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北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文)中期報告
目 錄
1已完成的設(shè)計研究工作及取得的初步成果 1
1.1 氣霧冷卻設(shè)備的方案設(shè)計 1
1.1.1 氣霧冷卻設(shè)備的方案類型 1
1.2 氣霧冷卻設(shè)備的模型設(shè)計 3
1.2.1模型的假設(shè) 3
1.2.2模型的建立 3
2存在問題 5
2.1fluence模型建立 5
2.1.1模型設(shè)想 5
2.1.2結(jié)果分析 5
2.1.3尺寸改進(jìn) 5
3下一步工作計劃 6
4可預(yù)期成果 7
指導(dǎo)教師意見 8
系所意見 8
1已完成的設(shè)計研究工作及取得的初步成果
1.1 氣霧冷卻設(shè)備的方案設(shè)計
1.1.1 氣霧冷卻設(shè)備的方案類型
（1）方案設(shè)計一
在管道一側(cè)通入水和汽，由于進(jìn)水、進(jìn)汽方案設(shè)計相同，略去進(jìn)汽管道和噴嘴（其中噴嘴間距為均勻分布）。如圖一所示，為設(shè)計方案一及其流體分布曲線。
圖二 設(shè)計方案一的流體分布曲線
可以通過改變噴嘴間距使設(shè)計方案一的的流體曲線呈現(xiàn)中凸曲線形狀，但是該方案適用于空間較小的情況下，并且設(shè)計復(fù)雜。由于氣霧冷卻設(shè)備的空間足夠，所以應(yīng)考慮更佳方案。
（2）方案設(shè)計二
將進(jìn)水管道設(shè)置為一根，并且由正中央通入水汽。由于進(jìn)水、進(jìn)汽方案設(shè)計相同，略去進(jìn)汽管道和噴嘴（其中噴嘴間距為均勻分布）。如圖三所示。
圖二 設(shè)計方案二
設(shè)計方案二所得到的流體曲線為中凸，兩側(cè)也凸的曲線。并且通過改變噴嘴分布也較難實現(xiàn)。所以應(yīng)考慮更佳方案。
（3）設(shè)計方案三
通過兩根對稱管道通入水和汽，由于進(jìn)水、進(jìn)汽方案設(shè)計相同，略去進(jìn)汽管道和噴嘴（其中噴嘴間距為均勻分布）。如圖三所示。
圖三 設(shè)計方案三
設(shè)計方案三的流體曲線形狀較接近中凸曲線，并且較方便通過改變噴嘴的間距來實現(xiàn)中凸曲線類拋物線曲線形狀。
1.2 氣霧冷卻設(shè)備的模型設(shè)計
1.2.1模型的假設(shè)
由于需要用到gambit進(jìn)行建模，用fluence進(jìn)行迭代求解。建模前要對實際物體進(jìn)行抽象假設(shè)，同時對未知參數(shù)的數(shù)值也要進(jìn)行提前假設(shè)，通過多次模擬，來得到最佳方案。
（1）模型的假設(shè)
考慮到建模的多次重復(fù)試驗，以及對fluence軟件掌握的不熟練因素。假設(shè)，汽的作用主要是將水霧化，那么可以主要考慮水在噴嘴噴出后的流量分布。最終，將模型簡化為只有水管道的模型。
（2）尺寸的假設(shè)
將通入噴嘴的兩根水管道的間距假設(shè)為500mm，將噴嘴間的距離假設(shè)如下，其中噴嘴共17個，按順序編號1～17號。
從
1
2
3
4
5
6
7
8
至
2
3
4
5
6
7
8
9
間距（mm）
57
55
55
53
53
51
51
50
從
9
10
11
12
13
14
15
16
至
10
11
12
13
14
15
16
17
間距（mm）
50
51
51
53
53
55
55
57
1.2.2模型的建立
（1）用gambit建立模型
用gambit做出模型，通過對實體模型的簡化，得到如圖四的模型。
圖四gambit模型
（2）用fluence分析模型
通過分析得到各個噴嘴的速度如下，并且得到其圖像，如圖四。
噴嘴號
速度（m/s）
噴嘴號
速度（m/s）
1
1.1468363
10
1.149024
2
1.1489648
11
1.1490138
3
1.1470201
12
1.1470944
4
1.147863
13
1.1468655
5
1.1475222
14
1.1485162
6
1.1459112
15
1.1479528
7
1.1477798
16
1.1477187
8
1.1468149
17
1.1484993
9
1.1487916
通過以上數(shù)據(jù)，用excel作圖如下。
圖五 各個噴嘴流速
2存在問題
2.1fluence模型建立
2.1.1模型設(shè)想
由于用gambit建立模型，忽略了汽對水的流速等影響，導(dǎo)致了通過fluence分析的結(jié)果仍存在著誤差，所以在僅有水管作用時，所得到的噴嘴流量曲線符合要求后，仍需要添加汽管進(jìn)行模擬實驗。
2.1.2結(jié)果分析
我們需要的是中凸類似拋物線的曲線，根據(jù)對假設(shè)尺寸所得到結(jié)果的分析，，所得到的流量曲線僅僅滿足了中凸的性質(zhì)，除了9號噴嘴外，其余噴嘴的流量相差不大，故不完全符合要求，需要對尺寸進(jìn)行改進(jìn)。
2.1.3尺寸改進(jìn)
由于所得到的流量曲線不完全符合要求，需要對進(jìn)水的兩個管道間距以及各個噴嘴的間距進(jìn)行改變，而如何改變相關(guān)尺寸使噴嘴流量曲線呈現(xiàn)類似中凸的拋物線仍是個難題。需要查閱更多的資料進(jìn)行更多的建模、分析模型的嘗試。
3下一步工作計劃
（1）fluence建模
在原有模型的基礎(chǔ)上完善氣霧冷卻設(shè)備模型，由于上噴系統(tǒng)和下噴系統(tǒng)重力方向不同，所以需要在fluence中設(shè)置不同的流體所受的重力方向。因此對兩次結(jié)果進(jìn)行比較，可以看到重力對流速的影響。
（2）裝配圖的完成
在裝配圖的繪制過程中，部分尺寸需要通過fluence計算得到，所以裝配圖的一些尺寸是未知的。在接下來的工作中要盡快計算得到未知尺寸，完成裝配圖的繪制。
（3）零件圖的繪制
裝配圖的繪制完成之后，拆出部分零件進(jìn)行零件圖的繪制。
（4）設(shè)計說明書的書寫
4可預(yù)期成果
通過對氣霧冷卻設(shè)備各基本參數(shù)的理論分析計算，以及應(yīng)用計算機有限元軟件進(jìn)行模擬，尋求合理的設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得氣霧冷卻設(shè)備噴到鋼板表面上的噴量沿鋼板橫向呈中凸近似拋物線的曲線分布。同時，對完成裝配圖以及主要零部件圖的設(shè)計繪制，最后撰寫一份設(shè)計說明書。
本人簽字：
年 月 日
指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
系所意見
檢查結(jié)果： □ 合格 □ 不合格
負(fù)責(zé)人簽字（蓋章）：
年 月 日
8
- -
北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
摘 要
本課題針對我校為大連特鋼設(shè)計的模具鋼控冷設(shè)備，參考了中厚板在生產(chǎn)過程中成熟的在線淬火控冷技術(shù)，其中采用了空氣冷卻、噴氣冷卻、氣霧冷卻、水霧冷卻以及噴水冷卻5種由弱到強的冷卻方式。本文主要是對氣霧冷卻系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計和計算，并且確定最佳氣霧冷卻方案和氣霧冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在氣霧冷卻方案的設(shè)計過程中，以FLUENT軟件為操作平臺，使氣霧冷卻過程滿足實際需求。本文研究的主要內(nèi)容和結(jié)論是：
（1）本課題中的控冷設(shè)備針對厚度為5-150mm、寬度為100-850mm、長度為2000-8000mm的模具鋼進(jìn)行冷卻，其中，氣霧冷卻設(shè)備主要冷卻薄的模具鋼板。為了使模具鋼板得到均勻冷卻，本文對氣霧冷卻方式進(jìn)行了方案的設(shè)計和氣霧冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計。同時，本文對所有的設(shè)計方案進(jìn)行了比較詳細(xì)的說明和比較，并使用了FLUENT軟件對每個設(shè)計方案進(jìn)行模擬實驗，從中選擇出最佳方案。在確定氣霧冷卻設(shè)備最佳方案后，設(shè)計氣霧冷卻設(shè)備的相關(guān)尺寸參數(shù)，完成氣霧冷卻設(shè)備初步設(shè)計。
（2）在進(jìn)行氣霧冷卻設(shè)備噴嘴的間距設(shè)計中，對不同的設(shè)計方案建立其GAMBIT模型，同時在模型能定性解決問題的前提下進(jìn)行模型簡化，以便減少計算過程，節(jié)約時間。將網(wǎng)格劃分完畢后的模型導(dǎo)入FLUENT軟件進(jìn)行模擬實驗，檢驗結(jié)果，改進(jìn)噴嘴布置后多次實驗，從而確定最佳噴嘴布置方案，使得模具鋼在寬度方向上得到均勻冷卻。
本文對于氣霧冷卻系統(tǒng)的設(shè)計方法和研究思路對模具鋼在線淬火冷卻的研究和利用具有一定的參考價值。
關(guān)鍵詞：模具鋼，控制冷卻，氣霧冷卻
Design on Quenching Process and Aerosol Cooling Equipment
of Mold Steel
Abstract
According to the cooling device which is designed for Dalian Steel by our school and the on-line quenching technology of plate production, my teacher put forward this topic. In this cooling device, air cooling, air-jet cooling, mist cooling, water spray cooling and spray cooling from weak to strong from are took. This paper tells us that how to design mist cooling device, and I make a example of mist cooling device for us. During the design of mist cooling device, I make full use of the soft of FLUENT, so that the design can meet our requires. This thesis consists of parts as follows:
1. The device in the design is used to cool the mold steel of 5-150mm thickness, 100-850mm width and 2000-8000mm length. The aerosol cooling equipment is used for cooling the thin mold steel plate. In order to meet requires, I make a optimal design of the aerosol cooling equipment. Many results of FLUENT are compared, and I choose a better solution from them. Then I need to design size of the aerosol cooling equipment.
