，許 多新產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，在很大程度上依賴于模具制造技術，特別是在汽車、輕 工、電子和航天等行業(yè)中尤顯重要。模具工業(yè)發(fā)展的關鍵是模具技術的進步，模 具技術又涉及到多學科的交叉。模具作為一種高附加值和技術密集型產(chǎn)品，其技 術水平的高低已成為衡量一個國家制造業(yè)水平的重要標志之一。世界上許多國家， 特別是一些工業(yè)發(fā)達國家都十分重視模具技術的開發(fā)，大力發(fā)展模具工業(yè)，積極 采用先進技術和設備，提高模具制造水平，已取得了顯著的經(jīng)濟效益。 目前，整個工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展特點是產(chǎn)品品種多，更新快，市場競爭日趨激烈。為了 適應用戶對模具制造的高精度、短交貨期、低成本的迫切要求，模具工業(yè)正廣泛應 用現(xiàn)代先進制造技術，來加速模具工業(yè)的技術進步，滿足各行各業(yè)對模具這一基礎 工藝裝備的迫切需求“。 模具c a d c a e c a m 是改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式的關鍵技術，是一項高科技、高 效益的系統(tǒng)工程。模具c a d ，c a e ，c a m 的基本概念如下： c a d ：c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 是指工程技術人員以計算機為工具，用自身的 專業(yè)知識，對模具進行總體設計、繪圖、分析等設計活動的總稱，是一項綜合性 技術。 c a e ：c a e ( c o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g ) 是以現(xiàn)代計算力學為基礎，以計算機仿 真為手段的工程分析技術，是實現(xiàn)模具優(yōu)化設計的主要支持模塊。模具c a e 主 要是指用計算機對模具產(chǎn)品進行性能與安全可靠性的分析，對其未來模具的工 作狀態(tài)和運行行為進行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設計缺陷，并證實未來工程、產(chǎn)品功能和 性能的可用性與可靠性。 c a m ：c a m ( c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r i n g ) 有狹義與廣義之分。狹義c a m 通常指 對模具加工數(shù)控程序的編制，包括刀具路線的規(guī)劃、刀位文件的生成、刀具軌 跡仿真以及后置處理和n c 代碼生成等。模具c a m 是指利用計算機實現(xiàn)從模具 圖樣到產(chǎn)品制造過程中的直接和間接活動。包括對物質流動和信息流動的直接 控制、管理和監(jiān)督，也包括工藝準備、生產(chǎn)作業(yè)、計劃、數(shù)控程序編制等，其核 心內(nèi)容是實現(xiàn)產(chǎn)品加工過程中的數(shù)控編程的自動化。“。 現(xiàn)代化制造加工業(yè)，應以使用模具c a d c a e c a m 技術來實現(xiàn)優(yōu)質、高效、低成 鄭卅f 大學工學碩士學位論文 本的產(chǎn)品生產(chǎn)為目標以適應用戶對產(chǎn)品個性化的追求。在我國，有許多模具企業(yè) 大都憑經(jīng)驗或已經(jīng)在設計、制造等方面分散使用c a d c a e c a m 單項技術來實現(xiàn) 生產(chǎn)，由于產(chǎn)品信息相當復雜，要實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)自動化，在分離的c a d ，c a e ，c a m 之間還需要大量的人工工作，這給企業(yè)自動化生產(chǎn)帶來了極大的障礙。這種“自動 化孤島”的方法使整個生產(chǎn)過程資源共享率低、信息不流暢，導致研制產(chǎn)品周期 長、更新?lián)Q代慢，難以在國際競爭中生存和發(fā)展。 