注塑模具最小溫度偏差的優(yōu)化設(shè)計(jì)畢業(yè)課程設(shè)計(jì)外文文獻(xiàn)翻譯、中英文翻譯,注塑,模具,最小,溫度,偏差,優(yōu)化,設(shè)計(jì),畢業(yè),課程設(shè)計(jì),外文,文獻(xiàn),翻譯,中英文 外文資料翻譯 資料來源： 文章名：DESIGN OPTIMIZATION OF AN INJECTION MOLD FOR MINIMIZING TEMPERATURE DEVIATION 書刊名：《 Automotive Technology》 作 者：J.-H. CHOI et al. 出版社：Copyright ? 2012 KSAE/ 063?11 pISSN 1229?9138/ eISSN 1976-3832 章 節(jié)：DESIGN OPTIMIZATION OF AN INJECTION MOLD FOR MINIMIZING TEMPERATURE DEVIATION 頁 碼：P273-P277 文 章 譯 名：注塑模具最小溫度偏差的優(yōu)化設(shè)計(jì)  注塑模具最小溫度偏差的優(yōu)化設(shè)計(jì) ? ? J.-H. CHOI1), S.-H. CHOI1), D. PARK2), C.-H. PARK2), B.-O. RHEE1)* and D.-H. CHOI2) ? 1) Kinkajou 大學(xué)機(jī)械工程研究生院, Eyeopening 443-740, 韓國 2) Handbag 大學(xué)機(jī)械工程研究生院, 韓國首爾 133-791 ? (2011年1月24日收到;2011年6月15日修訂; 及接受 2011年6月17日) ? 抽象 ? 注塑件的質(zhì)量在很大程度上受模具冷卻的影響。因此, 這使得在設(shè)計(jì)該 部件時(shí), 但在設(shè)計(jì)模具之前, 需要優(yōu)化模具冷卻電路的。在此基礎(chǔ)上, 提出了模具冷卻回路的各種優(yōu)化方法。在這項(xiàng)工作中, 模具冷卻電路的優(yōu)化是自動(dòng)化的商業(yè)過程集成和設(shè)計(jì)優(yōu)化工具稱為過程集成, 自動(dòng)化和優(yōu)化 (鋼琴), 這是經(jīng)常用于大型汽車零部件, 如保險(xiǎn)杠和儀表板。冷卻通道和擋板管位于與零件表面等距的偏移剖面上。冷卻通道和擋板管的位置自動(dòng)生成, 輸入模具冷卻計(jì)算機(jī)輔助工程程序, Mold flow 洞察2010。目標(biāo)函數(shù)是模具表面溫度與給定設(shè)計(jì)溫度的偏差。優(yōu)化中的設(shè)計(jì)變量為冷卻通道和擋板管的深度、距離和直徑。為更實(shí)際的分析, 壓力下降和溫度下降被認(rèn)為是有限的價(jià)值。采用漸進(jìn)二次響應(yīng)曲面法進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果與初始設(shè)計(jì)相比, 具有更均勻的溫度分布, 并利用所提出的優(yōu)化方法, 以較低的成本進(jìn)行了滿意的求解. ? 關(guān)鍵字:注塑成型、冷卻通道、冷卻分析、PQRSM、優(yōu)化設(shè)計(jì) ? ?  1. 導(dǎo)言 ? 冷卻階段是注塑成型過程中循環(huán)時(shí)間最長的階段。因此, 減少循環(huán)時(shí)間最有效的方法是降低冷卻時(shí)間。冷卻時(shí)間從根本上取決于零件厚度和模具溫度, 從而產(chǎn)生冷卻時(shí)間限制。如果模具的溫度和零件厚度在整個(gè)零件上是均勻的, 冷卻時(shí)間是不關(guān)心的;但是, 不均勻的零件厚度和模具溫度分布會延長整個(gè)冷卻時(shí)間。