2. Then the Nozzle spacing of the aerosol cooling equipment should be designed. I need to manufacture a GAMBIT model about it, and import this model in FUENT. In order to save time and simplify the calculation, we need to make sure that the model is simplified. We must do a lot of experiments, and find a better design that can keep mold steel uniform cooling.
Aerosol cooling system design methods and utilization of the die steel quench has a certain reference value research.
Key Words：Die Steel; Controlled Cooling; Aerosol Cooling
- 0 -
目 錄
摘 要 1
Abstract 2
1課題綜述 2
1.1課題背景及研究意義 2
1.1.1課題背景 2
1.1.2研究意義 2
1.2模具鋼概述 2
1.2.1模具鋼發(fā)展 2
1.2.2塑料模具鋼 3
1.2.3預(yù)硬型塑料模具鋼 4
1.3控冷簡介 4
1.3.1控制冷卻的機理和作用 4
1.3.2控制冷卻的方式 5
1.3.3氣霧冷卻設(shè)備 6
1.3.4控制冷卻在板帶材中的應(yīng)用 7
1.3.5控制冷卻存在的問題 8
1.3.6提高控制冷卻均勻性的措施 9
2流體概述 10
2.1流體運動研究方法 10
2.2流體相關(guān)性質(zhì) 10
2.3FLUENT軟件求解 11
3氣霧冷卻設(shè)備的設(shè)計 13
3.1氣霧冷卻設(shè)備方案 13
3.1.1模型的建立和參數(shù)設(shè)置 13
3.1.2氣霧冷卻設(shè)備方案設(shè)計 13
4噴嘴方案的制定 24
4.1氣霧冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對模具鋼冷卻均勻性的影響因素 24
4.2氣霧冷卻系統(tǒng)模型的建立 24
4.2.1模型的建立 24
4.2.2氣霧冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 25
4.2.3氣霧冷卻系統(tǒng)的噴嘴方案設(shè)計 26
4.2.4計算等效流速 38
結(jié) 論 42
參 考 文 獻(xiàn) 44
附錄A 附 錄 46
附錄B 文獻(xiàn)翻譯 51
在 學(xué) 取 得 成 果 61
致 謝 62
引 言
本課題來源于以下背景：（1）我國當(dāng)前的控冷技術(shù)還不夠完善。（2）我校也曾為大連特鋼設(shè)計了一套控冷設(shè)備，在實際生產(chǎn)中，仍存在一些缺陷。
北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
摘 要
本課題針對我校為大連特鋼設(shè)計的模具鋼控冷設(shè)備，參考了中厚板在生產(chǎn)過程中成熟的在線淬火控冷技術(shù)，其中采用了空氣冷卻、噴氣冷卻、氣霧冷卻、水霧冷卻以及噴水冷卻5種由弱到強的冷卻方式。本文主要是對氣霧冷卻系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計和計算，并且確定最佳氣霧冷卻方案和氣霧冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在氣霧冷卻方案的設(shè)計過程中，以FLUENT軟件為操作平臺，使氣霧冷卻過程滿足實際需求。本文研究的主要內(nèi)容和結(jié)論是：
（1）本課題中的控冷設(shè)備針對厚度為5-150mm、寬度為100-850mm、長度為2000-8000mm的模具鋼進(jìn)行冷卻，其中，氣霧冷卻設(shè)備主要冷卻薄的模具鋼板。為了使模具鋼板得到均勻冷卻，本文對氣霧冷卻方式進(jìn)行了方案的設(shè)計和氣霧冷卻設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計。同時，本文對所有的設(shè)計方案進(jìn)行了比較詳細(xì)的說明和比較，并使用了FLUENT軟件對每個設(shè)計方案進(jìn)行模擬實驗，從中選擇出最佳方案。在確定氣霧冷卻設(shè)備最佳方案后，設(shè)計氣霧冷卻設(shè)備的相關(guān)尺寸參數(shù)，完成氣霧冷卻設(shè)備初步設(shè)計。
（2）在進(jìn)行氣霧冷卻設(shè)備噴嘴的間距設(shè)計中，對不同的設(shè)計方案建立其GAMBIT模型，同時在模型能定性解決問題的前提下進(jìn)行模型簡化，以便減少計算過程，節(jié)約時間。將網(wǎng)格劃分完畢后的模型導(dǎo)入FLUENT軟件進(jìn)行模擬實驗，檢驗結(jié)果，改進(jìn)噴嘴布置后多次實驗，從而確定最佳噴嘴布置方案，使得模具鋼在寬度方向上得到均勻冷卻。
本文對于氣霧冷卻系統(tǒng)的設(shè)計方法和研究思路對模具鋼在線淬火冷卻的研究和利用具有一定的參考價值。
關(guān)鍵詞：模具鋼，控制冷卻，氣霧冷卻
Design on Quenching Process and Aerosol Cooling Equipment
of Mold Steel
Abstract
According to the cooling device which is designed for Dalian Steel by our school and the on-line quenching technology of plate production, my teacher put forward this topic. In this cooling device, air cooling, air-jet cooling, mist cooling, water spray cooling and spray cooling from weak to strong from are took. This paper tells us that how to design mist cooling device, and I make a example of mist cooling device for us. During the design of mist cooling device, I make full use of the soft of FLUENT, so that the design can meet our requires. This thesis consists of parts as follows:
1. The device in the design is used to cool the mold steel of 5-150mm thickness, 100-850mm width and 2000-8000mm length. The aerosol cooling equipment is used for cooling the thin mold steel plate. In order to meet requires, I make a optimal design of the aerosol cooling equipment. Many results of FLUENT are compared, and I choose a better solution from them. Then I need to design size of the aerosol cooling equipment.
2. Then the Nozzle spacing of the aerosol cooling equipment should be designed. I need to manufacture a GAMBIT model about it, and import this model in FUENT. In order to save time and simplify the calculation, we need to make sure that the model is simplified. We must do a lot of experiments, and find a better design that can keep mold steel uniform cooling.
Aerosol cooling system design methods and utilization of the die steel quench has a certain reference value research.
