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模具工业 2017年第43卷第10期 模具CAD/CAM 0引言 轮胎模具是轮胎硫化过程中必不可少的工具 之一， 其结构如图1所示。模具工作时， 其上、 下表 面由150 的热源加热， 热量传递到硫化的胎坯上、 硫化轮胎的胎侧部分。向模具的中模套蒸汽室内 通入160 的过热水蒸气， 热量由中模套通过弓形 座传递到花纹块上， 同时与花纹块接触的胎坯受到 热 分 析 与 热 力 耦 合 分 析 的 轮 胎 模 具 温 度 场 分 布 刘迎 1，赵永瑞1，潘 川 2 （1.中国石油大学 （华东）机电工程学院，山东 青岛266000； 2.青岛金科模具有限公司，山东 青岛266000） 摘要： 以63.5#硫化机使用的1188型号的轮胎模具为例， 模具的型腔由硫化12R22.5规格轮胎的花纹块 与上、 下侧板组合而成， 以此模具结构为模型， 利用ANSYS有限元分析软件， 对模具结构进行了热分 析、 热力耦合分析与结构应力分析， 热分析过程中只考虑硫化机的加热源对模具温度场分布的影响， 热 力耦合分析考虑了热源与受力同时作用下， 模具型腔温度和应力的分布情况。以热分析与热力耦合分 析的结果为依据， 从模具平均温度、 花纹块温度、 花纹块上、 下端温差等方面对2种方法的效果进行了 对比， 给出结构应力分析的模具型腔应力分布曲线与热力耦合分析的模具型腔应力分布曲线。 关键词： 轮胎模具； ANSYS； 热分析； 热力耦合分析； 模具结构； 结构应力分析 中图分类号： TG76;TP391.9文献标识码： B文章编号： 1001-2168 （2017） 10-0001-06 DOI： 10.16787/ki.1001-2168.dmi.2017.10.001 Distribution of temperature field for tire mould based on thermal analysis and thermal uncoupled analysis LIU Ying1, ZHAO Yong-rui1, PAN Chuan2 (1.College of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266000, China; 2.Qingdao Jinke Tire Mold Limited Company, Qingdao, Shandong 266000, China) Abstract: Taking 1188 type of tire mould used in 63.5# vulcanizing machine as an example, the cavity of the mould was made by the pattern block and the upper and lower side plates of the 12R22.5 tire. Taking the mould structure as a model, the thermal analysis, the thermal uncoupled analysis and the structural stress analysis of it were carried out by us- ing the ANSYS finite element analysis software. The thermal analysis was focus on the influ- ence of heating source on the mould temperature field. And the temperature and stress dis- tribution of the mould cavity was considered under the action of both the heating source and the force. The results showed that the stress distribution curve of the cavity based on the structural stress analysis and the thermal uncoupled analysis were obtained by compar- ing the effects of the average temperature of the mould and the block, the temperature dif- ference between the upper and lower ends of the pattern block. Key words: tire mould; ANSYS; thermal analysis; thermal uncoupled analysis; mould struc- ture; structural stress analysis 收稿日期： 2017-05-27。 作者简介： 刘迎 （1991-） ， 女 （汉族） ， 山东德州人， 硕士研究生， 主要从事轮胎模具结构设计与分析工作。 1 万方数据 模具工业 2017年第43卷第10期 硫化机上胶囊提供的内压力作用， 在高温和压力的 作用下， 花纹块上的花纹固化到胎坯上， 胎坯的稳 定性与坚韧性也得到大幅度提高。 图1轮胎模具结构 硫化是轮胎生产的最后一道工序， 模具受到硫 化机施加的合模压力与硫化胶囊提供的内压力作 用， 当胎坯装入模具后， 模具在硫化机合模力及模 具自身重力的作用下， 中模套2和安装环1向下移 动， 花纹块6与弓形座3在中模套2斜平面的压力下 做径向运动， 完成模具的合模动作。同时向硫化机 的中心胶囊内通入一定压力的过热水蒸汽/氮气， 胶 囊在过热水蒸汽/氮气的压力下打开， 对胎坯的内壁 施加硫化压力， 在压力的做用下， 模具的型腔形成 了一个密闭空间， 胎坯在高温高压下开始硫化。 