國外推廣c a d c a e ，c a m 技術成功的經(jīng)驗表明：企業(yè)取得顯著效益，很多是 從集成應用中得到的，而不是單項應用的結果。模具c a d c a e c a m 是模具c a d ， c a e ，c a m 的集成，它以計算機軟件的形式，為企業(yè)提供一種有效的輔助工具，使工 程技術人員借助于計算機對產(chǎn)品性能、模具結構、成形工藝、數(shù)控加工及生產(chǎn)管 理進行設計和優(yōu)化。其中心思想是讓用戶在統(tǒng)一的環(huán)境中實現(xiàn)c a d c a e c a m 協(xié) 同作業(yè)，以便充分發(fā)揮各單元的優(yōu)勢和功效。 如今，模具c a d c a e c a m 技術能顯著縮短模具設計與制造周期，降低生產(chǎn)成 本和提高產(chǎn)品質量已成為模具界的共識“1 。 1 2 注塑模具的優(yōu)化設計睜m 3 模具是賦予制品固定的幾何形狀，用以重復大量生產(chǎn)成品的工具。對于注塑 模具，設計時除了要考慮產(chǎn)品外形、塑件壁厚外，還需要充分考慮澆口位置、流 道排列、冷卻管路配置、滑塊、頂出機構等。模具設計人員完成成品圖與模具圖 繪制后，再去加工模具，然后試模，之所以進行試模，是因為沒有人能準確預測 塑料在模具內(nèi)部的成型情況，而這一部份因素卻決定了產(chǎn)品品質。當試模得到的 產(chǎn)品不是原先所預期的，而有缺陷時，只能通過加以修改模具來得到較好的產(chǎn)品。 為了一次試模就能夠得到良好的產(chǎn)品，首先要達到模具的最佳設計。設計人員應 該先了解模具內(nèi)部的成型情形，在模具設計前就先把相關因素考慮進來，才能獲 致良好成品。 模具c a e 技術正是解讀模具內(nèi)部成型所有信息的有效工具。 塑料模具c a e 技術是根據(jù)塑料加工流變學和傳熱學的基本理論，建立塑料熔體 在模具型腔中的流動、傳熱的物理數(shù)學模型，利用數(shù)值計算理論構造其求解方法， 利用計算機圖形學技術在計算機屏幕上形象、直觀地模擬出實際成型過程。c a e 技 術的應用帶來的直接好處是在模具制造之前就能發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題，修改圖 紙而不是返修模具，減少試模、修模次數(shù)和模具報廢率，縮短模具設計制造周期，降 第一章緒論 低成本，提高產(chǎn)品質量。 c a e 技術在注塑模具設計中的作用主要體現(xiàn)在以下幾方面： 1 、優(yōu)化塑料制品 塑件的壁厚、澆口數(shù)量、位置及流道系統(tǒng)設計等對于塑料制品的成敗和質量 關系重大。以往全憑制品設計人員的經(jīng)驗來設計，往往費力、費時，設計出的制 品也不盡合理。利用c a e 分析技術，可以得到制品的實際最小壁厚，優(yōu)化制品結 構，降低材料成本，縮短生產(chǎn)周期，保證制品能全部充滿。 2 、優(yōu)化模具結構 通過c a e 分析，可以得到最佳的澆口數(shù)量與位置，合理的流道系統(tǒng)與冷卻系 統(tǒng)，并對型腔尺寸、澆口尺寸、流道尺寸和冷卻系統(tǒng)尺寸進行優(yōu)化，在計算機上 進行試模、修模，大大提高模具質量，減少修模次數(shù)。 3 、優(yōu)化注塑工藝參數(shù) 由于經(jīng)驗的局限性，工程技術人員很難精確地制定出最合理的工藝參數(shù)并確 定最優(yōu)的工藝方案。而借助c a e 分析軟件，工程技術人員可確定可以確定最佳的 注射壓力、保壓壓力、鎖模力、模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓時間和冷 卻時間，以注塑出最佳的塑料制品。 塑料模c a e 技術的運用是塑料成型加工及模具設計發(fā)展過程中的一個重要里 程碑。它可使設計人員避免設計中的盲目性，使工程技術人員在模具加工前完成試 模工作，也可使生產(chǎn)操作人員預測工藝參數(shù)對制品外觀和性能的影響。總之，設計 人員和生產(chǎn)人員可利用塑料模c a e 技術有目的地修正設計方案和工藝條件，克服因 經(jīng)驗少、工作疏漏而造成的不良后果，多快好省地進行新產(chǎn)品、新工藝的研究，以 適應日益激烈的競爭環(huán)境。 