Key Words：Die Steel; Controlled Cooling; Aerosol Cooling
- 2 -
目 錄
摘 要 1
Abstract 2
1課題綜述 2
1.1課題背景及研究意義 2
1.1.1課題背景 2
1.1.2研究意義 2
1.2模具鋼概述 2
1.2.1模具鋼發(fā)展 2
1.2.2塑料模具鋼 3
1.2.3預(yù)硬型塑料模具鋼 4
1.3控冷簡介 4
1.3.1控制冷卻的機理和作用 4
1.3.2控制冷卻的方式 5
1.3.3氣霧冷卻設(shè)備 6
1.3.4控制冷卻在板帶材中的應(yīng)用 7
1.3.5控制冷卻存在的問題 8
1.3.6提高控制冷卻均勻性的措施 9
2流體概述 10
2.1流體運動研究方法 10
2.2流體相關(guān)性質(zhì) 10
2.3FLUENT軟件求解 11
3氣霧冷卻設(shè)備的設(shè)計 13
3.1氣霧冷卻設(shè)備方案 13
3.1.1模型的建立和參數(shù)設(shè)置 13
3.1.2氣霧冷卻設(shè)備方案設(shè)計 13
4噴嘴方案的制定 24
4.1氣霧冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對模具鋼冷卻均勻性的影響因素 24
4.2氣霧冷卻系統(tǒng)模型的建立 24
4.2.1模型的建立 24
4.2.2氣霧冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 25
4.2.3氣霧冷卻系統(tǒng)的噴嘴方案設(shè)計 26
4.2.4計算等效流速 38
結(jié) 論 42
參 考 文 獻(xiàn) 44
附錄A 附 錄 46
附錄B 文獻(xiàn)翻譯 51
在 學(xué) 取 得 成 果 61
致 謝 62
北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
引 言
本課題來源于以下背景：（1）我國當(dāng)前的控冷技術(shù)還不夠完善。（2）我校也曾為大連特鋼設(shè)計了一套控冷設(shè)備，在實際生產(chǎn)中，仍存在一些缺陷。
本文研究的內(nèi)容主要有以下部分：對國內(nèi)外模具鋼控冷技術(shù)的研究現(xiàn)狀對比，以及對氣霧冷卻設(shè)備進(jìn)行方案設(shè)計，同時，使用FLUENT軟件確定該方案的噴嘴布置，從而使得氣霧冷卻設(shè)備能夠滿足對模具鋼控冷性能的要求，可以實現(xiàn)在線控冷，以及實現(xiàn)控冷工藝的在線自動化。從而可以提高產(chǎn)品生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。
該課題的研究過程和方法：
首先通過對氣霧冷卻設(shè)備的相關(guān)知識進(jìn)行充分了解的基礎(chǔ)上，對氣霧冷卻設(shè)備的方案進(jìn)行設(shè)計和實驗，完成對氣霧冷卻設(shè)備外形尺寸的設(shè)計。
通過文獻(xiàn)學(xué)習(xí)，找到理論計算方法。并且采用理論研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，通過Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定合理的噴嘴分布參數(shù)。
1課題綜述
1.1課題背景及研究意義
1.1.1課題背景
目前，我國的控冷技術(shù)仍然不夠完善。并且，我校為大連特鐵設(shè)計的一套控冷設(shè)備在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中，也存在一些問題。
1.1.2研究意義
本課題對氣霧冷卻設(shè)備進(jìn)行設(shè)計和理論計算，使得設(shè)備能夠滿足對模具鋼控冷性能的要求，可以實現(xiàn)在線控冷，以及實現(xiàn)控冷工藝的在線自動化。從而提高了產(chǎn)品生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。
1.2模具鋼概述
1.2.1模具鋼發(fā)展
隨著對模具的要求——如模具向精密、多型腔、高壽命等越來越高，我國引進(jìn)了不少效果比較好的模具鋼。例如：冷作模具鋼、塑料模具鋼、熱作模具鋼等[1]。
最近一些年，我國的模具工業(yè)的發(fā)展十分迅速。國內(nèi)現(xiàn)有模具生產(chǎn)廠點有近20000個，從業(yè)人員超過50萬人。模具材料是制造生產(chǎn)模具的基礎(chǔ)，隨著我國模具工業(yè)的發(fā)展和國際化的進(jìn)程，我國模具鋼的產(chǎn)量、生產(chǎn)工藝裝備、質(zhì)量性能、品種規(guī)格等方面均取得了長足的進(jìn)步。
近幾年， 2000年以來，我國國產(chǎn)模具產(chǎn)值每年平均遞增15%，但國產(chǎn)模具的自配率不足80%，其中中低檔模具供過于求，而高檔模具近50%靠進(jìn)口，尤其是大型、精密、復(fù)雜、長壽命的模具缺口更大。中國是模具進(jìn)口大國，年進(jìn)口金額相當(dāng)于國產(chǎn)模具產(chǎn)值的25%～30%。隨著全球制造業(yè)向中國和東南亞轉(zhuǎn)移，預(yù)計到2020年中國將成為世界制造強國和制造業(yè)中心[2]，制造業(yè)的發(fā)展向模具鋼提出了更多的要求，必須提高國產(chǎn)模具鋼的質(zhì)量以生產(chǎn)出高質(zhì)量的模具，擺脫長期依賴于進(jìn)口的不利局面，為制造業(yè)的發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。根據(jù)文獻(xiàn)資料得到2000年~2007年我國模具鋼產(chǎn)量[3]。
表1-1 我國模具鋼的產(chǎn)量
年份
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
產(chǎn)量/萬t
19
27
33
39
52
54
57
60
同時，中國模具鋼制造水平取得了長足的進(jìn)步。以汽車覆蓋件為代表的大型復(fù)雜沖模，34英寸大屏幕彩電和48英寸背投式電視機的塑殼模具，6.5kg大容量洗衣機全套板等塑料模具，自動扶梯整體踏板及汽車后橋齒輪箱的大型精密復(fù)雜壓做模等，我們自己都能生產(chǎn)。如模具CAD/CAE/CAM技術(shù)已廣泛應(yīng)用，并開發(fā)出有自主知識產(chǎn)權(quán)的CAD/CAE/CAM模具軟件：電加工、數(shù)控加工技術(shù)在模具制造上普遍采用；一些骨干模具生產(chǎn)企業(yè)開始使用高速加工技術(shù)，這都為國產(chǎn)模具鋼提供了一個潛在的大市場，國產(chǎn)模具鋼要盡快適應(yīng)模具市場的變化趨勢，模具工業(yè)的快速發(fā)展，帶動了國內(nèi)模具鋼的產(chǎn)量、品種、規(guī)格及品質(zhì)水平的提高。
目前，深圳周邊及珠江三角洲地區(qū)已經(jīng)成為中國模具工業(yè)最為發(fā)達(dá)、科技含量最高的區(qū)域。今后幾年，隨著全球制造業(yè)重心加快向我國轉(zhuǎn)移，這一地區(qū)有可能在10年內(nèi)發(fā)展成為世界模具生產(chǎn)中心[4]。
1.2.2塑料模具鋼
1960年，世界塑料的總產(chǎn)量僅僅670萬t，到2001年已達(dá)16450萬t。2000年我國塑料制品就超過2000萬t，僅次于美國，居世界第二位[5]。
模具可以分為金屬成形模和非金屬成形模兩類，而塑料模具是非金屬成形模具中主要模具類型之一。隨著石油、化學(xué)等工業(yè)的迅速發(fā)展，塑料成為了工業(yè)生產(chǎn)中的一種主要原料，導(dǎo)致塑料制品成形模具用鋼已發(fā)展成為一個獨立部分。
按照塑料成形模具損壞的原因以及加工性能對模具鋼要求，塑料模具鋼應(yīng)具有良好的耐熱性能、機械強度、耐磨性、耐腐蝕性、切削加工性、鏡面加工性、花紋圖案光蝕性能等。