冷卻時(shí)間較長意味著溫度均勻性差, 這會導(dǎo)致零件變形。對于大型產(chǎn)品 (如汽車保險(xiǎn)杠和儀表板) 尤其如此。對于這些類型的零件, 溫度均勻性成為模具設(shè)計(jì)中最重要的因素。 為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的有效性, 我們開發(fā)了一個(gè)早期設(shè)計(jì)的冷卻電路的自動(dòng)優(yōu)化。通常早期的部分設(shè)計(jì)是檢查的文件/包裝和翹曲分析沒有冷卻分析。這是因?yàn)榧僭O(shè)模具溫度是均勻的, 這實(shí)際上是不正確的。 *相應(yīng)的作者.電子郵件: rhex@ajou.ac.Kr Rhee@Kinkajou 為設(shè)計(jì)的零件提供一個(gè)快速優(yōu)化的冷卻電路將幫助部分設(shè)計(jì)師糾正他們的設(shè)計(jì) (Foresaw 和鈴木, 1999)。 優(yōu)化設(shè)計(jì), 以減少零件溫度偏差使用的設(shè)計(jì)變量, 如直徑和距離的冷卻通道和擋板管和部分的深度, 從模具表面的冷卻渠道和擋板管。一種商用計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE) 工具, Mold flow 洞察, 用于冷卻分析。我們成功地獲得了一個(gè)最優(yōu)化的冷卻電路在一個(gè)時(shí)間比在手工設(shè)計(jì)中可以達(dá)到更短。為實(shí)現(xiàn)實(shí)際模具設(shè)計(jì)中冷卻回路的自動(dòng)優(yōu)化, 在優(yōu)化中考慮了壓降極限和冷卻劑溫升等實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)。 ? 優(yōu)化技術(shù)的性能可能受到響應(yīng)中的數(shù)值噪聲的影響。為了在數(shù)值噪聲存在的情況下有效地找到最優(yōu)解, 我們通過應(yīng)用基于回歸的順序近似優(yōu)化器 (PQRSM) (宏 ET AL., 2000), 它是商業(yè)過程集成和設(shè)計(jì)優(yōu)化 (PIDO) 工具的一部分, 稱為過程集成、自動(dòng)化和優(yōu)化 (鋼琴) (FRAMAX, 2009). 圖1. 用于優(yōu)化的產(chǎn)品的有限元模型。 ? ?  2. 模型和通道配置 ? 2.1. 型號配置 ? 用于優(yōu)化和 CAE 分析的模型是汽車前保險(xiǎn)杠 (FB)。部件的大小為 1800x600 mm, 元素類型為三角形, 模型中的元素?cái)?shù)約為 2.6萬, 平均縱橫比為1.5。模型如圖1所示. ? 2.2. 冷卻通道配置 ? 汽車保險(xiǎn)杠模具的冷卻電路通常設(shè)計(jì)為具有水平平面的直線冷卻通道和安裝擋板管從線冷卻通道。然而, 在這個(gè)設(shè)計(jì)中, 不必要的長擋板管連接在一個(gè)線冷卻通道可能會導(dǎo)致高壓下降的冷卻通道。由于與零件表面的距離很大, 線路冷卻通道可能不會導(dǎo)致模具冷卻。為了改進(jìn)設(shè)計(jì), 線冷卻通道沿零件表面的偏移剖面被找出, 如圖2所示。擋板管的端點(diǎn)也位于沿直線冷卻通道的偏移剖面上。線路冷卻通道或擋板管位于偏移剖面上, 它們之間的電弧距離相等。 ? 3. 制定 ? 3.1. 設(shè)計(jì)約束 ? 在模具冷卻回路的設(shè)計(jì)中, 還應(yīng)考慮壓力降和冷卻通道入口與出口之間的溫升限制。高壓降通常發(fā)生在不必要的長 圖2.沿偏置剖面的冷卻通道的配置 ? ? 冷卻電路。在長冷回路中, 冷卻液的流量低, 導(dǎo)致模具溫度高, 出水口溫度升高。