温度ansys分析

4 汽车内饰压制成型模具温度场模拟与分析

温度在汽车内饰压制成型过程中是一个极其重要的参数，无论是模压料的充模流动阶段还是固化阶段，都是在一定的温度下进行的；如果在充模阶段温度控制的不当将直接影响制品的表面质量和力学性能，具体的说，若模具温度过低则会导致模压料流动性降低，难以充满模腔，若模具温度过高则会引起模压料在模具内未完全成型前就开始固化，并且有可能使制品表面的树脂发生分解，同样得不到合格的汽车内饰制品；另一个重要方面就是在压制的过程中要尽量保持模具温度的均匀分布，如果温度分布不均匀就会导致模压料局部提前固化，还会使制品固化度不均匀甚至发生局部树脂分解，同时也会使得制品脱模后产生较大的翘曲变形。因此有必要对模具的加热过程及其温度场进行模拟，根据分析结果对模具的加热设计进行优化。

在世界计算机辅助工程领域中有许多CAE软件都具有热分析的功能，我们以目前使用最为广泛的大型通用有限元软件ANSYS来分析汽车顶篷内饰压制成型模具的加热过程及其温度场分布。

4．1 ANSYS有限元分析软件

4．1．1 ANSYS简介

ANSYS是一种应用广泛的大型通用有限元软件，具有完备的预处理器和后处理器(又称前处理模块和后处理模块)。目前已广泛应用于核工业、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防、军工、电子、土木工程、造船、轻工、日用家电等工业及科学研究中.

ANSYS软件含有多种分析能力。包括简单线性静态分析和复杂非线性动态分析。可用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。它包含了前处理器、求解器及后处理器和优化等模块，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相组合，已成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具。

4．1．2 ANSYS热分析模块

ANSYS在处理热分析问题方面具有强大的功能，其不但具有快速的网格划分能力和强大的结果后处理功能，而且还具有非常友好的人机交互界面。在ANSYS 软件中有五个模块可以进行热分析，如图4．1所示，包括：ANSYS／Multiphysics、ANSYS／Mechanical、ANSYS／Thermal、ANSYS／Flotran和ANSYS／ED。

ANSYS提供两类热分析类型，即稳态热分析和瞬态热分析。

稳态传热，即系统的温度场不随时间变化。如果系统的净热流率为0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：qax+q生成一q漉出=o，则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为

图4.1 ANSYS的五个热分析模块

[K]{T}={Q}

式中 [K]----传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；{T}---节点温度向量；

{Q}----节点热流率向量，包含热生成；

ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成[K]{T}以及{Q} 瞬态传热，即系统的温度场随时间明显变化。瞬态传热过程是指一个系统的加热或

冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明

显变化。根据能量守恒原理，瞬态分析的热平衡方程可以表达为(以矩阵形式表示)：

[C]{

.

T}+[K]{T}={Q}

式中

[K]----传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；{T}---节点温度向量；

[C]---—比热矩阵，考虑系统内能的增加；

{Q}----节点热流率向量，包含热生成；

{

.

T}--、温度对时间的导数；

根据以上对ANSYS中两类热分析类型的说明可以看出，汽车内饰件压制成型的模

具加热过程属于瞬态传热问题，即模具的温度场随着时间的变化而变化。

4．1．3 ANSYS瞬态热分析的操作步骤

瞬态热分析同结构分析等其他类型的分析一样，可以分为三个步骤：建模、加载求解和后处理。由于本文分析的汽车顶篷内饰压制模具有不规则曲面，因此

选择在三维设计软件Pro ／E 建立顶篷的实体模型，并利用Pro ／E 的模具模块得到汽车顶篷内饰的压制成型模具；其他操作均在ANSYS ／Multiphysics 中进行。

4．2汽车内饰压制成型模具加热过程温度场模拟

以某型号汽车顶篷内饰成型为例，对顶篷内饰压制成型模具的加热过程进行瞬态模拟，获得模具在加热到一定时间后的模具温度场分布及模具达到理论控制温度时的温度场分布。由于片状模塑料的配方较多，且不同配方的模压料在压制成型汽车内饰件时所需的成型温度有较大差异，因此在这里设定顶篷内饰件压制成型模具的理论控制温度为180～200℃，以此来探讨采用不同配方模压料成型的同种内饰件或成型不同内饰件时，压制成型模具加热过程温度场的模拟。

4．2．1模具加热过程中的热传递方式

根据传热学的基本知识可知，汽车顶篷内饰压制成型模具在加热过程有三种热传递方式：热传导、热对流和热辐射[33,38]。

热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律：

dx

dT k q n -= 式中 n q -----热流密度，2/m W

k ——导热系数，W ／(m ·K)；

“一"——表示热量流向温度降低的方向。

热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述：

n q =h(T T B s -)

式中，

h----对流换热系数(也称膜传热系数、给热系数、膜系数等)；

T s ----固体表面的温度；

T B

--周围流体的温度。 热辐射指物体由于具有温度而辐射电磁波，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最高。

本文在用ANSYS 模拟汽车顶篷模具加热过程时，只考虑热传导和热对流两种热传递方式.