1 3 注塑模具的冷卻系統(tǒng) 1 3 1 模具內(nèi)的熱交換 注塑模具可以視為一個熱交換系統(tǒng)，注塑模具內(nèi)的熱交換主要表現(xiàn)在三個方 面，一是熔融塑料通過與模具型腔的接觸面，以熱傳導方式將熱量傳遞給模具， 鄭州大學上學碩士學位論文 如圖1 1 所示的a 點；二是模具通過置于其內(nèi)的冷卻管道將大部分熱量傳遞給冷 卻劑，由冷卻劑將熱量帶走，這是一個對流換熱過程，如圖1 1 中的c 點；三是 模具直接通過其外表面與周圍空氣進行對流換熱，將部分熱量釋放掉，如圖1 1 中的b 點。塑料釋放的總熱量等于由模具外表面和冷卻系統(tǒng)帶走的熱量之和。 b 圖1 1 注塑模具截面圖 f i g 1 1s e c t i o n a lv i e wo fi n j e c t i o nm o l d 1 3 2 模具溫度對塑件成型的影響“1 1 7 1 模具溫度狀態(tài)對成型制品有著顯著的影響，當模具溫度過高或過低、溫度分 布不均時，會使得制品產(chǎn)生以下缺陷： 1 i 塑件翹曲變形 翹曲變形是塑件常見的質量缺陷之一。消除塑件翹曲變形要從注塑過程參數(shù)、 塑件材料及結構、模具結構及溫度等多方面去考慮，其中均勻一致的模具溫度尤 為重要。當模具溫度不均勻時，與較冷模腔面接觸的熔體很快冷卻下來，而與較 熱部分接觸的熔體則會繼續(xù)收縮，因此收縮不均勻使塑件產(chǎn)生翹曲變形。 2 塑件表面質量 塑件的表面質量缺陷主要包括表面無光澤、凹凸不平及出現(xiàn)明暗相間條紋等 情況。模具溫度控制不當是產(chǎn)生這些缺陷的主要原因之一。一般來講，提高模具 的溫度可改善塑件的表觀質量。 第一章緒論 3 塑件內(nèi)部應力。 減少塑件內(nèi)應力或使塑件截面上內(nèi)應力分布均勻化可提高塑件的物理性和使 用壽命。塑件內(nèi)部應力主要包括取向應力和溫度應力。取向應力是在充模和冷卻 過程中，由于聚合物大分子形狀發(fā)生變化和一定的構象被固定下來而產(chǎn)生的，它 主要與注塑過程參數(shù)( 如熔體溫度、注塑壓力及保壓時間等) 有關。溫度應力則是 由于冷卻不均勻而產(chǎn)生的，它與冷卻系統(tǒng)的設計有關。除上述幾方面外，模具的 溫度狀態(tài)還直接影響著塑件的收縮率、力學性能及充填性能。 模具溫度狀態(tài)除了對制品會產(chǎn)生如上的影響，對注塑周期也起著非常重要的 作用。主要表現(xiàn)在縮短注射周期可使成型速度加快，塑件生產(chǎn)效率提高。在一個 注射周期中，開模、閉模、注射及保壓時間一般遠小于塑件的固化及冷卻時間， 而且通常已處于最低值，因此縮短注射周期的關鍵是降低塑件的固化及冷卻時間， 對塑件的固化及冷卻時間影響最大的因素是模具型腔表面的溫度，降低模具溫度 可使這一時間顯著減小，從而使塑件的生產(chǎn)效率提高。 1 3 3 冷卻系統(tǒng)的結構形式“8 1 因為高溫融體帶入模具的熱量，其中絕大部分經(jīng)模具傳給冷卻系統(tǒng)，由冷卻介 質帶出模具，其余熱量由模具外表面以對流、輻射的方式傳給周圍環(huán)境，所以模 具溫度的控制和調節(jié)主要是靠冷卻系統(tǒng)來完成的。因此設計出合理、高效的冷卻 系統(tǒng)，使模具溫度朝著有利于生產(chǎn)的方向變化，是一項很重要的工作。 冷卻系統(tǒng)主要由冷卻管道組成，其間可以連接軟管、折流管、噴管和吸熱針 等。隨著制件的形狀及其所需的冷卻溫度不同，冷卻系統(tǒng)的結構形式變化多樣。 圖1 2 簡單冷卻管道 f i g 1 2s i m p l ec o o l i n gc h a n n e l 鄭州大學t 學碩士學位論文 簡單冷卻管道是最常見的一種形式，通過在模具上直接打孔，并通以冷卻介 質，在模外通過軟管連接冷卻回路，如圖l _ 2 所示。通常分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種基 本型式。