最終可以在冷卻分析中找到設(shè)計(jì)缺陷;但是, 優(yōu)化已經(jīng)很耗時(shí), 因此最好在優(yōu)化中應(yīng)用限制作為約束。 ? 在這項(xiàng)工作中, 我們假設(shè)4行冷卻通道串聯(lián)成一個(gè)集群, 如圖3所示。簇由一個(gè)流形并行連接。通常, 群集中的最大壓力下降限制為200帕, 而出口的最大溫度上升為 5oC (Melanges ET, 2001)。在冷卻分析中, 每條線冷卻通道都被視為獨(dú)立的單獨(dú)電路, 便于使用。由于電路中有4條線冷卻通道, 每條線冷卻通道的壓力降和溫度升高的限制分別為50帕和 1.25個(gè)C。由于擋板管的散熱效率比冷卻通道低, 因此我們還有一個(gè)額外的限制, 因?yàn)閾醢骞艿闹睆奖仨毚笥诨虻扔诶鋮s通道的直徑。這三設(shè)計(jì)約束可以表示為等式 (1)、(2) 和 (3) ? 0 Pa ≤ G 1 ≤ 50000 pa, (1) 0 o C ≤ G 2 ≤ 1.2 o C, (2) G 3 ≤0 mm, (3) ? G 1 是壓力降的約束, G 2 是溫度升高的約束, 而 G 3 表示擋板管直徑與冷卻通道直徑的減法. ? 3.2. 設(shè)計(jì)變量 ? 在這項(xiàng)工作中, 選擇了線冷卻通道和擋板管的直徑、距離和深度作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量的總數(shù)是 6, 如表1所示。通常, 冷卻通道和擋板管的直徑由模具設(shè)計(jì)者根據(jù)其規(guī)則確定 圖3.由4個(gè)帶擋板管的冷卻通道組成的簇。 ? ? ? 圖4.溫度場的方案由冷卻渠道。 thumb (Rhee ET AL., 2010).然而, 它已被詳細(xì)研究的模具設(shè)計(jì)師之間。表1顯示了具有其范圍和初始值的設(shè)計(jì)變量。根據(jù)加工要求的限制, 確定了冷卻通道距離、擋板距離和擋板深度的最小值。從模具設(shè)計(jì)人員獲得的經(jīng)驗(yàn)最大值確定了冷卻通道距離和擋板距離的最大數(shù)值。由于 CAE 軟件的自動(dòng)化使用受到限制, 擋板距離是一個(gè)離散變量。在這項(xiàng)工作中, 最優(yōu)化的擋板距離為60、90和120毫米. 3.3. 目標(biāo)功能 模具冷卻回路優(yōu)化的一個(gè)主要目的是在零件上實(shí)現(xiàn)均勻的溫度分布。均勻的溫度分布意味著冷卻通道引起的溫度偏差最小化, 如圖4所示。優(yōu)化中的目標(biāo)函數(shù)是部分溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差, 如方程 (4) 所示。零件溫度是模子一半的上部和下表面的算術(shù)平均值。從零件的有限元計(jì)算出模具表面溫度。 分鐘 N (E i -E w ) 2 (4) σ = ∑ -------------------- , N i = 1 σ 是部件溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差E 的溫度eth 元素,Aw 是整個(gè)三角形元素的平均溫度,N是元素的數(shù)目. 4. 優(yōu)化 ? 4.1. 參數(shù)化研究 ? 為了研究設(shè)計(jì)變量對目標(biāo)函數(shù)、壓降和溫升的影響, 進(jìn)行了參數(shù)化研究。通過在一定范圍內(nèi)改變變量來進(jìn)行參數(shù)化研究, 同時(shí)保持所有其他變量的固定。圖5-7 顯示 ? 表1.設(shè)計(jì)變量的下限和上限, 以及優(yōu)化的初始值 (單位: mm)。 ? 