模具在硫化过程中的温度场及应力场对硫化 的轮胎性能有重要的影响。对模具硫化过程中的 温度场与应力场进行模拟研究意义重大， 现采用 ANSYS软件， 以12R22.5规格的轮胎模具为例对模 具型腔内的温度与应力分布情况进行研究。 1模具结构热分析 热分析是模拟模具硫化过程中的温度场分布， 为了进行初步的分析， 只考虑在硫化机的上、 下侧 板与中模套气室在热源作用下的温度分布情况， 不 考虑合模力和内压力的影响。 应用ANSYS进行轮胎模具温度场分析， 采用模 型导入的方法， 在CAXA软件中完成零件的装配与 修改， 为简化结构， 省略螺钉、 导向条等零件。模具 中复杂的结构也进行了相应的简化， 最终的分析模 型如图2所示。 图2轮胎模具模型 热分析遵循热力学第一定律， 即能量守恒定 律， 模具的热分析类型为稳态非线性热分析， 稳态 热分析用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影 响， 可以计算确定不随时间变化的热载荷产生的温 度、 热梯度等参数。稳态热分析流入系统的能量等 于流出系统的能量， 其平衡方程用矩阵形式表现 为： KT=Q 其中,K为传导矩阵， 包含导热系数、 对流系数 等； T为节点温度向量； Q为节点热流率向量。 温度载荷为有限元分析的第一类边界条件， 施 加在模具的上、 下表面与中模套气室边界上， 对模 具上、 下表面施加150 的温度载荷。对中模套气 室施加160 的温度载荷， 对应热平衡方程的节点 温度向量为T。K为传导矩阵， 在ANSYS软件中 设定模具的材料为45钢， 导热系数为47 W/(m K)， 比热容为475 J/(kg )， 密度为7 800 kg/m3， 模型的 长度单位为mm， 故其密度为7.810-6kg/mm3。 热传导为完全接触的2个物体之间或1个物体 的不同部位之间由于温度梯度而引起的内能交换， 在模具的热分析过程中要考虑零件之间的温度传 递， 接触的零件之间应进行接触性质的设置， 现为 稳态热分析， 不考虑作用力的影响， 相邻零件之间 只进行热交换， 在模型中应进行热接触设置， 两接 触面中的导热系数也设定为47 W/(m K)。 进行有限元网格划分， 有限元的类型设定为 PLANE55， 将网格特征设定为轴对称， 最后的计算 时间参照张朝晖1的温模时间， 设定为28 800 s， 使 加热过程中热量作用得到充分的传递， 最终的温度 场分布如图3所示。 1.安装环2.中模套3.弓形座4.下耐磨 板5.底座6.花纹块7.下侧板8.上侧 板9.上盖10.上耐磨板 2 万方数据 模具工业 2017年第43卷第10期 图3模具热分析温度分布 通过热分析的结果可知， 模具温度梯度主要出 现在花纹块上， 花纹块的温度对轮胎的胎面硫化质 量有重要影响， 为了对模具型腔内的温度进行分 析， 在型腔内取9个点， 点的位置如图3所示。 2模具结构热力耦合分析 在实际的工作情况下， 模具工作时受到硫化机 的合模压力以及硫化胶囊提供的内压力作用。为 研究加热过程中模具受到的力对模具温度场是否有 影响， 在热分析的基础上对模具进行热力耦合分析。 热力耦合实际上是热和应力2个物理场之间的 相互作用， 属于耦合场分析问题， ANSYS提供了2种 热应力的分析方法： 直接法与间接法。直接法是指 直接采用具有温度和位移自由度的耦合单元， 同时 得到热分析与结构应力分析的结果， 现采用直接法 进行分析。采用的热应力耦合单元为PLANE223， 单元的特征设定为轴对称2。 热力耦合有限元模型与稳态热分析的模型相 同， 采用同样的导入方法。在前处理器中选择热分 析与结构分析2个选项， 材料的热性能参数与上述 的相同， 材料参照45钢的结构性能参数， 其弹性模 量为210109N/mm2， 泊松比为0.3， 模型采用的单位 为mm， 为了得出正确的分析结果， 需对弹性模量进 行单位换算， 210109N/m2换算为 210103N/mm2。 材料的热膨胀系数设为1.210-6。模具热力耦合分 析中， 材料的比热容、 密度、 导热系数的设定与模具 热分析参数相同。 随后对模型进行有限元网格划分， 采用四边形 网格自由划分， 网格的大小设定为3 mm。在热力耦 合分析过程中， 各零件之间不仅有热量的传递， 还 应考虑两接触面之间的摩擦力， ANSYS提供的摩擦 类型为库伦摩擦， 在接触特性中设定热传导系数为 47 W/(m K)， 摩擦因数为0.2。 模型的载荷分为2个部分， 温度载荷与应力载 荷， 在模具的上、 下表面加载150 的温度载荷， 中 模套气室的内壁加载160 的温度载荷。 模具热力耦合分析中， 模具合模力采用如下公 式计算： F=K （F0+F1）（1） F0=DH （P-P0） tan（2） F1=1/4 （P-P0） D2（3） Q=F/S（4） 式中： K合模力安全系数， 取值范围为1.11.2； D硫化时的胶囊内直径， mm； H硫化时的胶 囊内高度， mm； 中模套倾角； P硫化内压 力， MPa， 乘用胎的P值一般为2.3 MPa； P0大气 压，0.1 MPa； Q合模压力， N/mm2； S模具上 表面的受力面积， mm2。 在模具的工程图中通过测量可以得出上述字 母所代表的数值， 将数值带入上述公式中， 可以得 到施加在模具上表面的合模力大小， 为了便于计 算， 还可以以上述公式为依据， 采用MATLAB编程 软件， 编制计算模具合模压力的界面如图4所示。 图4合模压力计算界面 根据图4界面数据的提示输入相关设计参数， 输入完成后， 单击界面上的 【计算】 按钮， 在界面上 显示出合模压力的计算数值， 单位为N/mm2， 如图5 所示。公式的计算程序是依据上述模具合模压力 的计算公式编写的， 应用在实际工作中， 可以
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