COMSOL推动铸造技术商业化革新

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1、COMSOL 推动铸造技术商业化革新 数学模拟已经远远超出实验室研发的范围，逐渐成为制造工业中的制胜法宝。法国RocTool公司的成功就 是一个典型的例子。RocTool公司Jos Feigenblum博士说： 很难想象如果没有COMSOL Multiphysics的 帮助，复合型材料快速制模技术能有今天的成就。不得不承认，我们公司的成功和软件强大的仿真能力有 着密不可分的关系。 ”仅仅在五年前，RocTool公司还没有成熟的虚拟仿真技术。在引进COMSOL Multiphysics之后，通过模拟 仿真逐开发出Cage System成型技术。如果没有软件模拟的帮助，RocTool公司很难满足每

2、一个客户不同 的要求。RocTool 是拥有复合型材料快速制模专利技术授权的创新型公司。他们的顾客涉及大型汽车制造、飞机制 造、体育和娱乐设备制造等行业，他们的共同特点是采用轻质高强度复合材料作为主要组件的材料（图 1）。RocTool公司不涉及具体的加工制造过程，主要是为客户提供集成Cage System感应加热方法的生产流水 线的解决方案。由最初15名员工发展起来的RocTool公司去年的销售额已经接近1500万欧元，收入全部 来自于专利授权和咨询服务。图1模具和成型设备样图。RocTool提供技术授权，他们的技术可以用在许多不同类型的成型过程中。 针对不同的材料、形状要求这项技术在应用时

3、差别非常大。 更好的控制模具表面加热利用树脂传递膜成型工艺制作复杂时，模具要有足够高的温度来完成对材料的固化，但是在注入位置却不 能温度过高。一般模具由间距为几毫米的上下两个表面组成。模具一般都是金属材料，常用的给模具加热 有两种方法：模具表面管道中通入热油或者热水，或者将模具放置在加热盘中。这样的话，大量的金属就 需要持续的加热，并根据用途和模具的差异，加热可能需要2050kW功率一天24小时或者一周7天的时 间。完整注入、固化循环过程参数要根据材料成型要求来确定，以环氧树脂为例，需要在90恒温下加热 1520 分钟。RocTool公司的工程师们认为一定存在一种更好更快的方法。Jos Fei

4、genblum博士在五年前攻读博士学位 期间就了解了 COMSOL Multiphysics的计算能力，所以在加入RocTool公司之后的第一件事就是说服工程 管理部门购买COMSOL Multiphysics软件。事实证明这是个伟大的决定。利用COMSOL Multiphysics，他们开发了 Cage Systems技术，这项技术在2004年申请了专利。这个方法 是使用感应线圈包裹金属模具表面，通过频率为15100kHz的高频信号驱动线圈产生感应电流进而形成高 温。由于趋肤效应，感生电流集中在模具距离外表面0.1或0.2mm。模具具有很高的磁导率，在外场作用 下会产生很强涡流，又由于材料本

5、身具有很高电阻，从而可以实现模具表面的局部加热。而模具外部非磁 性材料的传导表面并没有明显受到加热。当线圈被激发后，模具表面加热即刻开始，如果要获得40oC140oC 的温度就需要 200kW 或者更高功率。加热冷却循环可以25 分钟（图 2）。图 2 成型过程示意图。符合材料放到模具上，然后进行冲压成型同时感应电流对模具的上下表面进行加热。 当最终的形状成型后，通过在导管中通入水流对材料进行冷却。最后材料成型样本就可以从模具中取下 利用Cage System技术加工工程师们可以更好的控制温度循环。例如，环氧树脂在注入和固化的过程中模 具需要保持较低的温度。较低温度的模具可以解决注入过程中的交

6、联问题，但是固化过程却需要很长的时 间。然而，Cage系统能够将模具预热到40OC，使得环氧树脂在注入时保持很好的黏度，在固化阶段温度 可以迅速的升高。使用这项技术，可以将许多加工过程时间损耗降低23个数量级。而且Cage系统适用 于很多需要快速加热和冷却的模制工序，并且适用于所有类型的成型过程，包括吹制、挤压、注入、以及 压模。使用感应电流对模具表面加热存在的问题就是可能出现热节。模具表面的形状会影响磁场进而影响感应电 流，在不同形状的模具表面会产生不同的温差，会导致成型（浇铸）材料受热不均，凸面上温度过高，而 凹面上温度太低。造成这种情况的原因是在凸面上形成很高电流密度，所以加热也主要集中

7、在这个区域。然而利用 Cage 系统，工程师们可以在一些区域放置低磁材料表面镶嵌件来控制热量分布并消除热节的形 成。数学建模是决定这些镶嵌件放置位置的主要途径。据统计使用这项技术的成本是常规方法多出1520%左右，然而生产效率的提高将最终成本降低 1520% 左右。例如利用传统的方法生产20000 个自动屋顶需要2 个生产单元，生产成本每个90欧元；使用 Cage 系统生长单元每个成本降低到45欧元。因为Cage系统大幅度缩短了时间消耗，将时间缩短为原来的1/5。 为每个客户量体裁衣在复合材料加工领域，因为没有一个标准的产品，每一个模具必须根据客户对材料和规格需求独立设计。 在这种情况下，CO

