数值模拟技术在冰箱模具设计中的应用

王罗海 滁州市锴模装备模具制造有限公司 张春雨 李忠芳 于敏 安徽科技学院

伴随着计算机技术的迅速发展和有限元法的不断完善，许多通用的板料成形专用分析软件已经进入了实用阶段。板材成形数值模拟技术已在板材成形领域得到广泛的应用。板材成形理论与材料力学、计算数学、计算力学、冲压工艺、计算机科学等学科的交叉，产生了板材成形数值模拟技术。运用此技术，可对汽车覆盖件的成型过程进行定量分析和计算机数值模拟，预测模具设计中可能存在的缺陷，减少模具试验次数，提高模具研发效率，降低成本，提高产品质量，增强企业的市场竞争力。

一、数值模拟技术概述

数值仿真又称计算机模拟，借助于计算机，联合有限体积法及有限元法，经过图像及数值计算，可以对工程问题、物理问题甚至自然界中的各种问题进行研究。具体的计算是在计算机上进行的，和物理实验非常相似。此时，分析家们纷纷跳出数学方程式的圈子，对发生的物理现象进行研究，就像做物理实验一样。事实上，数值模拟应被理解为使用计算机进行试验。比如，可以计算一个特定翼面周围的流场并在屏幕上显示出来，能够清楚了解各项细节，激波的位置，强度，分离，面压分布，力的大小跟着时间的变化而发生变化。这种方式能够清楚了解到激波运动，涡流的产生和传播。结果表明，数值模拟能够逼真地还原流动情景，与实验结果基本一致[1]。

二、数值模拟技术的注意事项及工作原理

冰箱模具在设计制造过程中，有几个方面值得我们注意，这与产品的质量和性能有直接关系。在模具设计中应用数值模拟技术也必须注意这些基本要求。一是冰箱门，冰箱门内胆四周采用铰链式外翻结构，中间凸出部分采用筒体缩回抽芯机构；模具的加热、冷却应采用水循环方式进行加热、冷却；为保证模具加热、冷却温度均匀，模具内部水道系统布置均匀，避免因温度不均而造成局部应力集中，影响产品质量。数值仿真必须保证模具的加热、冷却和气动系统不会发生泄漏。此外，在数值模拟时，模具相关部位应设置密封圈，密封材料应采用硅橡胶或硅海绵；冰箱模具的底座和上压框应设计成焊接件，底座内部要密封，上压框应安装辅助压模，以便形成门密封槽。因此，将数值模拟技术应用到建模中，必须保证整个冰箱结构的标准化，冰箱内外及材料的选择都要进行详细的数值采集[2]。

在冰箱模具设计过程中，数据仿真技术首先要利用建模软件建立能够反映设计本质的数学模型。具体来说，需要建立反映冰箱各部件数量的微分方程及相应的定解条件。这一步是冰箱建模的起点。如果没有精确、完善的数学模型，冰箱的数值模拟技术就不会有太大的优势，在对冰箱进行了数学建模之后，下一步要解决的问题是如何在此基础上找到一种更高效、更准确的数据计算方法[3]。许多数值方法是经过长期努力而发展起来的。它们不仅包括微分方程的离散化和解法，而且还包括实体坐标系统的建立以及边界条件处理。在确定了计算冰箱总数据的方法和坐标之后，就可以开始计算冰箱的电量了。在整个计算完成之后，大量的数据只能通过图像来显示，所以数值显示在图像中也是一项很重要的工作。

三、数值模拟技术的步骤

建立数学模型反映问题的本质。建立微分方程与定解的具体对应条件是必要的。它是数值计算的起点。如果数学模型不正确和完善，数值模拟就不可能实现。著名的N-Stokes方程和相应的定解条件为牛顿流体流动数学模型。在建立数学模型之后，要解决的问题是如何找到一种有效而精确的计算方法，因为人们的努力，发明了许多数值方法。它不仅包括微分方程的离散化和解的问题，而且包括实体坐标系统的建立和边界条件处理问题，这类以往人们所忽视或回避的问题，越来越引起人们的关注。计算方法和坐标系确定之后，就可以开始编程计算，实际操作中，这部分工作是整个工作的主体，占据了大部分时间。因为方程是一类非常复杂的非线性方程，其数值解方法在理论上尚不完善，因此需要进行实验验证。在这种意义下，数值模拟又被称为数值试验。现在，人们已经能像照相一样照出真实的照片，用录像机或投影仪可以显示动态过程，模拟的程度更高，更真实[4]。

四、数值模拟技术在冰箱模具中的应用

采用数值模拟技术，可利用计算机智能技术对冰箱模具结构进行仿真，流动冷却和材料形成都有物理过程。它广泛应用于冷空气动力学仿真，制冷机设计，水箱运行调节等领域。本文首先采用标准湍流模型和近流线数值模拟方法，通过对冷藏箱的作用、运转及制冷功率的数值研究，了解冰箱制冷系统的循环及其对模拟数据的影响；这在很大程度上避免了制冷系统不协调和不必要的损失。然后，通过模具试验，利用数值模拟的方法，对冰箱模具的高、长、宽进行了数值比较，得出冰箱在一定范围内的实际数据，并根据实际数据计算出整个模具和外模的设计格式。该系统可对冰箱的外部设计和内部系统进行精确地计算。

五、总结

数值仿真技术经过长期的发展，能够完成更为复杂的建模任务。通过对冷藏器模具进行数值模拟，可以使模具的数值计算更加精确。提升生产率，确保产品品质。采用数值仿真技术，不仅可以降低模具开发成本，而且可以大大缩短模具开发周期。在计算机技术和有限元理论不断发展的今天，数值模拟技术可以更快、更真实地反映冲压工艺过程中的各种问题，对生产实践具有指导意义。