塑料模具鋼可分為低碳低合金鋼，碳素結(jié)構(gòu)鋼，合金結(jié)構(gòu)鋼，合金工具鋼，析出硬化鋼和馬氏休時效鋼等六種。
根據(jù)成型方式不同，塑料模具鋼有不同的用途[6]。
1）注射成型：用于熱塑性、熱固性樹脂、花紋圖案、透明件、光學(xué)玻璃和鏡片透明塑料件、PVC等的加工。
2）壓縮成型：用于調(diào)價玻璃纖維等無機物填料一般熱固性樹脂、熱固性樹脂的加工。
1.2.3預(yù)硬型塑料模具鋼
預(yù)硬型塑料模具鋼的特點是在模具加工前需要進(jìn)行預(yù)硬化處理。模具加工成形后可以不再進(jìn)行熱處理，但是模具型腔是從表面向內(nèi)凹陷，因此模具的工作面實際上是模塊的截面, 因而這就需要要求模塊截面具有均勻的硬度。
常用的預(yù)硬型塑料模具鋼可分為兩類，第一類是結(jié)合塑料模具要求而單獨開發(fā)的鋼種, 如3Cr2Mo（美國P20）、3Cr2MnNMio（瑞典718）鋼等；第二類是借用的合金結(jié)構(gòu)鋼以及一些熱作模具鋼的成熟鋼鋼號，如40Cr、42CrMo、3CrMnSiNi2A、5CrMnMo、5CrNMi o、4Cr5MoSiV1鋼等。
預(yù)硬型塑料模具鋼一般用于酚醛樹脂、三聚氰胺樹脂等各種膠木粉的壓制成型以及尼龍、聚甲醛、聚乙烯等各種熱塑性塑料的注射成型。除了要滿足一般的強韌性要求外, 還必須擁有較好的淬透性、截面硬度均勻性、切削加工性、磨拋性及耐蝕性等[7] 。
1.3控冷簡介
1.3.1控制冷卻的機理和作用
模具在工作中除了要求基體具有足夠高的強度和韌性的合理配合外。其表面性能對模具的工作性能和使用壽命至關(guān)重要。這些表面性能指耐磨損性能、耐腐蝕性能、摩擦系數(shù)、疲勞性能等。這些性能的改善單純依賴基體材料的改進(jìn)和提高是非常有限的。也是不經(jīng)濟(jì)的。而通過表面處理技術(shù)，往往可以收到事半功倍的效果。這也正是表面處理技術(shù)得到迅速發(fā)展的原因[8]。
鋼以擴散方式從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體或珠光體型組織，以切變方式從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體組織。因此，根據(jù)其相變機理而言，加速冷卻工藝主要是以擴散相變機制和細(xì)化晶粒來達(dá)到改善鋼材的性能的目的，同時直接淬火工藝則主要是利用切變機理和提高淬透性來實現(xiàn)鋼材的性能的改善[7]。淬火是將鋼加熱到一定溫度以上，保溫一定時間，以需求冷卻速度冷卻，獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝。它是鋼的最經(jīng)濟(jì)、最有效的強化手段之一。配合不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求。經(jīng)感應(yīng)加熱表面淬火的工件，表面不易氧化、脫碳、變形小[9]。后來開發(fā)的DQ（直接淬火）技術(shù)，DQ與再加熱淬火處理相比，淬硬性可以提高1.4到1.5倍能大大提高低碳鋼及低合金鋼的強度[10]。
按淬火冷卻介質(zhì)來分，目前常規(guī)淬火工藝主要有水淬、油淬、熔融熱?。▔A浴、鹽浴、和金屬?。┐慊鸷蛯Ｓ么慊鹨捍慊?、水溶性淬火介質(zhì)淬火等，這些淬火工藝是先將工件加熱到奧氏體化后再在水、油、熔融熱浴、以及專用淬火液、水溶性淬火介質(zhì)等冷卻介質(zhì)中快速冷卻并使工件發(fā)生相變的加工處理過程。此外，比較常規(guī)的淬火工藝還有空氣（靜止空氣、壓縮空氣）淬火和固體（流動粒子和金屬板）淬火等[11] [12]。常用的淬火方法有：單介質(zhì)淬火、雙介質(zhì)淬火、馬氏體分級淬火、貝氏體等溫淬火、局部淬火[10]。
控制冷卻的作用可概括如下[13]：
（1） 提高產(chǎn)品質(zhì)量
1）機械性能：提高強度并且改善韌性。
2）工藝性能：提高可焊性、裂紋抗力和成形性。
3）組織與結(jié)構(gòu)：提高了組織的分散度、獲得了復(fù)相組織并且細(xì)化了晶粒。
4）表面質(zhì)量：減少表面劃傷、裂紋和氧化鐵皮產(chǎn)生、避免表面脫碳現(xiàn)象的產(chǎn)生。
（2） 降低生產(chǎn)成本
1）節(jié)省了合金成分。
2）減輕了構(gòu)件及其設(shè)備重量。
3）節(jié)約了能源。
4）簡化工藝流程。
5）提高成材率。
6）減少環(huán)境污染、節(jié)省自然資源。
1.3.2控制冷卻的方式
幾種常用的冷卻方式和特點如下 [14] [15] [16]：
（1）水—氣噴霧冷卻
通過加壓的空氣使水成霧化狀態(tài)，成霧狀的水和高壓高速氣流直接噴到鋼材表面上進(jìn)行冷卻。優(yōu)點是可對板材較冷邊部進(jìn)行補償，這大大節(jié)省了成本，缺點是這種冷卻方式冷卻不均，容易產(chǎn)生翹曲。
（2）層流冷卻
其優(yōu)點是水流可以保持成層流狀態(tài)，并且可以得到很強的冷卻能力；上下表面、縱向表面可以得到均勻冷卻。其缺點是冷卻區(qū)距離長；并且集管之間有了一定的距離，這導(dǎo)致了橫向冷卻的不均勻。
（3）水幕冷卻
其優(yōu)點是保持層流狀態(tài)的水流，可以大大提升冷卻速度，并且其對水質(zhì)的要求不高，容易維護(hù)。缺點是帶鋼上下表面以及整個冷卻區(qū)的冷卻十分不均勻；并且可調(diào)節(jié)的冷卻速度范圍也相對較小；這導(dǎo)致容易出現(xiàn)不成幕的缺陷。
（4）超快速冷卻
這種冷卻方式優(yōu)點是它可以有很大冷卻速度，并且冷卻能力范圍大，冷卻的也較均勻，所以冷卻效率高。對應(yīng)的缺點點是水消耗量很大，對水質(zhì)的要求也很高，噴嘴容易出現(xiàn)阻塞狀況。
（5）噴射冷卻
水通過加壓從噴嘴噴出來，其優(yōu)點是冷卻面積很大，冷卻也較均勻。缺點是這種冷卻方式對水質(zhì)要求極其嚴(yán)格，并且可以控制的冷卻范圍不太寬，需要很高的壓力，冷卻效率也不高，大量的冷卻水都飛濺出去，因此浪費水資源。
1.3.3氣霧冷卻設(shè)備
氣霧冷卻系統(tǒng)是指采用高速冷卻空氣霧化冷卻水產(chǎn)生氣霧冷卻介質(zhì)的裝備，它可以提高帶鋼的冷卻速度。它由冷卻噴箱、汽水分離器、氣刀、脫鹽水箱等組成[17]。
（1）冷卻風(fēng)箱
氣霧冷卻的核心是采用高速冷卻水和冷卻空氣，用冷卻水霧化產(chǎn)生的氣霧介質(zhì)冷卻帶鋼，而其中的核心設(shè)備就是冷卻風(fēng)箱。冷卻風(fēng)箱是一個整體噴箱，噴箱下部為帶鋼人口和密封氣刀，中部為氣霧噴嘴與風(fēng)箱，上部為氣霧排放口和帶鋼出口，霧化后的水霧噴吹到帶鋼的表面冷卻帶鋼，以滿足工藝的要求。
（2）噴嘴
噴嘴是冷卻風(fēng)箱的核心，然而不同型式的氣霧噴嘴則有著不同的噴霧形狀和流量分布特性、霧化角、霧粒直徑和流速、沖擊力分布，因此需要根據(jù)各種工況下的霧化狀態(tài)，來采用最合適的噴嘴組。
要想使用中達(dá)到理想的噴吹效果，所以要先在實驗室里對噴嘴進(jìn)行試驗，根據(jù)不同噴射速度，確定流量系數(shù)，采用粒度分析儀測量霧粒粒徑和速度。采用數(shù)碼照相機或攝像機記錄各種工況下的霧化狀態(tài)，完成單個噴嘴性能實驗后，選定一種型式的噴嘴，按照一定噴嘴間距形成噴嘴組。
（3）氣刀
其主要作用是密封，氣刀的角度固定，在穿帶時可以打開。氣刀轉(zhuǎn)動使用氣體壓力，氣刀風(fēng)管下部設(shè)有氣刀轉(zhuǎn)動位置指示盤。在指示盤指針處需安裝位置開關(guān)。
（4）系統(tǒng)控制
在冷卻噴箱入口下方設(shè)置用于測量溫度的輻射高溫計，用它來測量帶鋼進(jìn)入噴箱前的溫度，并將測量值發(fā)送到上位計算機，作為參數(shù)紀(jì)錄，用于研究帶鋼快速冷卻溫度與冷卻速度。
在冷卻噴箱出口上方設(shè)置一個帶鋼溫度測量的輻射高溫計，測量帶鋼出噴箱后的溫度。該信號與噴水控制閥形成閉環(huán)控制，通過調(diào)節(jié)水量控制帶鋼出噴箱的溫度。該信號與設(shè)定值進(jìn)行比較，以確定冷卻水控制閥的開度。
