发泡模具清扫回收系统ANSYS分析

杨　鹏, 钟　飞

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)



发泡模具清扫回收系统ANSYS分析

杨鹏, 钟飞

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)

[摘要]针对一种汽车座椅发泡模具内腔的残渣清扫工作，利用ANSYS流体力学有限元分析软件进行建模分析。通过设定的不同参数之间的对比，确定进风口与出风口之间的距离、进风口与出风口的角度以及风口与传送带上模具的距离，使模具达到最佳清扫效果。

[关键词]ANSYS; 流体分析; 模具清扫系统

泡沫塑料也叫多孔塑料，以树脂为主要原料制成，其内部具有无数微孔，质轻，绝热，吸音，防震，耐腐蚀，常用于制作汽车座垫、沙发床垫等[1-2]。本文以某公司汽车座椅用合绵生产流水线上的成型模具为对象，运用流体力学(CFD)对生产过程中的模具腔内部的残渣清扫效果进行建模仿真分析[3-5]，以提高模具制造产品的质量，节约成本。由于没有添加任何清洗剂，清扫不会对模具产生化学损伤；风力清扫不受模具外型的限制，能得到很好的清扫效果[6]。

1清扫系统仿真建模

1.1发泡模具清扫回收系统的结构

发泡模具清扫回收系统由风机、进出风管道、进口残渣过滤装置、风机支座、进风口、出风口、进出风口外部罩子等组成(图1)。

1-出风口；2-外壳；3-进风口；4-进风管道；5-出风管道；6-过滤管道；7-风机图 1　发泡模具清扫回收系统简图

1.2问题描述

对不同风力的入射角度C，不同进出风口的距离L1以及距离下方模具不同的高度H，运用ANSYS里面的CFD模块进行分析，会得到不同的解。本文从中得到比较优化的解，使得模具达到最佳清扫效果。

图 2　参数图

1.3数学模型

残渣气流在进气口内流动，并从进风管道进入残渣过滤装置。其数学模型如下。

1)连续性方程[7-9]

式中：ρ为流体密度；v为流体速度矢量。

2)动量方程

校正压力

式中：p为静压力；ξ为体积粘性系统。

有效粘度系数μeff的定义为:

μeff=μ+μT

1.4仿真简化模型

ANSYS流体分析时，只能对只有一个进口和一个出口的模型进行分析。而防护罩下端与模具之间有间隙，为开放空间，ANSYS无法分析。在设计的时候，使防护罩下端与模具之间的间隙足够小，就可以将模型简化为只有一个进口和一个出口，其他均为壁面，从而为ANSYS分析提供了可能。

图 3　简化后的模型

1.5边界条件

发泡模具清扫回收装置中的风机为德通9-19-5A/7.5kW离心风机。其具体参数为：转速，2 900r/min；流量，1 610~2 644m3/h；全压，5 517~5 697Pa；功率，7.5kW；电压，380V。风机的左侧圆形口为进风口，其尺寸为Φ224mm；右上方方形出口为出风口，其尺寸为160mm×115mm。由于在管道中有能量损失，将出口压力定为5 000Pa，进口压力定为-4 800Pa，壁面为0。

2不同参数条件下ANSYS流体分析

2.1不同参数条件下ANSYS流体分析的结果

2.1.1不同高度H条件下模型分析[10-11]