如圖1 3 串聯(lián) 并聯(lián) 圖1 3 基本冷卻管道 f 培1 3b a s i cc o o l i n gc h a i l i l e l i ns e t i e s p a r a l l e lc o 皿e c t i o n 有些深型腔的型芯冷卻，需要在型芯中打出盲孔，再放入隔板，沿著型芯的 形狀開設冷卻水道。如圖1 4 所示。 圖1 4 隔片式冷卻管道 f i g 1 4s e p t ac o o l i n gc h a n n e l 對于長型芯的冷卻，通常的做法是在型芯中間裝有一個噴水管。冷卻水從噴 水管噴出，分流向周圍冷卻型芯壁。如圖1 5 所示。 6 第一章緒論 圖1 5 噴流式水道 f i g 1 5c a s c a d ec 0 0 1 i n gc h a n n e l 在模具的冷卻系統(tǒng)裝置中，也經(jīng)常用到熱管它是一種特制的散熱用標準件， 將它的一端插入小直徑型芯中吸熱，另外一端置于循環(huán)冷卻液中散熱。是一種高 效率而容易應用的散熱器。熱管也可以用鈹青銅代替，但散熱效率要降低5 0 左 右。如圖1 6 所示。 圖1 6 導熱型芯式水道 f i g 1 6t h ec o o l i n gc h a n n e lw i t hh e a tc o n d u c t i o nc o r e 1 3 4 冷卻系統(tǒng)的設計 冷卻系統(tǒng)的主要設計參數(shù)包括：冷卻管道的尺寸、位置及各冷卻管道的連接 關系等幾何參數(shù)和冷卻介質的流量、進口溫度等物理參數(shù)。衡量注射模冷卻系統(tǒng) 好壞的標準有兩條：一是使注射模冷卻時間最短，二是使注塑型腔表面溫度均勻。 一個好的冷卻系統(tǒng)應該使模具達到快速、均衡的冷卻，以減少冷卻時間，提高成 型效率，并減少或避免塑件翹曲變形、殘余應力及表面質量缺陷等，提高產(chǎn)品質 量。冷卻系統(tǒng)作為注塑模具的重要組成部分，其配置的好壞直接影響著模具的實 用性，故在進行模具設計時，應盡量科學、合理的設計、配置冷卻系統(tǒng)，以有效 鄭州大學i 學碩士學位論文 縮短冷卻時間、提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率。 長期以來，注塑模冷卻系統(tǒng)的設計主要采用傳統(tǒng)的方法，冷卻管道的布置和冷 卻參數(shù)的確定往往在設計的最后階段憑設計者的經(jīng)驗和直覺進行，缺乏理論依據(jù) 和科學的計算方法，往往導致模具成型效率低，塑件的質量也難以保證。為了確定 冷卻系統(tǒng)參數(shù)對冷卻時間及模壁溫度的影響，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設計，國內(nèi)外學者開展 了大量的研究工作。 2 0 世紀8 0 年代以來，由于c a d 技術及有限元等數(shù)值計算方法的廣泛應用，用 有限元法和邊界元法分析計算注塑模溫度分布和冷卻時間等取得了較大進展，并 且形成了把數(shù)值模擬與圖形結合起來，使冷卻系統(tǒng)的計算機模擬技術實用化的c a e 技術，在國際市場上出現(xiàn)了一些商品化的注塑模冷卻分析c a e 軟件。利用這些軟 件，可在計算機上對注塑模冷卻過程進行數(shù)值模擬，在給定冷卻系統(tǒng)設計參數(shù)后， 即可計算出模具型腔的溫度、熱流分布、各冷卻管道的效率及冷卻時間等，幫助 設計者判斷設計是否滿意，并通過交互修改設計方案，在模具制造之前使設計達 到優(yōu)化。注塑模冷卻過程的數(shù)值模擬技術可使冷卻系統(tǒng)的設計建立在科學分析、 定量計算的基礎上，避免因冷卻系統(tǒng)設計不合理造成的反復試模、修模，降低模 具設計、制造成本，提高塑件質量和成型效率，為設計人員優(yōu)化注塑模冷卻系統(tǒng) 設計和工藝條件提供先進實用的工具。 然而在利用計算機對注塑模具冷卻過程進行數(shù)值模擬時，模擬結果的可靠程 度在很大程度上取決于模具冷卻管網(wǎng)中流量分布的計算是否可靠特別是對復雜 管網(wǎng)( 有閉合回路) 系統(tǒng)更是如此。注塑模具的冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)分析旨在根據(jù)管網(wǎng)的 幾何參數(shù)和入口流量，計算各管道的流量和各點的壓力，從而確定所需要的冷卻 泵的功率和管道的對流換熱系數(shù)。 