描述 降低 初始 上 ? ? ? ? ? X 1 通道直徑 10 30 40 X 2 擋板直徑 10 30 40 X 3 通道距離 60 90 120 X 4 擋板距離 60 60 120 X 5 通道深度 30 60 90 X 6 擋板深度 30 60 90 ? ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果對目標(biāo)函數(shù)、壓力降溫升高分別進(jìn)行了參數(shù)研究。在每個(gè)圖中, x 軸指示設(shè)計(jì)變量的級別。每個(gè)設(shè)計(jì)變量都被分為11層, 從下界到上界。-5 和5分別表示下限和上界。 ? 在檢測溫度偏差時(shí), 冷卻通道的直徑對目標(biāo)函數(shù)的影響不大 (見圖 5)。這一結(jié)果是可預(yù)測的, 因?yàn)槔鋮s通道影響零件溫度比擋板管在汽車保險(xiǎn)杠模具。汽車保險(xiǎn)杠模具有一個(gè)深的核心, 使模具冷卻取決于擋板管, 而不是冷卻通道。造成影響的另一個(gè)原因可能是, 在參數(shù)研究的范圍內(nèi), 冷卻通道內(nèi)的流態(tài)仍然是湍流的。冷卻通道的直徑通常比擋板管小。當(dāng)擋板管內(nèi)的流量保持在湍流狀態(tài)時(shí), 冷卻通道內(nèi)的流量將處于湍流狀態(tài)。 ? 當(dāng)擋板的直徑增加到一定值時(shí), 會產(chǎn)生明顯的影響。直徑的增加會改變管內(nèi)的水流到層流狀態(tài)。這是與湍流流態(tài)相比, 傳熱系數(shù)較低的原因。這就是當(dāng)擋板管徑增大時(shí)溫度偏差變大的原因。 圖5.溫度偏差的參數(shù)化研究結(jié)果 (目標(biāo)函數(shù))。 ? 圖6.壓力降的參數(shù)化研究結(jié)果。 ? 在所有參數(shù)中, 擋板深度顯示了對目標(biāo)函數(shù)的最大影響, 如圖5所示。當(dāng)擋板深度增大時(shí), 目標(biāo)函數(shù)增大。這意味著擋板的更深位置導(dǎo)致溫度偏差增加。同時(shí), 它證實(shí)了汽車保險(xiǎn)杠模具的冷卻取決于擋板管。 ? 冷卻通道和擋板管的直徑對冷卻回路中的壓降有最高的影響, 而其他變量則影響不大 (見圖6。隨著直徑的增加, 壓降在一定值后減小。這也是一個(gè)可預(yù)測的結(jié)果, 因?yàn)檩^大的直徑減少壓力下降。 ? 溫度上升對出口的影響如圖7所示。最具影響的參數(shù)是擋板直徑和通道距離。擋板直徑的影響顯示, 從-1 到3的范圍內(nèi)的最高值。在較小的擋板直徑的情況下, 換熱的表面積減小, 可能導(dǎo)致溫度升高, 而較大的擋板直徑則會導(dǎo)致較低的流動(dòng)速率, 從而降低傳熱系數(shù)。 ? 增加的通道距離意味著每一個(gè)冷卻通道占去了零件表面較大的面積, 并有較大的散熱量。這可能給出了一個(gè)物理解釋為什么溫度上升增加與渠道距離。波動(dòng)顯示在 圖7.溫度上升的參數(shù)化研究結(jié)果。 4.2. 優(yōu)化結(jié)果 ? 升溫幅度最大 (圖 7) 約為 0.15 o c. 此值遠(yuǎn)小于約束。變量對溫度上升的影響并不明顯. 在這項(xiàng)工作中, 擋板距離被認(rèn)為是離散變量;因此, 很難應(yīng)用一般的優(yōu)化方法。因?yàn)橛腥? 所以優(yōu)化被執(zhí)行了3次與5設(shè)計(jì)參數(shù)。在每個(gè)優(yōu)化中, 擋板距離是固定的。 圖8和9顯示的溫度偏差為通道直徑 x 1 和通道距離, x 3 在初始設(shè)計(jì)值周圍使用攝動(dòng)方法更改0.1%。從這些結(jié)果中我們認(rèn)識到, 溫度偏差的變化為 x1 和 x3 變化包括數(shù)字噪聲. 