1)C=45°，L1=50 cm，H=45 cm时，ANSYS流体分析结果见图4-图6。

图 4　矢量方程显示的速度分布

图 5　流体指定点的运动轨迹动画

图 6　 绘制模具上表面的流速分布

2)C=45°，L1=50 cm，H=35 cm时，ANSYS流体分析见图7-图9。

图 7　矢量方程显示的速度分布

图 8　流体指定点的运动轨迹动画

图 9　绘制模具上表面的流速分布

3)C=45°，L1=50 cm，H=30 cm时，ANSYS流体分析见图10-图12。

图 10　矢量方程显示的速度分布

图 11　流体指定点的运动轨迹动画

图 12　绘制模具上表面的流速分布

2.1.2不同距离L1条件下模型分析

1)C=45°，L1=55 cm，H=40 cm 时，ANSYS流体分析见图13-图15 。

图13　矢量方程显示的速度分布

图14　流体指定点的运动轨迹动画

图15　绘制模具上表面的流速分布

2)C=45°，L1=60 cm，H=40 cm时，ANSYS流体分析见图16-图18 。

图16　矢量方程显示的速度分布

图17　流体指定点的运动轨迹动画

图18　 绘制模具上表面的流速分布

(3)C=45°，L1=65 cm，H=40 cm时，ANSYS流体分析见图19-图21 。

图19　 矢量方程显示的速度分布

图20　流体指定点的运动轨迹动画

图21　绘制模具上表面的流速分布

2.1.3不同角度C条件下模型分析

1)C=45°，L1=50 cm，H=40 cm时，ANSYS流体分析见图22-图24 。

图22　矢量方程显示的速度分布

图23　流体指定点的运动轨迹动画

图24　绘制模具上表面的流速分布

2)C=40°，L1=50 cm，H=40 cm时，ANSYS流体分析见图25-图27 。

图25　矢量方程显示的速度分布

图26　流体指定点的运动轨迹动画

图27　绘制模具上表面的流速分布

3)C=55°，L1=50 cm，H=40 cm时，ANSYS流体分析见图28-图30 。

图28　矢量方程显示的速度分布

图29　流体指定点的运动轨迹动画

图30　绘制模具上表面的流速分布

2.2不同参数条件下ANSYS流体分析的结果比较

发泡模具清理回收系统生产现场二次清理时模具表面的残渣质量平均约为20 g。经查阅相关资料，将20 g的残渣吹起的风速约为8 m/s，因此速度分布图上8 m/s及以上的速度所处的范围，是评价清理效果好坏的一个重要标准。由于每组数据中存在的涡流场范围大小不同，导致在防护罩内残渣数量也会有不同，因此，涡流场的大小是评判清理效果的一个标准。

为了将上述参数进行综合比较，笔者建立表格来分析最优解。

2.2.1高度H的大小对清理效果影响

表1　不同高度条件下的仿真数据

由表1可知，高度越高，模具上表面的速度越小，这与实际情况相吻合。考虑到实际情况以及速度矢量图的效果，当H=35 cm时，清理效果最好。

距离L1的大小对清理效果影响的分析。

表2　不同距离条件下的仿真数据

由表2可知，进出风口的距离对清理效果影响较大。当L1较大时，清理系统内部左侧的涡流场也较大，但L1越大，大于8 m/s的速度范围也就越大。综合以上两点考虑，选择L1=60 cm。

2.2.2角度C的大小对清理效果影响

表3　不同角度条件下的仿真数据

由表3可知，随着角度C 增加，其大于8 m/s的速度的范围逐渐增加，由不同角度条件下的速度矢量图分析，选择C=55°。

3ANSYS分析比较结论

通过ANSYS分析，得知当进出口距离L1为60 cm，进风口和出风口的角度C为55°，距离模具的高度H为35 cm时，模具上表面速度大于8 m/s的区域为40左右，此时的清理效果最好。

4结束语

利用ANSYS流体力学有限元分析软件，通过设定不同参数之间的对比，确定了进风口与出风口之间的距离、进风口与出风口的角度以及风口与传送带上模具的的距离，使模具达到最佳清扫效果。 ANSYS流体分析在本设计的应用，大大缩减了设计时间，节约了生产成本，也提高了产品的清理效果。

[参考文献]

[1]杨忠敏. 聚氨酯软泡产业的发展前景乐观 [J] .聚氨酯, 2013(09):38-43.

[2]陆刚. 探究神奇的车用聚氨酯材料[J] .聚氨酯, 2013(05):54-59.

[3]王福军.计算流体动力学分析----CFD 软件原理与应用 [ M] .北京: 清华大学出版社, 2007.

[4]王瑞金,张凯. Fluent 技术基础与应用实例[M] . 北京: 清华大学出版社, 2007.

[5]朱自强.应用计算流体力学[ M] . 北京: 北京航空航天大学出版社, 1998.

[6]彭永红.浅析橡胶硫化模具的化学清洗[J].橡塑技术与装备,2002(28):21-25.

[7]归柯庭，汪军，王秋颖．工程流体力学[M]．北京：科学出版社，2003．

[8]张洪才，孙长青.ANSYS14.0理论解析与工程运用实例 [M] .北京: 机械工业出版社, 2013.

[9]许洋，党沙沙，胡仁喜．ANSYS11.0/FLOTRAN流场分析实例指导教程 [M]．北京：机械工业出版社，2009．

[10] 庄礼贤,尹协远. 流体力学[M] .合肥: 中国科学技术大学出版社, 1997.

[11] 韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2004.

[责任编校： 张众]

ANSYS Analysis of Foam Mold Cleaning and Recovery System

YANG Peng, ZHONG Fei

(SchoolofMechanicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：In order to clean the car seat foaming mould cavity residue, the present study used ANSYS fluid dynamics software for the modeling and analysis. By comparing different parameter settings, it determined the distance between the inlet and the outlet, the inlet and outlet of the angle and distance of the outlet and the conveyor belt of the mold, making mold to achieve the best cleaning results. The results shows that the system has high utility in the secondary cleaning of the foam mold.

Keywords：ANSYS ;fluid analysis; mold cleaning device

[中图分类号]TG76

[文献标识码]：A

[文章编号]1003-4684(2016)01-0029-05

[作者简介]杨鹏(1988-)， 男， 湖北天门人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为自动控制及机械

[收稿日期]2015-10-26