因此，注塑模具的管網(wǎng)計算對冷卻系統(tǒng)的c a e 分析具有非常重要的意義。 1 4 管網(wǎng)計算發(fā)展概況婦 管網(wǎng)的設計計算從手算到電算，從憑經(jīng)驗設計到優(yōu)化設計是與計算方法及計 算工具的發(fā)展過程相適應的。 最早使用的管網(wǎng)水力分析方法是眾所熟知的哈代克羅斯( h a r d yc r o s s ) 法。 它是以能量方程回路( 環(huán)) 的水頭損失平衡為準則，并引進校正流量的概念 第一章緒論 而導出非線性方程組，然后將其線性化來求解。方程的欲求變量是環(huán)的校正流量， 方程的個數(shù)就是管網(wǎng)的基環(huán)數(shù)。由千這一方法采用的是迭代方法，且迭代公式簡 單，便于手工計算，所以在無計算機的年代里，這一方法占有絕對的“統(tǒng)治”地 位。 8 0 年代初，我國管網(wǎng)水力計算的計算機程序大多基于哈代法。但是，由于在 線性化的過程中，簡化過多( 從物理意義上講是忽略了環(huán)與環(huán)之間的相互影響) 而導致收斂速度慢，且初始值( 初始流量分配) 對收斂的影響較大，因此為了加 快收斂速度，不少學者對原迭代公式進行了修正，如考慮校正流量4 4 的步長因子， 而我國同濟大學的楊欽教授則提出了所謂的校正流量分配法，考慮了鄰環(huán)之間相 互影響的傳布系數(shù)，減少了迭代次數(shù)。7 0 年代以后，隨著網(wǎng)絡( 圖論) 技術的應 用發(fā)展，便利用圖論來構造管網(wǎng)的節(jié)點方程和環(huán)方程，這些方程都是以矩陣來描 述的，方程形式簡潔明了，使得人們對系統(tǒng)、方程本身的性質及其應用有了更直 觀、更深刻的了解。而且，求解這些方程的各種方法易于在計算機上實現(xiàn)。應用 較多的是利用牛頓迭代法來求解節(jié)點方程和環(huán)方程，由于應用牛頓法求解時所形 成的雅可比( j a c o b i ) 矩陣是一對稱正定、帶狀的稀疏矩陣，即可利用效率極高 的平方根法來求解相應的線性方程組，又可采用帶寬壓縮存貯技術，節(jié)約大量內(nèi) 存。這種方法收斂速度快、精度高、存貯量小，目前，即使在微機上也可對任何 現(xiàn)實的大型管網(wǎng)進行水力分析計算。 如今，無論是國內(nèi)國外，有關管網(wǎng)的水力分析的算法及應用程序均已相當成 熟，隨著系統(tǒng)工程理論、最優(yōu)化技術及控制、計算機技術等學科的不斷發(fā)展，以 及它們之問的相互交叉、滲透。管網(wǎng)的水力汁算及優(yōu)化設計技術，必將全面的應 用到實際工程之中。 1 5 本文的主要工作 注塑模具的冷卻管網(wǎng)和水力管網(wǎng)具有異類相似性。在處理模具管網(wǎng)的計算時 參考借鑒了水力管網(wǎng)計算的一些理論算法。但是，目前的模具冷卻管網(wǎng)分析仍然 存在一些不足。 首先，用于管網(wǎng)分析的兩大類算法節(jié)點法和回路法均存在一定的缺 陷：其次，是否通常的管網(wǎng)分析完全適用于注塑模的冷卻管網(wǎng)分析這一特殊問題 鄭州大學工學碩士學位論文 尚未見令人信服的分析報告。 本文在深入研究管網(wǎng)計算理論的基礎上，針對模具冷卻管網(wǎng)的特殊性，主要 進行了以下工作： 1 、詳細總結了用于管網(wǎng)計算的兩大類方法，并對這兩種方法進行比較，針對以往 算法中的不足，提出了一種新的管網(wǎng)計算方法修正流量的節(jié)點法。構造 了新節(jié)點法的數(shù)學模型，給出了計算程序框圖。 2 、根據(jù)新算法的數(shù)學模型，采用c + + 語言編寫了電算程序。并通過算例，證明了 新方法能有效的克服傳統(tǒng)方法的弊端。 3 、進行了模具冷卻管道的流量壓力關系實驗，對實驗數(shù)據(jù)進行了研究分析， 與理論計算結果進行了比較。對原有模具管網(wǎng)計算理論進行了一些修正，提 出了指導模具玲卻管網(wǎng)計算的一些定性結論。 