4,2．2实体模型创建及载荷加载

温度对汽车内饰件压制成型过程的影响是显著的，模具的温度场均匀程度是影响内饰件质量的关键因素。在汽车顶蓬内饰件的压制成型工艺中，加热的热源分布在凹、凸模具的内部，热源由一系列加热元件组成。加热元件产生的热量通过厚度变化的凹、凸模传递到模具表面，进而将热量传递给模压料，闭台模具后实现顶蓬内饰件的压制成型。生产中通常采用的加热方法是使用电加热元件对模具进行加热，因此加热元件的分布和加热时问是影响加热效果的重要因素。模具

的加热过程通过加热时间和安装在模具内表面的温度传感器来控制，而晟佳加热时间及温度传感器的设定值，则是通过反复的生产试验并测量模具成型面的温度来确定。

由于凹、凸模的加热结构相同，本文仅以凸模为例，分析其加热过程的温度场分布。采用相同的方法可以对凹模进行分析。

如图4．2所示是凸模的模型．为了使模型可以在ANSYS中划分出较高质量的网格，在建立模型时简化掉了模具筋板上的加热元件安装孔、模具的定位装置及其两侧的吊耳等。

图 4.2 凸模结构

由于摸具结构比较复杂，在ANSYS软件中建模不方便，因此利用PRO／ENGINEER参数化设计软件的模具模块进行建模，利用模具造型技术将模型分模成凹、凸模：然后利用ANSYS／Multiphysics中的ANSYSConnectionForPro／ENGINEER模块实现与Pro／E的挂接，这样当在Pro／E中建好模型后就可以通过菜单里的“ANSYSGEOM”直接启动ANSYS，并打开已建好的模型，避免了通过IGS格式导入ANSYS后出现的“破面”、“曲面变形”等．省去了需要反复调整横型的麻烦。导入模型后设定模具的材料属性，同时对其进行网格划分和加载。图4．3是在ANSYS中进行网格划分后的凸模。

图4.3 凸模网格划分

模具的导热系数为46W／(m K)，比热容为465J／(kg-K)，单元类型为三维四面体实体单元——sOuD87，对流系数为25W／(m—K)，设定载荷步的总循环时间为3000s，时间步长为10s，最小时间步长为5s，虽太时间步长为60s，打开自动时间步长，载荷步设为Stepped进行温度场求解；设置参数如图4．4所示：

图4.4 载荷步设置

4．2．3温度场求解及结果分析

根据在生产现场的观察、分析与研究，我们发现：由于加热元件产生的热量要经过厚度变化的模具传递到顶莲内饰什，模具成型面的温度分布受加热元件功率、模具壁的厚度和形状的影响，变得不均匀．从而导致顶蓬内饰件受热不均，局部出现烤焦现象。如图4．6所示，是汽车顶篷内饰压制成型模具凸模加热过程的温度场分布。

通过求解，我们可以发现，加热时间分别在20分钟和30分钟时模具成型面的温度均这不到顶篷内饰件成型所要求的理论控制温度(180～200"C)，如图4．6(a)、(b)所示。而在加热过程进行到40分钟时，模具成型面的温度基本达到理论控制温度(180---200℃)，图4 6(c)是其内表面和成型面的温度场分布情况。

A t=20min时内表面及成型面温度场分布

A t=20min时内表面及成型面温度场分布

A t=20min时内表面及成型面温度场分布

图4 6模具加热过程求解结果

如图4．6(c)所示，虽然凸模在加热40分钟时，其成型面温度基本达到顶篷内饰件成型工艺的要求，但是凸模局部的成型面最高温度达到了220℃(图4．6(c)的圈中部分)，即超出了理论控制温度上限近20℃，这在生产过程中是不允许的。因此，在实际的生产过程中很有可能造成顶篷内饰件局部树脂分解，出现局部烤焦的缺陷，从而影响制品的表面质量和力学性能。

此外根据对凸模温度场的模拟结果的进一步观察和分析可知：凸模内表面各区域内的温度基本上都以中心点为球心，呈球状向外逐渐下降分布，各区域内中心点附近的温度最高。从图4．6中还可以看出，制品边缘的温度上升速度较快，其中中一区的温度上升速度最快。这主要是由于各个区域由于壁厚不同从而温度上升的快慢也不同，从而导致模具成型面温度的不一致，甚至局部温度过高，进而使顶篷内饰件受热不均，出现局部烤焦的现象。

模具的加热过程由加热时间和温度传感器共同控制，由于温度传感器所能测量的仅仅是模具内表面各个区域局部的温度值，因此为了使模具成型面尽可能大的区域达到模具的理论控制温度，就要使温度传感器的设定值略大于模具的理论控制温度。当尚未达到最佳加热时间时，如果模具表面就有局部区域的温度超过温度传感器设定温度值，这时根据温度传感器显示的温度过高区域，停止该区域加热元件继续加热。但是，如图4．7所示，在达到最佳加热时间后，凸模成型面仍有局部温度过高的现象(中一区)。其原因在于温度传感器的安装位置不在模具内表面相对应区域的最高温度点上，因而检测不到该区域的最高温度，具体分析如下：

