摘要
基于CFD数值模拟软件Solid works Flow Simulation，采用流固耦合传热分析方法对吹塑浮子模具冷却水路进行数值模拟，解决了模具冷却系统结构设计问题。结合响应面优化方法，分析了冷却水入口温度、冷却水入口速度、水路直径3个参数对浮子温度的影响规律，以浮子脱模时的温度最小为目标，得到最佳的冷却系统参数组合。结果表明：当冷却水入口温度为13 ℃，冷却水入口速度为2 m/s，水路直径为0.012 m时，浮子脱模时的最大温度为41.19 ℃，较原始方案温度降低30.6%，内表面最大温度为37.12 ℃，较原始方案降低28.9%。经生产验证，使用该冷却系统参数可以提高生产效率，缩短产品成型周期与模具开发周期。
关键词：flow simulation；流固耦合；响应面；冷却系统；吹塑
挤出吹塑成型是利用压缩空气将型坯吹胀，使型坯紧贴模具型腔表面，冷却后成型出所需产品的一种加工方法[1]，其成型过程主要分为：型坯挤出，合模，吹胀，排气冷却，取件。按照成型制品的厚度及大小不同，冷却时间占整个成型周期的60%～90%[2-4]，冷却系统设计合理可以缩短成型周期，提高生产效率，降低生产成本[5-6]。
模具冷却涉及传热和流体流动，在实际生产过程中，主要根据经验来确定水路直径，通过试错法来调整冷却水温度与流速，很难一次性确定最优的冷却方案，盲目性较大，增加了模具的设计时间，提高了生产成本。通过计算流体动力学[7]（CFD）分析，可快速、精确的分析出温度场、速度场分布。很多学者在模具冷却方面进行了很多研究，尹沾松等[8]通过Polyflow分析了传热系数，初始温度和壁厚对制件温度的影响。陈开源[9]对注塑模冷却水路的分布对电器外壳产品平均温度分布和翘曲变形量的影响。吕志杰等[10]对注塑模冷却系统研究发现冷却水路与型腔表面的距离对冷却时间和模壁的影响最大。宿永起[11]利用Flow Simulation研究了在不同因素影响下模具冷却系统对物料桶的冷却效果。
文章以吹塑浮子模具为研究对象，以提高冷却效率为目的，利用Solidworks中的流体仿真模块Flow Simulation对浮子模具冷却系统进行冷却分析，结合响应面方法对冷却系统参数进行优化设计，得到最佳的冷却参数组合，最后对模拟结果进行试验验证，确定了模拟方案的可行性，提高了生产效果。
文章研究的浮子模型如图1所示。该产品高度为130.8 mm，大端直径为66 mm，小端直径为22 mm。根据制品在吹塑成型过程中型坯吹胀比[3]的不同，小径端的壁厚稍大于大径端。材料为LDPE9212，主要性能参数如表1所示。
冷却水路的分布形式会显著影响制件的温度分布[12-13]，水路的设计重点是保证制件冷却均匀、尺寸稳定、收缩变形小[14-15]。冷却水路与制件型腔壁的距离L为水路直径D的2.5～3倍，水管间距S为水路直径D的3～5倍[16]，如图2所示。根据浮子结构设计冷却水路，采用2进2出的水路设计方案，D=0.01 m，S=0.06 m，L=0.03 m，冷却水路如图3所示。
将模型导入到Solidworks Flow Simulation模块中，设置分析类型为内部流体流动，瞬态分析时间11 s，模具温度20 ℃，冷却水入口温度14 ℃，冷却水入口速度1 m/s。
对浮子施加的体积热源，通过式（1）计算。
式中：Q为体积热源，W·s；c为材料比热，W·s/(kg·℃)；m为产品质量，kg；ΔT为温度差，℃。