第二章管網(wǎng)分析基本理論 第二章管網(wǎng)分析基本理論 2 1 管網(wǎng)圖形的概念 進行管網(wǎng)水力計算時，須先有一張管網(wǎng)的計算簡圖。這張簡圖就是一張網(wǎng)絡 圖。計算簡圖可以是各種各樣的，對于給水管網(wǎng)，如果不考慮各管段的位置、長 度、形狀及截面大小等情況，將各交匯點與管段( 分支) 之間的連接關系用點和 有向線段來表示，我們就可以將管網(wǎng)原平面布置的形狀用網(wǎng)絡圖的形式描繪下來， 并稱為管網(wǎng)計算簡圖。圖中的線稱為邊，代表實際管段：各管段的交匯點稱為節(jié) 點，節(jié)點也包括配水源節(jié)點，如泵站、水塔等。用標號將節(jié)點及管段一一標明。 通過這張圖，我們就能對節(jié)點與管段之間的相互關系一目了然。在管網(wǎng)水力計算 中，通過計算簡圖，我們不僅要了解節(jié)點與管段( 點與線) 的相互關系，而且要 了解管段之間成環(huán)的個數(shù)和關系，這些環(huán)就是回路。 所謂回路就是指將邊的一部分，按一定的秩序排列，第一條邊的一端聯(lián)接第 二條邊的一端，這樣一條邊一條邊地連接起來，最后一條邊的另一端恰與第一條 邊的另一端銜接，這樣的一些邊的集合就組成一個回路( 環(huán)) 根據(jù)管網(wǎng)的復雜程度，通?？煞譃闃錉罹W(wǎng)和環(huán)狀網(wǎng)兩種主要形式。樹狀網(wǎng)為 “樹枝”圖形，是沒有環(huán)的管網(wǎng)。環(huán)狀網(wǎng)是由一個或一個以上的回路組成的圖形。 如圖2 1 所示。 ( a ) 樹狀網(wǎng) 圖2 1 樹狀網(wǎng)和環(huán)狀網(wǎng) ( b )環(huán)狀網(wǎng) ( a ) b r a n c hn e t w o r k( b ) l o o p e d n e t w o r k 鄭州大學t 學碩士學位論文 2 2 流體力學的基本定律晗 通常，冷卻液在管道內(nèi)的實際流動是在三維空間內(nèi)的流動，但是，模具冷卻 管道的管徑比較小，而且我們冷卻分析的主要目的是研究冷卻液的熱傳導行為， 沒有必要精確的研究它的三維流動情況，為此，采用工程實際中常用的簡化方法， 把冷卻管道內(nèi)冷卻液的流動簡化為軸向一維流動，即一元不可壓縮穩(wěn)態(tài)流動。這 樣，管道的流量計算帶來了方便。所謂一元流動是指流速、壓強和密度等物理量 只是一個空間坐標的函數(shù)，對于冷卻管道，這些參數(shù)只沿著管道長度方向變化， 其他方向無變化。 按照流體力學的有關理論，流體的運動首先要滿足連續(xù)性條件，即流體連續(xù) 地充滿所占據(jù)的空間，流動時不形成空隙，其次，流體的運動還必須滿足質量守 恒、動量守恒以及能量守恒三大定律。 1 、質量守恒定律 管道任一截面的質量流量為： g = p 一礦= p q ( 2 1 ) 其中：p 一流體密度，k g m 3 ； 爿一管道橫截面的面積，m 2 ： q 一流體體積流量，m 3 s ； y 一該截面上的流體平均流速，m s ； 對于管道中的穩(wěn)態(tài)流動，流過任意兩截面的質量流量g l 、g 2 應該滿足g 1 = g 2 ， 即 日q l = 島q 2 ( 2 2 ) 島、島分別為兩截面上的流體密度，對于不可壓縮流體，有： q l = 9 2 2 、能量守恒定律 流體的機械能有三種形式：動能、勢能、壓能。單位質量流體的機械能為 1 2 ( 2 3 ) 第二章管網(wǎng)分析基本理論 e = 夠+ 考+ 譬 。， 口 2 其中： e 一單位質量流體的機械能，j k g ； z 一流體的垂直高度，m ； g 一重力加速度，m s 2 ； p 一壓力，n m 2 ； 礦一流體的平均速度，m s ； 若設置為單位質量流體在l 截面的能量，毛為單位質量流體在2 截面的流量，乜 為外界加進的能量，e ，為摩擦消耗的能量，則有能量守恒方程： 巨十乜= 易十e r ( 2 5 ) 即 兩邊同除以g ，則有 g z i + 吾+ 譬+ 乜= g z 2 + 吾+ 譬+ 易 d上p王 五+ 毒+ 丟+ 爭= 乞+ 芻+ 善+ 等g pz ggg pz gg 令 g p：，益：，生： ，；貝| j ： 一= 等+ 警+ ( z l _ ， 對注塑模具冷卻管網(wǎng)： 巧= k ，z l = z 2 ，所以能量守恒方程變?yōu)?4 戶 a 。