温度传感器测量温度与模具成型温度传感器测量温度与模具成型面实际温度产生差异的主要原因为壁厚变化和加

热元件功率大小不同。若温度传感器的位置不处于区域温度最高位置(如中一区)，而温度传感器的设定温度又要略高于理论控制温度，这样当到达最佳加热时间或温度传感器达到断开温度时，则与之相对应的模具成型面的温度就会高于我们理想的控制温度，从而使得模具成型面局部温度过高，制品出现烤焦现象。反之，若温度传感器所处位置在区域的最高温度位置或附近(如图4,7中的上～区到上五区、中二区到中五区以及下一区到下五区)，则当加热元件停止加热时，与之相对应的模具成型面的温度低于温度传感器设定的温度，从而不会出现温度过高现象；因此，只有传感嚣置于各区的最高温度处才能有效地控制模具的温度，进而控制制品的成型温度，防止模具表面局部温度过高。然而在实际生产过程中是很难将温度传感器准确的安装在各区的温度最高点上的。

4．3模具的加热改进

根据上一节对凸模加热过程温度场的模拟和分析，要解决模具成型面局部温度过高可以从两个方面对模具的加热设计进行改进，即改变加热元件的功率和修正温度传感器的设定值；从而解决实际生产中因模具成型面局部温度过高引起的制品烧焦现象。

4.3.1 改变加热元件功率

改变局部区域加热元件的功率，实现表面温度较均匀分布，如图4.8是未改变加热元件功率前凸模的温度场分布。

凸模成型面

T=40min时凸模内表面及成型面温度分布

如图4 8所示，是加热时间在40分钟时凸模内表面及成型面的温度场，选中部分是温度过高的区域，即中一区，其最高温度比生产过程中的模具理论控制温度上限(200℃)还要高20 66℃，表面温差约达到了38℃，如图4．7所示。因此需降低此区域的电加热元件功率，即把该区域目前的热流密度19000W／m2降17500W ／m2，但是由于中二区加热元件的功率较大(如表4 2 1所示，热流密度为20000Wlnl2)，受其影响使得中一区的降温效果不明显，因此在降低中一区加热元件功率的同时适当降低中二区的加热元件功率才能保证中一区的温度下降到理想的温度值。

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4．3．2修正温度传感器的设定值

根据前一节对模具加热过程温度场的分析可知，模具成型面局部温度过高与温度传感器安装位置有关，即某个区域的温度传感器没有安装在该区域的温度最高处或附近，-经过模具加热过程的模拟分析，可以确定温度传感器处的温度与最高温度的差异，依此对传感器的设定值温度进行修正，以确定加热区的温度。这样当传感器检测到温度超出设定温度时则停止该区域的电加热元件继续加热。这样就可防止该区域的温度超过传感器的设定温度。此外，根据模具局部温度过高原因是由于传感器安装的位置不能检测加热区域的最高温度，因此若在不改变目前加热元件加热功率的前提下我们还可以采用增加温度传感器数目的方法来检澳,sJijn热区域的最高温度，也就是说用多个传感器来控制某一个区域的温度。例如，根据图4．8模具内表面及成型面的温度分布情况，可知中一区成型面出现局部温度过高，因此可在该区域增加温度传感器的数目，且各个传感器的设定温度值相同；在加热过程中，只要该区域有一个传感器的温度超过设定值就立即停止该区域的电加热元件继续加热。综上所述，即采用多点测量的方法来检测某区域的温度最高值。从而防止该区域出现局部温度过高，这样也可较好的保证模具在加热过程中成型面不会出现局部温度过高现象。

4．4本章小结

一方面，通过对汽车顶篷内饰件凸模加热过程温度场的模拟发现，在加热40分钟时模具成型面可达到成型所需的理论控制温度；但仍有个别区域出现局部温度过高现象(超出理论控制温度)，经过分析得出，这是由于温度传感器的安装位置不当不能检测该区域的最高温度导致的。基于此分析，提出了两种模具加热的改进方法：方法一是改变出现温度过高(或过低)区域及邻近区域的加热元件功率和，方法二是修正温度过高区域的温度传感器设定值或增加该区域温度传感器的数量。另一方面，采用有ANSYS的热分析模块分析模具温度场，能全面准确地计算出模具成型面各点的温度，对确定和验证模具加热设计及工艺参数具有重要的指导意义，同时也为模具设计提供了有力的分析工具，为提高模具的设计水平、设计质量和缩短设计周期提供了新的方法。对于其他汽车内饰件的压制成型，可以采用相同的方法来分析其模具的加热过程及温度场的分布，确定其达到成型温度的时间，解决模具成型面温度分布不均匀现象，提高企业的生产效率，提升制品的质量。