噴箱內(nèi)不設(shè)邊部擋板，帶鋼寬度方向溫度控制通過噴嘴布置實現(xiàn)，噴箱接水板間隔為固定值。
1.3.4控制冷卻在板帶材中的應(yīng)用
傳統(tǒng)的控制冷卻方式
控制冷卻技術(shù)隨著鋼鐵材料的性能的提高以及鋼種開發(fā)的需要而產(chǎn)生的，并且得到了廣泛持續(xù)的發(fā)展與應(yīng)用。在60年代后半期控制冷卻出現(xiàn)在熱鋼輸出輥道上，用于材質(zhì)控制，在上世紀(jì)70年代中期，控制冷卻技術(shù)在板帶材鋼種開發(fā)方面初露端倪，人們將這種技術(shù)用于開發(fā)制造管線原板的厚板領(lǐng)域。
（1）快速冷卻技術(shù)
在控制冷卻技術(shù)未出現(xiàn)之前，人們曾經(jīng)采用控制熱軋條件（加熱溫度以及各軋制道次的軋制溫度、壓下量）為主的控制軋制技術(shù)，并且結(jié)合合金元素成分來設(shè)計生產(chǎn)強度和低溫韌性均較高的板帶材。隨后人們通過實踐，將提高鋼板性能的研究開始轉(zhuǎn)向控軋后再水冷。最后確認(rèn)通過控制冷卻可在不破壞鋼板韌性的前提下，提高其強度，并且可以保證在同一強度下，實現(xiàn)低合金化高強度鋼。
快速冷卻技術(shù)作為控軋控冷技術(shù)的重要組成部分，它從發(fā)展到現(xiàn)在，其實質(zhì)是通過控制軋件的軋制溫度軋后冷卻速率、軋件開冷溫度以及終冷溫度來控制鋼材的高溫奧氏體組織形態(tài)以及組織形態(tài)演變過程，來達(dá)到最終控制鋼材的組織類型形態(tài)及分布并且提高鋼材組織和力學(xué)性能的目的。
（2）直接淬火技術(shù)
從20世紀(jì)50年代以來，日本和美國鋼鐵公司采用加壓淬火裝置，開發(fā)出600～1000MPa級的再加熱淬火回火鋼板，這成為生產(chǎn)調(diào)質(zhì)型高強度鋼的主要工藝。到70年代末，人們嘗試以再加熱淬火的實用材料為基礎(chǔ)，利用較為經(jīng)濟(jì)的直接淬火及回火工藝來開發(fā)生產(chǎn)高強度鋼。日本的T.Inoue[18]對淬火和回火進(jìn)行了模型研究和數(shù)值模擬，法國的Denis[19]在內(nèi)應(yīng)力計算時，考慮了內(nèi)應(yīng)力在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中的影響。直接淬火是鋼板經(jīng)精軋后進(jìn)行相應(yīng)地在線熱處理相對再加熱淬火工藝其特點為：鋼板經(jīng)精軋后直接進(jìn)入在線熱處理設(shè)備省去了再加熱過程使工序簡化生產(chǎn)流程緊湊經(jīng)濟(jì)性好，淬透性好減少了合金元素的含量同時可降低碳含量鋼材焊接性能好。
直接淬火的實質(zhì)是在熱軋終了后，在軋件處于奧氏體組織時，通過急冷處理使軋件組織產(chǎn)生相變馬氏體和貝氏體，從而細(xì)化晶粒起到改善材質(zhì)韌性的作用[20]。
1.3.5控制冷卻存在的問題
（1）數(shù)學(xué)模型。影響板材溫度的因素多面復(fù)雜，包括：帶鋼材質(zhì)、厚度、速度、冷卻水量、水壓、水流運動形態(tài)、終軋溫度、熱傳導(dǎo)、對流、輻射條件和冷卻裝置的設(shè)備狀況等，因而難以在數(shù)學(xué)模型中全部考慮和精確描述，增加了準(zhǔn)確控制的難度。
（2）冷卻的均勻性。鋼板軋制過程中一般頭部和尾部比中間部分的溫度低。在采用恒速輸送時，鋼板的終止冷卻溫度從頭至尾呈線性降低。造成長度方向上冷卻不均勻。由于水在上下表面的停留時間和流動狀態(tài)不同，所以造成上下冷卻的不均勻性。如果對此不加以控制，則會造成鋼板的翹曲。鋼板軋制過程中邊部由于與水接觸更多會產(chǎn)生更大的溫度下降，同時邊部的下噴水回落到板面上，造成寬度方向冷卻不均勻。
（3）控制滯后。卷取測溫儀通常安裝在冷卻區(qū)外10多米的位置，相對控制點，檢測滯后很大，嚴(yán)重制約了常規(guī)反饋控制方式的使用。此外，控制閥的開閉及冷卻水從出水口濺落到帶鋼表面，都存在較大的滯后效應(yīng)，給動態(tài)控制帶來不利影響。
1.3.6提高控制冷卻均勻性的措施
冷卻鋼板外形的平坦和冷卻均勻是對軋后冷卻裝置的基本要求之一。為此要采取各種措施來保證鋼板在長度、寬度、厚度（特別是上、下表面）上的冷卻均勻。為使鋼板長度方向冷卻均勻，在板長允許的條件下，應(yīng)采用同時冷卻方式。如果鋼板長度接近或大于冷卻裝置長度，就應(yīng)采用連續(xù)冷卻方式。采用同時冷卻方式時，如果沖擊區(qū)縱向間距較大，應(yīng)選用較高的擺動速度，反之則改用較低的擺動速度。采用連續(xù)冷卻方式時，為了沿鋼板長度方向獲得一致的終冷溫度，鋼板進(jìn)人控冷區(qū)后，應(yīng)以勻加速運動方式通過冷卻裝置，使鋼板在整個長度方向上冷卻的終止溫度均勻；如果鋼板以勻速運動方式通過冷卻裝置，此時要逐漸減少冷卻裝置的噴水量。鋼板頭尾部的均勻冷卻通常靠延遲開啟噴水（對頭部）和提前關(guān)閉噴水（對尾部），個別也有采用遮蔽機構(gòu)的辦法。
厚度冷卻的均勻是靠改變下噴嘴的噴射角度以增加水流在鋼板下表面的停留時間和增加鋼板下表面的噴水量來實現(xiàn)的，后者是最主要和有效的方法。上下水量比將視總水量而定，總水量越大，下水量上水量的比值越小。
寬度方向冷卻的均勻是靠上噴嘴采用橫向不均勻水量分布（如水幕采用中凸形的水量分布，管層流采用U型管直徑變化或間距變化），下噴嘴改進(jìn)噴射角度，同時對上噴嘴（和下噴嘴）采用橫向遮蔽機構(gòu)。有資料介紹，當(dāng)鋼板邊部的水流速度約為中心的75％時，可達(dá)到近似橫向均勻冷卻的目的。
2流體概述
2.1流體運動研究方法
研究流體運動規(guī)律的主要方法有三種：一種是實驗研究。以實驗為研究手段；第二種是理論分析方法，利用簡單流動模型假設(shè)，給出某些問題的解析解；三是數(shù)值模擬。實驗法需要耗費大量時間和資源，對于理論分析方法，對于較復(fù)雜的流體運動現(xiàn)象仍然無能為力。
流體運動規(guī)律以質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，與固體力學(xué)不同之處是流體在運動過程中時刻變化，導(dǎo)致求解復(fù)雜。控制流體運動的方程屬于非線性偏微分方程，所以，在解決流體問題時，除了簡單運動外，一般不易求解。隨著計算機的發(fā)展，出現(xiàn)了比較著名的軟件如：FLUENT、CFX、STAR-CD等。在解決本文中的流體問題中，主要采用FLUENT軟件進(jìn)行求解。
2.2流體相關(guān)性質(zhì)
1）密度
流體密度是指單位體積內(nèi)所含物質(zhì)多少。如果流體密度均勻，則有：
（2-1）
在公式2-1中，ρ為該流體的密度。m為對應(yīng)流體的質(zhì)量，V為對應(yīng)流體的體積。對于不均勻的流體，流體的密度每一處均不相同，所以流體的密度公式采用微分形式，表示某一點處流體的密度。
（2-2）
流體密度的重要性質(zhì)是它的值會隨著壓強和溫度的變化而改變。
2）流體的壓縮性
流體的壓縮性是指隨著外界條件(如外界壓強以及流體的溫度)的改變，流體的密度和體積發(fā)生變化的現(xiàn)象。描述流體壓縮性常用的兩個量是：（1）流體的等溫壓縮率β；（2）流體的體積膨脹系數(shù)α。
流體的等溫壓縮率β的定義如下：
(2-3)
由式2-3所示，該式表示溫度的恒定時，每增加單位壓強所產(chǎn)生的流體體積相對變化率。
流體的體積膨脹系數(shù)α定義為：
（2-4）
由式2-4得到，壓強恒定時，增加單位溫度所產(chǎn)生的流體體積相對變化率。
在對流體問題進(jìn)行分析時，考慮流體的可壓縮性時，我們把該流體成為可壓縮流體，如果不考慮流體的可壓縮性，我們把該流體稱為不可壓縮流體。在本文中，考慮到氣霧冷卻系統(tǒng)中流體處于穩(wěn)定狀態(tài)，溫度和壓強不發(fā)生變化，所以，對待該流體問題，我們可以忽略其可壓縮性。
2.3FLUENT軟件求解
FLUENT程序軟件由以下軟件組成：