2 鄭州大學j 學碩士學位論文 3 、動量守恒 f ：p p ( 巧一_ ) 式中f 一作用在流體上外力的合力，n 。 2 3 管網(wǎng)計算的基本概念 2 3 1 冷卻液的流動狀態(tài)。2 _ 2 3 ( 2 6 ) 由于液體具有粘滯性，使液體在流動時具有不同的流態(tài)。冷卻液的流動狀態(tài) 指冷卻液在模具的冷卻管道中是以層流方式還是以紊流方式流動。 爭 弋孓式孓孓弋孓孓弋孓忑弋孓弋骶 4 廠、個 氣 j jj j ( a ) 層流( b ) 紊流 圖2 2 層流和紊流 f i g 2 2l a m i n a rf l o wa n dd i s o r d e r l yf l o w ( a ) l a i n i n a rf l o w( b ) d i s o r d e r l yf l o w 冷卻液若以層流方式( 圖2 2 ( a ) 所示) 運動，模具內(nèi)的熱量在冷卻孔的徑向只 能以熱傳導的方式進入冷卻液中，冷卻效率低。紊流則不同，因為冷卻液在孔徑方 向有質量交換( 圖2 2 ( b ) 所示) ，熱量可以熱傳導和對流的方式有效地從孔壁傳入 冷卻液中。冷卻液處于層流還是紊流，其冷卻效果相差1 0 2 0 倍。為提高冷卻系 統(tǒng)的效率，應確保模具冷卻管道中的冷卻液處于紊流狀態(tài)。1 8 8 3 年，英國物理學 家雷諾( r e y n o l d s ) 在實驗的基礎上給出了判斷流動形態(tài)的無量綱準則數(shù)一雷諾 數(shù)r e ，通常用雷諾數(shù)r e 來判斷冷卻液是處在層流狀態(tài)還是處在紊流狀態(tài)。r e 計 算公式為： r e ：型 “ 1 4 ( 2 7 ) 第二章管網(wǎng)分析基本理論 式中：p 冷卻液的密度，k g m 3 ； d 冷卻孔的直徑，m ： y 冷卻液的流速，m s ； 冷卻液的動力粘度，p a s ： 當r e 2 0 0 0 時為紊流。為使冷卻液處于紊流狀態(tài)，冷卻液的流速( 或流量) 應達到一定值。 但需要注意的是冷卻液變成紊流后，傳熱效果不因流速的增加而顯著增加，因此， 沒有必要過分增大冷卻液的流速麗浪費能源。 2 3 2 溫度對冷卻液流動狀態(tài)的影響 一般來言，降低冷卻液的溫度，可以增加模具傳向冷卻液的傳熱速率。但當冷 卻液溫度過低時，由于冷卻液的粘度增大使r e 減小而改變了冷卻液的流動狀態(tài)，反 而降低了傳熱效率。對最常用的冷卻液水來說，其粘度隨溫度的降低而迅速增 大，兩者之間的關系為： “： ! ：塑! 絲 ：p 洲( 2 8 )“= 2 7 ，口。sl z 一百， 1 + 0 0 3 3 7 ，+ 0 o 0 0 2 2 l r 其中f 為冷卻液的攝氏溫度。 當冷卻液溫度從4 0 降為l0 時，粘度由6 6 3 1 0 1 尸d s 增大為1 3 2 1 0 4 p 口5 ，增加了一倍。因此當冷卻液的溫度由4o 降為1o 時，為維持相同 的流動狀態(tài)，必須將冷卻液的流速相應提高l 倍。 因此實際生產(chǎn)中，在冷卻液流速一定的情況下，應合理選擇其溫度，確保冷卻 液處于紊流狀態(tài)。 2 3 3 管網(wǎng)中的水頭損失 1 、水頭損失。 液體沿管路運動時，一方面由于液體粘滯性在直管內(nèi)所產(chǎn)生的摩擦力將 阻止液體作相對運動：另一方面，在管路中總是有閘門、彎頭等各種不同類 型的局部裝置，這些不同的邊界條件將對液體運動產(chǎn)生一定的影響，甚至形 鄭州大學工學碩士學位論文 成旋渦區(qū)，造成對液體運動的額外阻力。液體運動必須克服阻力作功而消耗 部分機械能，被消耗的機械能轉化為熱能而散失掉。單位重量液體所損失的 機械能稱為水頭損失。 2 、沿程阻力及沿程水頭損失。 沿程阻力是指液流沿著全部流程上的直管段所產(chǎn)生的摩擦力，為了克服 沿程阻力而引起的水頭損失稱為沿程水頭損失，沿程水頭損失用矗，表示沿程 水頭損失公式如下： ，f 礦2 n o l 一 d2 9 ( 2 9 ) 其中： g 重力加速度，m s 2 ： 卜一冷卻液孔長度， m ； d 冷卻管道直徑，m ； 礦冷卻液流速，m s ； 丑沿程阻力系數(shù) 3 、局部阻力及局部水頭損失。 