基于COMSOLMultiphysics的汽车风挡玻璃成型模拟方法与流程

本发明涉及成型模拟领域，具体涉及一种基于comsolmultiphysics的汽车玻璃gt成型模拟方法。

背景技术：

汽车玻璃是需要法定检测的安全产品，根据使用部位不同，其拱高、弯曲度、曲率半径等都不同。汽车玻璃根据曲率半径及拱高大小分为浅弯、深弯玻璃。只有一个曲率半径的弯型玻璃为单曲面玻璃，有2个或2个以上曲率半径的弯型玻璃为复合曲面玻璃。一般情况下，角窗为单曲面浅弯玻璃，门窗为浅弯双曲面玻璃，后窗为深弯复合曲面玻璃。由于玻璃的尺寸与形状不同，汽车玻璃需要通过不同的成型、淬冷方法才能达到安装要求。汽车品牌多种多样,档次高低不一,有的专注于高端汽车,比如保时捷(porsche)、奥迪、法拉利等，有的实施系列化战略,从高端到一般汽车的涵盖(如别克)，因此，汽车玻璃也面临几何外观和性能要求的多样化要求。汽车市场竞争激烈，为了获取和保持更多的市场份额，汽车整车制造厂商和汽车零部件厂商均需要快速响应客户需求。近年来，随着科学技术的快速发展和国际竞争的加剧，智能制造是企业转型升级的重要途径。德国、美国、日本、中国等先后部署了相应的制造业发展战略。德国“工业4.0”，“中国制造2025”，美国“工业互联网”等战略规划都旨在抢占战略制高点，以期在新一轮技术竞争中占据主导地位。实现这一宏伟战略目标，必由之路是打造数字化企业，即利用广泛的无缝链接技术，将数字化产品的使用和运行数据持续反馈给产品创新部门，驱动新的创意产生，并提供无限的创意素材。同时，必须采取一体化的整体思路，在产品创意设计、生产制造、运行使用等方面实行全面数字化和自动化，这样才能快速实现个性化创新到交付的高速迭代，持续满足客户的个性化多变需求，储备强大的可持续发展的竞争力。

汽车设计和制造全链条中，数字化模拟仿真的愿景，不论是学术界还是工业界，其实早已经勾画，希望实现从原子到汽车的全链条设计，包括材料设计、工艺设计、结构优化到系统的可靠性。

玻璃成型过程模拟是一项应用广泛、生产中急需解决的课题。热弯成型过程中，具有热粘弹塑性特性的玻璃在高温接近软化状态下进行成型，重力也将对其成型结果产生影响。与其他工业产品成型类似，玻璃的成型在成型工艺及模具设计不合理的情况下，仍然会产生成型缺陷，如贴膜不紧、形状未完全成型和表面裂纹等。目前国内企业在面临这些问题时大多采用试错法，也就是完全凭工程师经验进行大量的实际试验，这种方法的弊端在于对工程师经验依赖性大，经验又难以快速进行有效的积累和传承，多次试验使得产品的生产周期长，成本增加，质量不高。实际生产中的许多制造工艺参数的设计和优化仍基于经验积累和“炒菜式”的反复尝试。而现代模拟仿真技术发展到新水平，可以助推科学研究和技术革新。充分利用基于模型、算法和仿真软件，可以加速研发和设计周期，获得更加优化的材料配方和制造工艺，降低研发和生产成本，为节能减排，提高企业的经济效益和国际竞争力具有重要意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于comsolmultiphysics的汽车玻璃gt成型模拟方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于comsolmultiphysics的汽车玻璃gt成型模拟方法，包括以下步骤：

步骤s1:构建简化加热炉几何模型和平板玻璃原片模型；

步骤s2:根据得到的加热炉几何模型和平板玻璃原片几何模型，以及多场耦合瞬态物理模型，通过comsolmultiphysics软件模拟温度场和应力场来模拟玻璃加热软化过程；

步骤s3:构建成型阳模、成型阴模几何模型；构建阳模、热环及玻璃原片之间的多场耦合瞬态物理模型，并通过comsolmultiphysics软件模拟应力场、温度场模拟热弯成型阶段；

步骤s4:构建冷环几何模型，及热压完毕后，成型玻璃跌落在冷环上的动态多物理场耦模型，并通过comsolmultiphysics模拟成型后玻璃落模阶段，得到玻璃自由跌落过程的仿真结果。

进一步的，所述步骤s1采用solidworks构建简化加热炉模型和平板玻璃原片模型，根据简化加热炉模型和平板玻璃原片模型采用comsolmultiphysics软件模拟温度场和应力场来模拟玻璃加热软化过程。

进一步的，所述步骤s3具体为：

步骤s31:通过matlab对玻璃曲面进行多项式拟合，将拟合结果于comsol中建立参数化曲面；

步骤s32:通过solidworks辅助建模，构建阳模、热环与玻璃原片几何体物理模型，并设置相对应材料属性参数；

步骤s33:根据得到拟合结果和阳模、热环与玻璃原片几何体物理模型，采用comsolmultiphysics软件模拟温度场和应力场来模拟玻璃热弯成型过程。

进一步的，所述步骤s4具体为：

步骤s41:通过matlab对玻璃曲面进行多项式拟合，将拟合结果于comsol中建立参数化曲面；

步骤s42:通过solidworks辅助建模，建立冷环模型;

步骤s43:根据得到拟合结果和冷环模型，采用comsolmultiphysics软件模拟温度场和应力场来模拟玻璃成型后落模过程。

进一步的，所述平板玻璃原片模型为粘弹性模型。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明通过在comsol有限元软件中对玻璃加热软化、热弯成型、落模阶段进行模拟仿真，操作简单方便，大大缩减了实验时间和成本，对汽车玻璃gt成型过程提供理论指导和技术支持。