1）GAMBIT軟件，主要用于幾何模型的建立和對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格生成。
2）FLUENT軟件，主要用于對于流體問題的模擬求解。
3）prePDF軟件，主要用于PDF燃燒過程的模擬。
4）TGrid軟件，主要用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成生成體網(wǎng)格。
5）Filters軟件，將其他程序的網(wǎng)格進(jìn)行轉(zhuǎn)換，用于FLUENT計算。
本課題中的流體問題主要使用了FLUENT程序軟件中的GAMBIT和FLUENT進(jìn)行計算模擬。
對于FLUENT求解方法，有：
（1）非耦合求解；
（2）耦合隱式求解；
（3）耦合顯式求解；
對于高速可壓縮流動，需要考慮體積力的流動，求解該流體問題需要網(wǎng)格比較密集，一般采用耦合隱式求解；本課題流體問題相對簡單，可以采用默認(rèn)的非耦合求解方式求解。
在設(shè)置邊界條件時，本文中出現(xiàn)的流體問題，進(jìn)口壓力和出口壓力已知，所以采用了Pressure-inlet以及Pressure-outlet，設(shè)置進(jìn)口邊界條件為壓力入口（Pressure-inlet）代表進(jìn)口流量或流動速度未知而流體入口處壓力已知的情形；而出口邊界為Pressure-outlet表示了該流體問題中流體出口上的靜壓是定值，本課題中的流體出口為外界大氣壓。
3氣霧冷卻設(shè)備的設(shè)計
3.1氣霧冷卻設(shè)備方案
3.1.1模型的建立和參數(shù)設(shè)置
在模具鋼進(jìn)入氣霧冷卻區(qū)域時，氣霧冷卻設(shè)備中的流體水和氣的參數(shù)都達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，這樣才可以使得模具鋼在冷卻過程中水霧時刻是等強度的。因此，我們只需要研究氣霧冷卻設(shè)備中達(dá)到穩(wěn)態(tài)的流體，不需要考慮流體的過渡過程。對于管內(nèi)流體，其溫度基本保持不變，所以可以忽略其熱交換過程。水可視為定常不可壓縮粘性流體流動，其控制方程只有連續(xù)性方程和運動方程，在劃分網(wǎng)格時，將噴嘴處的網(wǎng)格加密，以獲得較高的計算精度[21]。
對于氣霧冷卻設(shè)備中的流動情況，我們可以劃分它的邊界條件為：進(jìn)口邊界(PRESSURE-INLET)、出口邊界（PRESSURE-OUTFLOW）、壁面邊界（WALL）。對于進(jìn)口邊界條件的設(shè)置，由于水流經(jīng)過較長管道的運動，可以認(rèn)為它的流速和壓力是均勻的。所以進(jìn)口邊界條件設(shè)為P=0.5MPa。設(shè)置噴嘴的出口邊界時，由于噴嘴的流速是未知的，而它的壓力是常數(shù)即外界大氣壓，設(shè)P=0.1MPa。
將假設(shè)好的方案進(jìn)行建模，用FLUENT軟件分析時，為了簡化計算，節(jié)約時間，并且反應(yīng)噴嘴出口的流量分布，我們采用了二維模型，從而定性的分析出噴嘴出口流量曲線形狀。為了使模具鋼得到均勻冷卻，理想狀況下的噴嘴的流量曲線應(yīng)為中凸類拋物線。
3.1.2氣霧冷卻設(shè)備方案設(shè)計
氣霧冷卻設(shè)備的方案類型
1）氣霧冷卻設(shè)備方案設(shè)計一
圖3-2所示為氣霧冷卻系統(tǒng)方案一，即在管道左側(cè)通入水和氣，由焊接在管道上的17個噴嘴噴出流體。
圖3-2 設(shè)計方案一圖示
對于氣霧冷卻設(shè)備方案設(shè)計一，假設(shè)17個噴嘴均勻分布，并且每個噴嘴之間的距離均為50mm，其它外形尺寸如圖3-2所示。在模型簡化時，由于用FULENT軟件對水和氣的管道同時建模屬于二相問題，處理起來復(fù)雜，忽略里面流動氣體管道的影響，將氣的作用視為對水的吹散，以便形成氣霧。為了使計算方便，我們采用二維模型，在本章的設(shè)計方案中，均采用二維模型。通過FLUENT軟件的分析，我們可以得到氣霧冷卻設(shè)備中的流體在管道內(nèi)的速度云圖和從噴嘴口噴出流體的流速圖，如圖3-3所示和圖3-4所示。
圖3-3 流體在管道中流動的速度云圖
圖3-4 從噴嘴口噴出流體的流速圖
根據(jù)圖3-4，將17個噴嘴從左到右編號。17個噴嘴中噴出的流體平均流速如表3-1所示。
表3-1 氣霧冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案一中從噴嘴口噴出的流體平均速度
噴嘴號
速度（m/s）
噴嘴號
速度（m/s）
1
6.2350
10
12.4979
2
7.1343
11
16.1098
3
7.8488
12
14.9327
4
8.6484
13
11.0465
5
9.3793
14
0.6674
6
9.9974
15
22.9997
7
10.7211
16
23.3007
8
11.4472
17
21.5902
9
11.9658
根據(jù)表2-1做出設(shè)計方案一中從噴嘴噴出流體的平均流速曲線，如圖3-5所示。
圖3-5 設(shè)計方案一的從噴嘴口噴出流體的平均流速曲線
根據(jù)圖3-5所示，這種方案所得到的流體曲線為右側(cè)噴嘴流量相對較大，左側(cè)流量相對較小的曲線。流速在1～11號噴嘴間流速緩慢增大，在12～14號噴嘴間，流速曲線突然遞減，在14～17號噴嘴間，流速突然增大。我們可以通過改變噴嘴間距使設(shè)計方案一的的流體曲線呈現(xiàn)中凸曲線形狀。但是通過改變噴嘴間距使得噴出的流體呈中凸曲線的方法會使得設(shè)計復(fù)雜，同時，該方案適用于空間較小的情況下。由于氣霧冷卻設(shè)備的空間足夠，所以可以考慮更佳方案。
2）氣霧冷卻設(shè)備方案設(shè)計二
如圖3-6所示，氣霧冷卻設(shè)備方案二由管道上端通入水和氣，并且由供水管和供氣管下端的17個噴嘴噴出流體。并且將17個噴嘴從左至右分別編號。
圖3-6 設(shè)計方案二簡圖
在氣霧冷卻設(shè)備設(shè)計方案二中，假設(shè)17個噴嘴均勻分布，并且噴嘴間間距均為50mm，其它外形尺寸如圖3-6所示，通過GAMBIT軟件建模，并且用FLUENT軟件分析可以得到氣霧冷卻設(shè)備設(shè)計方案二中的流體在管道中流速分布云圖和從噴嘴口噴出流體的流速如圖3-7和圖3-8所示。
圖3-7 設(shè)計方案二的管道中流體流速分布云圖
圖3-8 噴嘴噴出流體的流速圖
根據(jù)FLUENT軟件分析，可以得到氣霧冷卻設(shè)備設(shè)計方案二中17個噴嘴噴出的流體平均流速表，如表3-2所示。
表3-2 方案設(shè)計二中從噴嘴噴出流體平均流速表
噴嘴號
速度（m/s）
噴嘴號
速度（m/s）
1
15.5994
10
18.5828
2
14.5697
11
11.3088
3
8.0057
12
6.8670
4
12.2928
13
3.3597
5
2.0265
14
1.0800
6
2.4761
15
3.6734
7
7.2091
16
6.8801
8
17.1569
17
14.6317
9
21.8614
根據(jù)表3-2中的數(shù)據(jù)做出從噴嘴口噴出流體速度曲線，如圖3-9所示。
圖3-9 設(shè)計方案二的從噴嘴口噴出的流體平均速度分布曲線
觀察氣霧冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案二中從17個噴嘴口噴出的流體平均流速曲線，發(fā)現(xiàn)所做出的流體曲線為中間凸但是兩側(cè)也凸的曲線即中間噴嘴和兩側(cè)噴嘴噴出流體的流速較大，其余部位的噴嘴噴出的流體流速相對較小。雖然通過改變噴嘴分布使得噴出的流體曲線特性，使其僅具有中凸特性，但是調(diào)節(jié)過程相對復(fù)雜，用時也比較多。因此我們可以考慮更佳方案。
3）氣霧冷卻設(shè)備設(shè)計方案三
如圖3-10所示，氣霧冷卻設(shè)備設(shè)計方案三中，設(shè)置兩根對稱管道通入水或氣，并且由供水管和供氣管下端的17個噴嘴噴出流體。