流體的局部邊界急劇變化，從而引起液流的顯著變形并伴隨有旋渦形成， 它所產(chǎn)生的額外阻力稱為局部阻力。管道進口，變徑管和閥門等處，都會產(chǎn) 生局部阻力?？朔植孔枇λ鸬乃^損失稱為局部水頭損失。局部水頭 損失用丸表示。和沿程水頭損失相似，局部水頭損失一般也用流速水頭的倍 數(shù)來表示。局部水頭損失的通用計算式為： w 善 ( 2 1 0 ) 亭稱為局部阻力系數(shù)；y 冷卻液流速。管道上總的水力損失可表示為： 。= r + q ( 2 一1 1 ) 局部損失和沿程水頭損失相比很小，故在管網(wǎng)計算時一般略去不計。 1 6 第二章管網(wǎng)分析基本理論 2 3 4 阻力系數(shù)的計算 冷卻液在冷卻管道中流動時，其阻力系數(shù)a 的計算根據(jù)流動形態(tài)的不同采用不 同的計算公式。首先應區(qū)別流動狀態(tài)是層流還是紊流，而在紊流狀態(tài)下，按照流 動情況的不同，還要區(qū)別管道是水力光滑管還是水力粗糙管。由邊界層理論可知， 因為冷卻液具有粘性，在靠近管壁處存在粘性底層，當管道的粗糙度小于粘性底 層時，冷卻液的流動狀態(tài)不受管道粗糙度的影響，此流動狀態(tài)下的管道稱為水力 光滑管；當管道的粗糙度大于粘性底層時，管壁的粗糙突起部分暴露在主流區(qū)域， 造成旋渦并增大能量損失，此時管壁粗糙度對流動狀態(tài)產(chǎn)生影響，該流動狀態(tài)下 的管道成為水力粗糙管。 其中沿程阻力系數(shù)與雷諾數(shù)( r e ：! = 氅，盧為冷卻液粘度) 有關，阻 a 王n j 力系數(shù)的計算公式分別為： f 6 4 r e( r e 2 0 0 0 ) 且= o o o 0 0 1 6 ( 4 0 0 0 r e ) + o o o o o l 9 8 9 ( r e 一2 0 0 0 ) ( 2 0 0 0 r e 4 0 0 0 ) o 3 1 6 4 r e o 2 5 ( 4 0 0 0 r e ) 2 4 本章小結 本章作為整個管網(wǎng)分析計算的基礎，首先介紹了管網(wǎng)簡圖的基本概念， 接著對管網(wǎng)計算中涉及到的流體力學的一些基礎理論進行了講解。最后，本 章重點論述了管網(wǎng)計算中的基本概念，目的是對整個管網(wǎng)計算建立一個清晰 的物理背景。 1 7 第三章管網(wǎng)水力計算 第三章管網(wǎng)水力計算 3 1 管網(wǎng)計算的基本方程咱4 管網(wǎng)水力計算的主要任務是，在管徑等相關參數(shù)已定的基礎上， 的實際流量。整個分析計算建立在以下方程上： 1 、d a r c y w e i s b a c h 方程( 沿程壓頭損失公式) ，：生：五蘭蘭 。p g d j 2 9 流體的體積流量為q = 竿，代入上式得 求出各管段 ( 3 1 ) 肇= 五籌9 2萬一上j 記 = 等氕1u 1 則： 印= 棚2 ( 3 2 ) 式中： 缸為壓頭損失( 沿程摩擦阻力損失) ：印為管道兩端的壓差；p 為液體的密度；占 為重力加速度；為管道長度；口為管道直徑；礦為液體流速：丑為沿程阻力系數(shù)。 卸= 9 2 建立了管道兩邊壓力差和管道中體積流量的關系。 2 、節(jié)點方程 對管網(wǎng)中任意一點而言，流進的流量與流出的流量的代數(shù)和為零，即 島= 呸 ( 3 3 ) 式中：f ，_ ，為節(jié)點編號； q 與f 節(jié)點相連管道的流量，m 3 s ： 鄭州大學工學碩士學位論文 g ，外界供給f 節(jié)點的流量，m 1 s 管段流量q ，的符號可任意假定。 對于有n 個節(jié)點m 條管道的管網(wǎng)，共有n 1 個獨立的流量方程，即f = l ，2 ， n 一1 。寫成矩陣形式為： q = ( 3 4 ) 式中： 【b 卜一( 一1 ) m 的基本關聯(lián)矩陣； q m 1 的列陣； g ( 一1 ) 1 的列陣； 3 、回路方程 一個回路內(nèi)凈壓頭損失的代數(shù)和為零，即 = o ( _ ，= 1 ，2 ，上) 式中 _ ，回路中f 管道的壓頭損失