8、MSOL Multiphysics就起到了关键的作用。了解了客户的需求之后，RocTool工程师们就 会根据他们的需求建立模型来分析模具表面的磁场，涡流以及焦耳热的分布情况。建立 3D 模型来确定最 佳感应线圈配置，实现有效、均匀加热。材料和形状是工程师们关注的要素，也是他们可以通过仿真确定 的参数。他们首先利用AC/DC模块求出线圈产生的场准静态电磁场，然后利用这些结果得出模具表面的热 能分布（图 3）。图3 对图1 仪器进行模拟结果，磁通量（流线图）和温度分布（彩色图）。紫色线代表线圈的位置。利用这个模型，工程师们可以获得线圈的最佳尺寸、位置、以及热材料性能，来优化时间消耗。通过COMSO

9、L Multiphysics的模拟，他们很快了解了线圈数量和方向位移对于均匀加热的重要性。如果线圈相对于模具来 说不够长，模具的边缘会由于磁场强度过低出现低温区域。通过模拟，RocTool公司的工程师们可以告诉 客户加工过程中的温度循环，以及浇铸过程中的时间消耗，最后还告诉客户们整个制造过程中各个部分的 预计成本。Jose Feigenblum博士介绍说，他们最新的研究进展是如何利用自动调节热场材料来控制热节。这些材料当 温度达到他们的居里温度时磁性就会消失，也就不会再产生感应热。通过改变这些材料的数量和位置，就 可以很好的控制模具表面的温度分布。他们通过建立3D几何模型来研究这些材料的磁场分

10、布，进而确定 材料的温度。当达到居里温度时，再从新计算磁场的分布，找到新的温度分布。他们通过COMSOL脚本实 现循环上述的计算。导入客户的各种 CAD 模型COMSOL Multiphysics另一个重要的模块是CAD导入模块，这样可以很方便把客户提供的CAD数据导入到 COMSOL Multiphysics中进行计算。大量的客户，特别是汽车制造业，一般都采用CATIA CAD系统设计模 型，所以提供的几何数据一般都是IGES或者STEP格式。工程师们利用CAD导入模块将这些几何模型导 入到 COMSOL Multiphysics 中求解模具表面的温度分布。部分模型有时会非常复杂，工程师可以

11、通过简化 几何模型的方法使得模拟更实用。工程师们也常常在模型求解时间和结果的细节上进行权衡。COMSOL Multiphysics的强大后处理显示功能也给RocTool公司的工程师们留下了很深的印象（图4）。当 客户就他们现有的工序提出改进需求时，工程师们能够一小时之内完成模型建立和求解，并以图表的形式 给出加热过程的改进意见。在离开公司之前，就能和客户签订合同。Jose Feigenblum博士说，COMSOL Mutiphysics最有吸引力的是对我们的研发没有限制。可以让我们看 到新的方法和机遇，例如当我们利用他去开发让RocTool公司成功的新技术。因为COMSOLMultiphysi

12、cs 模拟能帮助工程师们研究全3D模型中的过程，省去了很多的实验样本。除此之外，运行这些COMSOL模 型确实有很多的乐趣，特别是当我们面对客户的时候，我们能尽量让他们了解我们为他们所做的一切。 ”4SA否亡 1 - CGkCC-图4模具模拟结果截面区域放大图hot温标表示感应电流密度A/m2)大小,jet温标表示模具中温度K)分布。COMSOL在中国，中仿科技公司(CnTechCo.丄td)凭借个性化的解决方案、成熟的CAE产品线、专业的市场 推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可,目前国内几乎所有知 名大学以及中国科学院下属各研究所都已选择使用COMSOL

13、 Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。 随着中仿科技公司(CnTechCo.丄td)在全国各地的分公司、CAE技术联合中心、CAE培训中心的成立，为广 大客户提供更专业、更周到的本地化技术服务，众多企业也纷纷选用COMSOL Multiphysics作为企业的分 析工具,应用全球最先进制造技术,最终增强企业的核心竞争力,保证了企业持续发展。COMSOL Multiphysics 是一款业界领先的科学仿真软件，主要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。它 的特别之处在于它的多物理场耦合处理能力。从事专业科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面 和方程设置的附加模块；现在已经有的模块有化工、声学、地球科学、高频电磁场、准静态电磁场、传热、 微机电系统、结构力学等模块。软件可以在多种操作系统上使用，包括 Windows 、Linux、Solaris、HP-UX 等系统。其他可选软件包有CAD输入模块、以及COMSOL化学反应工程实验室等。更详细的介绍可参看 中仿科技网站：关于 COMSOLCOMSOL 公司是 1986年在瑞典斯德哥尔摩成立，现在已经在多个国家（比利时、荷兰、卢森堡、丹麦、 芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国、美国）成立分公司及办事处。详细信息请登陆