圖3-10 設(shè)計方案三的簡圖
在氣霧冷卻設(shè)備設(shè)計方案三中，假設(shè)17個噴嘴均勻分布，并且噴嘴間間距均為50mm，其它外形尺寸如圖3-10所示，通過GAMBIT軟件建模，使用FLUENT軟件分析得到氣霧冷卻設(shè)備設(shè)計方案三的流體在管道中流動時流速分布云圖和從17個噴嘴噴出的流體流速圖。如圖3-11和圖3-12所示。
圖3-11 設(shè)計方案三的流體在管道中流動時流速云圖
圖3-12 設(shè)計方案三的從噴嘴口噴出流體速度分布
使用FLUENT軟件分析氣霧冷卻設(shè)備設(shè)計方案三的模型，可以得到從17個噴嘴口噴出的流體平均流速數(shù)據(jù)表，如表3-3所示。
表3-3 方案設(shè)計三的從噴嘴口噴出流體的平均速度表
噴嘴號
速度（m/s）
噴嘴號
速度（m/s）
1
6.6016
10
7.4486
2
8.0324
11
8.3878
3
17.7286
12
12.6420
4
20.9877
13
19.2868
5
17.6464
14
21.2765
6
7.2786
15
19.7229
7
2.6185
16
15.9640
8
10.3218
17
11.0915
9
13.8223
根據(jù)表3-3中的數(shù)據(jù)做出設(shè)計方案三中從噴嘴噴出流體的平均流速分布曲線，如圖3-13所示。
圖3-13 設(shè)計方案三的噴嘴速度分布曲線圖
觀察氣霧冷卻設(shè)備設(shè)計方案三的流體曲線，可以發(fā)現(xiàn)該曲線有三處凸起，并且有兩處凸出曲線部分對應(yīng)相應(yīng)的兩個進(jìn)水管道。根據(jù)對設(shè)計方案三的多次模擬實驗，得出流體曲線有如下性質(zhì)：
（1）曲線中間部分對應(yīng)極大值。
（2）曲線的兩端極大值對應(yīng)進(jìn)水管口。
通過改變噴嘴間距，可以增大4號噴嘴至9號噴嘴噴出流體的速度值，但是實驗起來比較復(fù)雜，所以采用在4號噴嘴與9號噴嘴間增加兩條進(jìn)水管道的方式來增大4～9號噴嘴噴出流體的流速。因此，我們提出了新的改進(jìn)方案。
4）氣霧冷卻設(shè)備設(shè)計方案四
如圖3-14所示， 設(shè)計方案四中由四條進(jìn)水管道通入供水管道，同時，有四根進(jìn)氣管道通入供氣管道，由供水管道和供氣管道下端的17個噴嘴噴出流體。
圖3-14 設(shè)計方案四
在設(shè)計方案四中，采用了17個噴嘴均勻分布的結(jié)構(gòu)，并且設(shè)置噴嘴間間距均為50mm，其它尺寸設(shè)置如圖3-14所示，通過GAMBIT軟件建模，并且使用FLUENT軟件分析得到設(shè)計方案四中流體在管道中流動的速度分布云圖和從噴嘴口噴出流體的流速圖，如圖3-15和圖3-16所示。
圖3-15 設(shè)計方案四中流體在管道中流動速度分布云圖
圖3-16 設(shè)計方案四中從噴嘴口噴出流體的流速
通過FLUENT軟件計算分析，得到從17個噴嘴口噴出流體的平均速度數(shù)據(jù)表，如表3-4所示。
表3-4 方案設(shè)計四中從噴嘴口噴出流體的平均流速表
噴嘴編號
出口流速（m/s）
噴嘴編號
出口流速（m/s）
1
6.5273
10
5.9436
2
7.6340
11
9.3209
3
7.5150
12
17.8070
4
8.2234
13
5.0786
5
8.5872
14
11.9804
6
23.0691
15
13.7065
7
9.8916
16
11.9126
8
5.7783
17
8.4876
9
13.9360
根據(jù)表3-4數(shù)據(jù)做出從17個噴嘴口噴出的流體的平均速度曲線圖，如圖3-17所示。
圖3-17 設(shè)計方案四噴嘴噴出流體的平均流速曲線圖
根據(jù)趨勢曲線所示，曲線近似拋物線。為了使趨勢曲線更加近似拋物線，可以調(diào)節(jié)管道間距和噴嘴間距來調(diào)節(jié)曲線。相比方案設(shè)計一、 方案設(shè)計二、方案設(shè)計三，工作量減小，節(jié)省了時間。
4噴嘴方案的制定
4.1氣霧冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對模具鋼冷卻均勻性的影響因素
氣霧冷卻系統(tǒng)是采用氣霧方式冷卻薄的模具鋼板，其中，
氣霧噴嘴是氣霧冷卻裝置中的關(guān)鍵部件，它的功用就是將管道輸送來的氣、水在其腔內(nèi)結(jié)構(gòu)中混合，噴射出均勻的小液滴到鋼板表面上。理想狀態(tài)的氣霧噴射是在鋼板的橫向斷面方向上（除最邊部外）各點噴水量一樣，但是由于整個斷面布置幾十個噴嘴，是很難達(dá)到均勻分布的。噴嘴管道結(jié)構(gòu)，氣霧噴射由進(jìn)水，進(jìn)氣兩個管道組成，也就是說每個噴嘴的來水，來氣的速度矢量分布均勻，才能保證整個噴霧組橫向上單個噴嘴冷卻強度相等，所以必須對管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
由于每個噴嘴在氣、水管道結(jié)構(gòu)的位置不同，氣、水流動速度不同，不可能做到完全一樣，因而要先根據(jù)噴嘴進(jìn)氣、進(jìn)水管道結(jié)構(gòu)的氣、水量分布特性進(jìn)行分析，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使每個噴嘴的出口速度矢量接近相等。噴嘴噴射的霧滴顆粒均勻，流動穩(wěn)定性接近，才能保證鋼板冷卻均勻，板形平直。
4.2氣霧冷卻系統(tǒng)模型的建立
4.2.1模型的建立
噴嘴的分布采用GAMBIT進(jìn)行建模，用FLUENCE進(jìn)行迭代求解。建模前對實際物體進(jìn)行簡化，方便建模，使工程量減少。由于，噴嘴分布未知，通過假設(shè)噴嘴分布，以及使用FLUENCE多次模擬，得到相應(yīng)得假設(shè)的流量曲線，從中選擇到最佳方案，這也要求我們需要對模型進(jìn)行簡化處理。
模型的簡化
1）由于通入汽的作用主要是將水霧化，不會影響出水口水的流量分布。所以，可以用出水口水的流量曲線代表氣霧冷卻設(shè)備的氣霧流量曲線。同時，用FLUENCE對水管道和汽管道一同建立模型，屬于處理二相問題，模型計算過程也會較復(fù)雜。綜上所述，本課題的模型用水管道代替。
2）由于氣霧冷卻上噴系統(tǒng)和下噴系統(tǒng)噴嘴分布一致，為了簡化計算，可以只考慮下噴系統(tǒng)的噴嘴分布。
3）噴嘴的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在GAMBIT中建立它的模型不方便，采用矩形來代替它的結(jié)構(gòu)，為使噴嘴等效更佳合理化，需要保持實際進(jìn)、出口的水量之比和模型進(jìn)、出口的水量之比為定值。所以設(shè)置等效為噴嘴的矩形的寬為5mm。
4.2.2氣霧冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1）氣霧冷卻系統(tǒng)模型建立
根據(jù)氣霧冷卻設(shè)備的特點，建立了簡化的氣霧冷卻系統(tǒng)模型，如圖4-1所示，為了方便和簡化計算，采用了二維模型。本節(jié)所要做的是設(shè)計氣霧冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且通過調(diào)節(jié)噴嘴的間距使得噴出的流體曲線呈現(xiàn)中凸曲線，所做的是定性分析，雖然二維模型與三位模型比較，存在較大誤差，但是同樣呈現(xiàn)噴嘴噴出流體的曲線特性，所以選擇二維建模。
圖4-1 氣霧冷卻模型
2）邊界條件設(shè)置
對于氣霧冷卻設(shè)備中的流動情況，我們可以劃分它的邊界條件為：進(jìn)口邊界(PRESSURE-INLET)、出口邊界（PRESSURE-OUTINLET）、壁面邊界（WALL）。對于進(jìn)口邊界條件的設(shè)置，由于水流經(jīng)過較長管道的運動，可以認(rèn)為它的流速和壓力是均勻的。所以進(jìn)口邊界條件設(shè)為P=0.5MPa。設(shè)置噴嘴的出口邊界時，由于噴嘴的流速是未知的，而它的壓力是常數(shù)即外界大氣壓，設(shè)P=0.1MPa。管道壁面邊界條件為壁面=0 ，壁面=0。