附图说明

图1是本发明一实施例中模拟加热软化温度场示意图；

图2是本发明一实施例中模拟加热软化应力场示意图；

图3是本发明一实施例中模拟热弯成型三维几何示意图；

图4是本发明一实施例中热弯成型过程应力变化示意图（range（0,5,10））；

图5是本发明一实施例中热弯成型过程应力变化示意图（range（0,5,20））；

图6是本发明一实施例中热弯成型过程应力变化示意图（range（0,5,30））；

图7是本发明一实施例中热弯成型过程应力变化示意图（range（0,5,40））；

图8是本发明一实施例中热弯成型过程玻璃形变过程示意图；

图9是本发明一实施例中落模阶段应力变化示意图；

图10是本发明一实施例中落模阶段位移变化示意图；

图11是本发明一实施例中s1-s4加热、成型、钢化、冷却四个阶段玻璃温度变化示意图；

图12是本发明一实施例中汽车玻璃最大连线处s1-s4过程中形变示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于comsolmultiphysics的汽车玻璃gt成型模拟方法,包括以下步骤：

步骤s1:构建简化加热炉模型和平板玻璃原片模型；

步骤s2:根据得到的加热炉模型和平板玻璃原片模型，通过comsolmultiphysics软件模拟温度场、应力场来模拟玻璃加热软化过程；

步骤s3:构建阳模、热成型环与平板玻璃几何体物理模型，并通过comsolmultiphysics软件模拟应力场、温度场模拟热弯成型阶段；

步骤s4:热压完毕后，构建冷环，并通过comsolmultiphysics模拟成型后玻璃落模阶段，并进行仿真运算得到仿真结果。

本实施例中，模拟汽车玻璃加热软化中，计算完温度场和应力场图如图1、图2所示；包括以下步骤：

（1）物理场模型的建立；

进入软件的主页面，新建选择“模型向导”，选择传热与流体流动物理场，并选择研究为瞬态。

（2）模型的建立：

设定模型整体尺寸为3000mm×3400mm×2700mm，另根据加热丝分布简化分布两侧，轴辊与玻璃原片分布于加热炉中下部。并设定形成联合体。

（3）材料参数的设定：

点击几何体，分别设定加热炉炉体、陶瓷轴辊、玻璃原片、加热元件与空气物性参数。

（4）初始值、域及边界条件的设定：

设定流体、绝缘体、加热元件边界条件，出入口、壁等，辐射传热中环境温度为用户定义，选择为940k。

（5）网格划分：

构分自由剖分四面体网格，对玻璃原片要求网格细化。

（6）计算求解：

在研究中，求解器采用时间步，设定计算步长为10s，起始为90s，停止为14000s。检查设置，计算求解。

本实施例中，模拟汽车玻璃热弯成型中，三维几何模型如图3所示，具体技术步骤如下：

（1）物理场模型的建立；

进入软件的主页面，新建选择“模型向导”，选择结构力学与传热物理场，并选择研究为稳态。

（2）模型的建立：

设定模型通过soliworks测量成型后玻璃曲面点数据，并于matlab进行多项式拟合，将拟合数据导入comsol进行放样，构建阳模、热环模具三维造型，玻璃原片为成型玻璃原片展平模型。并设定形成联合体。

（3）材料参数的设定：

点击几何体，分别设定阳模、热环与玻璃物性参数。

（4）初始值、域及边界条件的设定：

成型模具设定为线弹性材料，玻璃设定为粘弹性材料，材料模型采用为广义的麦克斯韦模型。设定热成型环为固定约束，吸模为指定位移，在z方向上指定位移。固体传热中设定玻璃初始温度为500k-900k。

（5）网格划分：

分别构分自由剖分四面体网格，对玻璃原片要求网格细化，为减少计算量，模具网格尺寸选用较粗化。

（6）计算求解：

在研究中，为稳态求解求解变量的初始值设置为物理场控制。研究扩展中选择辅助扫描，设定位移变量参数range（0,5,40）。过程结果如图4-图7所示、玻璃形变过程结果如图8所示

本实施例中，模拟汽车玻璃落模成型中，计算完，玻璃应力和位移变化如图9、图10所示，具体计算步骤如下：

（1）物理场模型的建立；

进入软件的主页面，新建选择“模型向导”，选择结构力学物理场，并选择研究为稳态。

（2）模型的建立：

设定模型通过soliworks测量成型后玻璃曲面点数据，并于matlab进行多项式拟合，将拟合数据导入comsol进行放样，构建模具冷环三维造型，并与成型后玻璃设定形成联合体。

（3）材料参数的设定：

点击几何体，分别设定冷环与玻璃物性参数。

（4）初始值、域及边界条件的设定：

成型模具设定为线弹性材料，玻璃设定为粘弹性材料，设定冷环为固定约束，玻璃为指定位移。设定接触对，并添加摩擦，摩擦模型为静库伦摩擦，设定静摩擦系数、最大切引力等参数。切向力方法设定为增广lagrangian。

（5）网格划分：

构建自由剖分四面体网格，网格尺寸为细化。

（6）计算求解：

在研究中，为稳态求解求解变量的初始值设置为物理场控制。研究扩展中选择辅助扫描，设定位移变量参数range（0,1,12）。添加编译方程、因变量与稳态求解器，并设定相关参数，进行计算。

加热、成型、钢化、冷却四个阶段分别用s1、s2、s3、s4表示，四个阶段玻璃温度变化示意图如图11所示，汽车玻璃表面最大连线处s1-s4过程中形变示意图如图12所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。