热冲压成形模具冷却水流动数值模拟

2012-10-21徐虹,赵海明,谷诤巍等

锻造与冲压 2012年20期

热冲压成形技术是一项专门用于成形高强度钢板冲压件的新技术，热冲压成形技术在成形的同时实现对板料快速冷却，以此获得具有高强度的冲压件，高温下成形几乎没有回弹，成形精度高、成形性能良好。因此引起业界的普遍关注并迅速成为汽车制造领域的热门技术。

热冲压成形过程中，模具的冷却效果（冷却速度和均匀性）决定板料的成形质量，而冷却效果的好坏则取决于冷却水的流动。因此，研究热冲压成形模具冷却水的流动对冷却效果的影响，已经成为热冲压模具设计的重要内容，其中，冷却水流动的数值模拟是目前研究冷却速度、均匀性和优化冷却系统的重要方法之一。本文以热冲压模具冷却系统为研究对象，采用数值模拟方法，考察冷却管道形状、数量和管道直径等因素对水流速度的影响，得到冷却水流速的影响规律。

流体动力学原理

根据是否考虑流体的粘性，把流体分为理想流体与实际流体两类。在理论研究的初期，学者们通常将流体看做没有粘性，而进行流体运动仿真时通常需要考虑流体的粘性，即当成实际流体处理，这样的模拟结果更贴近实际。

流体迭代求解的基本过程是在空间上用有限体积法或类似方法将计算区域离散成许多小的体积单元，在每个体积单元上对离散后的控制方程进行求解。SIMPLE算法基于交错网格，是一种主要用于求解不可压缩流场的数值方法，核心是采用“猜测─修正”的过程，在交错网格的基础上来计算压力场，从而达到求解动量方程的目的。

工件降低温度所释放比焓正比于冷却水进出口比焓差，随着冷却水流速的增大，冷却水带走热量增多，工件冷却效果好，因此可以从冷却水的流动来考察板料的成形效果。本次模拟仅考虑热成形淬火阶段冷却水路流动。

数值模拟

图1 冷却水路三维模型

模型建立

如图1所示，为热冲压模具冷却水路三维模型。图2为入水截面，其中A，A'，B，B'管道直径为D，C，C'管道直径为D'，管道间距G＝D/2+5mm，初始入水口与管道中心距离为H，入水口D0取20mm。

边界条件

选择FLUENT5/6作为进行CFD计算的求解器。利用GAMBIT自带的三维建模功能建立模型，采用四面体六面体混合网格划分法，定义进出水口分别为速度入口边界、出口流动边界，外表壁面为wall，输入mesh文件。导入FLUENT计算迭代，采用SIMPLE算法，湍流模型，流体设置液态水。

图2 入水截面

模拟结果

不同形状管道水流流动情况

首先考察图1冷却水路三维模型所示的直管道和带多处弯角的U形管道两种形状管道水流流动情况。初始工艺条件设定入口水速10m/s，管道直径8mm，管长250mm。

图3 直管道与U形管道水流速度变化示意图

图3所示为直管道与U形管道水流速度变化示意图，图3a显示直管道出、入口水流速度下降，速度差为1.0m/s；图3b显示U形管道中水流经过各弯角处速度值逐渐下降，出、入口水流速度差为2.1m/s。这是因为U形管中每一次弯角都对水头有一个冲击阻力，局部回流冲击紊乱，水流质量差，极大损失了流水速度。而直管道能量消耗小，水路流通速度比U形管好，故尽量减少U形管道的使用。

管道数量对水流流速的影响

图4 不同管道数量下水流水速分布云图

在初始入水速度10m/s，管道直径8mm，管道长度500mm情况下，考察管道数量N分别为6、8、10时的冷却水流动情况。如图4所示，为不同管道数量下水流水速分布云图。由图4a、b、c均可见中间管道流速较大，由中间到两侧管道流速逐渐变小。当N取10时，中间和外侧管道流速差值可达1.42m/s。由以上模拟结果可知：中间管道流动好，而随着管道数量的增多，模具尺寸的增大，由中间到外侧水流速度越来越低，冷却效果不均匀。