4.2.3氣霧冷卻系統(tǒng)的噴嘴方案設(shè)計
氣霧冷卻設(shè)備的噴嘴共17個，并且按順序?qū)娮爝M(jìn)行編號1～17號，通過多次假設(shè)噴嘴間距，進(jìn)行多次模擬分析，對每組實驗得出的不同的結(jié)果，并且對每組結(jié)果進(jìn)行EXCEL作圖分析，觀察哪組數(shù)據(jù)的EXCEL圖形的趨勢線最接近中凸曲線圖形，從而確定最佳方案。
1） 根據(jù)方案設(shè)計四的分析，為了使9號噴嘴噴出的流量最大，將7～11號噴嘴間距減小，第一組噴嘴方案如表4-1所示。
表4-1 第一組氣霧冷卻系統(tǒng)噴嘴方案設(shè)計
從
1
2
3
4
5
6
7
8
至
2
3
4
5
6
7
8
9
間距（mm）
50
50
50
50
50
50
50
48
從
9
10
11
12
13
14
15
16
至
10
11
12
13
14
15
16
17
間距（mm）
48
48
48
50
50
50
50
50
對第一組噴嘴方案進(jìn)行GAMBIT建模，將噴嘴位置網(wǎng)格相對其他位置網(wǎng)格細(xì)化，如圖4-2所示。
圖4-2 噴嘴設(shè)計方案一的GAMBIT模型
將GAMBIT模型導(dǎo)入FLUENT軟件中，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，如下所示：
Domain Extents:
x-coordinate: min (m) = -5.150000e+002, max (m) = 5.150000e+002
y-coordinate: min (m) = -5.420000e+002, max (m) = 7.400000e+001
Volume statistics:
minimum volume (m3): 2.500000e-001
maximum volume (m3): 4.282846e+000
total volume (m3): 3.311000e+005
Face area statistics:
minimum face area (m2): 5.000000e-001
maximum face area (m2): 2.204624e+000
Checking number of nodes per cell.
Checking number of faces per cell.
Checking thread pointers.
Checking number of cells per face.
Checking face cells.
Checking bridge faces.
Checking right-handed cells.
Checking face handedness.
Checking face node order.
Checking element type consistency.
Checking boundary types:
Checking face pairs.
Checking periodic boundaries.
Checking node count.
Checking nosolve cell count.
Checking nosolve face count.
Checking face children.
Checking cell children.
Checking storage.
Done.
網(wǎng)格檢查無誤后，根據(jù)FLUENT軟件對方案一的噴嘴分布的模型計算，得到方案一的氣霧冷卻系統(tǒng)流體在管道中流動的速度云圖和從17個噴嘴噴出的流體流速的分布圖，如圖4-3和圖4-4所示。
圖4-3 方案一的氣霧冷卻系統(tǒng)流體在管道中流動的速度云圖
圖4-4 方案一中從噴嘴口噴出流體流速分布圖
使用FLUENT軟件，計算出每個噴嘴對應(yīng)的噴出流體的平均流速，整理數(shù)據(jù)做出表格，如表4-2所示。
表4-2 方案一中從1～17號噴嘴噴出流體對應(yīng)的流速表
噴嘴編號
出口流速（m/s）
噴嘴編號
出口流速（m/s）
1
15.0360
10
15.2174
2
14.1695
11
20.1324
3
14.2768
12
17.0221
4
14.3741
13
13.3141
5
13.5231
14
14.5428
6
17.3626
15
15.4394
7
19.5558
16
15.2825
8
16.0638
17
16.3025
9
18.6740
根據(jù)表4-2中的數(shù)據(jù)做出氣霧冷卻系統(tǒng)中從17個噴嘴噴出流體平均流速的曲線圖，并且使用5次多項式對所做出的曲線擬合，從而得到它的趨勢線，如圖4-5所示。
圖4-5 噴嘴分布方案一的從噴嘴口噴出流體的平均速度曲線
結(jié)論：通過分析圖4-3中管道速度云圖，得出進(jìn)水管道通過四根管道（按從左到右的順序規(guī)定為1～4號管道）進(jìn)入供水管道時，2號和3號管道中流體的流速略大于1號和四號管道中流體流速，這種現(xiàn)象有助于2號和3號之間噴嘴噴出流體的流速略大于其他噴嘴噴出流體的流速，有利于17個噴嘴噴出的流體曲線呈中凸類拋物線形式。但是觀察圖4-5中噴嘴噴出流體的速度曲線，該流體流速曲線接近中凸拋物線，但是1號噴嘴和17號噴嘴噴出流體流速比2號噴嘴和16號噴嘴流體流速略大。
2）根據(jù)噴嘴分布方案一，曲線比較接近中凸曲線，為了使其更加接近中凸曲線的特性。在對噴嘴方案多次模擬實踐中，為了方便調(diào)節(jié)，總結(jié)了下述規(guī)律：噴嘴間距小，對應(yīng)噴嘴噴出流體流量大，同時噴嘴間距大，對應(yīng)噴嘴噴出流體流量小的特點，為了減小1號噴嘴和17號噴嘴噴出流體的流速，同時增大9號噴嘴噴出流體的流速，我們從新設(shè)計了噴嘴分布方案，增大1號噴嘴與2號噴嘴之間以及16號噴嘴與17號噴嘴之間的間距，同時減小了8號噴嘴和9號噴嘴之間以及9號噴嘴和10號噴嘴之間的間距，如表4-3所示。
表4-3 第二組氣霧冷卻系統(tǒng)噴嘴方案設(shè)計
從
1
2
3
4
5
6
7
8
至
2
3
4
5
6
7
8
9
間距（mm）
52
50
50
50
50
50
50
48
從
9
10
11
12
13
14
15
16
至
10
11
12
13
14
15
16
17
間距（mm）
46
46
48
50
50
50
50
52
對第二組氣霧冷卻系統(tǒng)的噴嘴方案設(shè)計進(jìn)行GAMBIT建模，由于噴嘴相對重要，所以將噴嘴位置網(wǎng)格相對其他位置網(wǎng)格更加細(xì)化，如圖4-6所示。
圖4-6 氣霧冷卻系統(tǒng)的噴嘴設(shè)計
方案二GAMBIT模型
將氣霧冷卻系統(tǒng)的噴嘴設(shè)計方案二的GAMBIT模型導(dǎo)入FLUENT軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格檢驗，檢驗結(jié)果如下所示：
Domain Extents:
x-coordinate: min (m) = -5.150000e+002, max (m) = 5.150000e+002
y-coordinate: min (m) = -5.420000e+002, max (m) = 7.400000e+001
Volume statistics:
minimum volume (m3): 1.000000e+000
maximum volume (m3): 4.590988e+000
total volume (m3): 3.311000e+005
Face area statistics:
minimum face area (m2): 1.000000e+000
maximum face area (m2): 2.300018e+000
Checking number of nodes per cell.
Chec