因此, 我們選擇 PQRSM 作為優(yōu)化方法, 可以有效地優(yōu)化響應(yīng)與數(shù)字噪聲。PQRSM 裝備在商業(yè) 圖8.溫度偏差 w.r.t. 的變化x1 使用0.1% 攝動(dòng)方法觀察. ? ? ? 圖9.溫度偏差 w.r.t. 的變化x3 使用0.1% 攝動(dòng)方法觀察. ? ? 表2.優(yōu)化結(jié)果摘要。 較低基線 X4= 60 x4= 90 X4= 120 上部 x 1 10.00 30.00 29.67 28.39 30.00 40.00 x 2 10.00 30.00 30.36 28.39 30.00 40.00 x 3 60.00 90.00 89.37 90.29 88.13 120.00 x4 60.00 60.00 60.00 90.00 120.00 120.00 x 5 30.00 60.00 87.63 88.81 90.00 90.00 x 6 30.00 60.00 30.00 30.00 30.00 90.00 Obj 6.62 5.35 5.60 5.46 G1 0 16790 16904 16610 8758 50000 G2 0 0.36 0.43 0.33 0.38 1.20 G3 0.00 -0.69 0.00 0.00 0.00 ? ? PIDO 工具, 鋼琴, 接近的目標(biāo)函數(shù)和約束與二次函數(shù)在信任區(qū)域, 它依次移動(dòng)和減少信任區(qū)域, 直到它找到最佳的解決方案。 使用 PQRSM 優(yōu)化的結(jié)果如表2所示?；€表示在應(yīng)用優(yōu)化之前的標(biāo)準(zhǔn)條件。在對擋板距離 (x4) 的3個(gè)情況進(jìn)行優(yōu)化后, 在擋板距離為60毫米的情況下, 獲得最低溫度偏差。因此, 我們得出的結(jié)論是, 擋板距離為60毫米是我們的優(yōu)化結(jié)果.? 在此優(yōu)化結(jié)果下, 與基線設(shè)計(jì)相比, 在滿足所有其他設(shè)計(jì)要求的情況下, 溫度偏差減少了19.2%。在設(shè)計(jì)變量中, 通道直徑、x1、擋板直徑、x2 和通道距離、x3 仍然接近其初始值當(dāng)通道深度為 x5 移向上界和擋板深度時(shí), x6 向下界移動(dòng)。因此, 如果擋板距離、x4、通道深度、x5 和擋板深度, x6 可以輕松進(jìn)行, 則預(yù)期會有更好的結(jié)果。 ? ? ?5. 結(jié)論 本研究對汽車前保險(xiǎn)杠冷卻回路進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)計(jì)目的是盡量減少溫度偏差, 同時(shí)滿足所有約束條件。除了六設(shè)計(jì)變量的側(cè)約束外, 還有三設(shè)計(jì)約束, 包括壓力降、升溫和縱橫比。 在六個(gè)設(shè)計(jì)變量中, 擋板距離是離散設(shè)計(jì)變量。為此, 對三例擋板距離為60、90和120毫米的情況進(jìn)行了優(yōu)化。在擋板距離為60毫米的情況下, 得到最低溫度偏差。在這種情況下, 與基線設(shè)計(jì)相比, 溫度偏差減少了 19.2%, 同時(shí)滿足了所有設(shè)計(jì)要求。認(rèn)為本文所采用的 CAE 和 PIDO 工具的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可應(yīng)用于許多工業(yè)生產(chǎn)過程的設(shè)計(jì)。 ? 引用 ? FRAMAX Inc (2009). Piano Tutorial. FRAMAX Inc (2009). 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