塑料擠出流動數(shù)值分析及其模具結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化研究.pdf

1、在塑料擠出成型技術(shù)中,模頭設(shè)計是一個重要環(huán)節(jié).擠出模頭設(shè)計的好壞影響著制品質(zhì)量和生產(chǎn)效率等,因而研究擠出模頭的優(yōu)化設(shè)計就顯得尤為重要.對塑料熔體在模頭內(nèi)的流動情況進行數(shù)值分析并進行計算機模擬,可以獲得擠出模結(jié)構(gòu)參數(shù)以及擠出工藝條件與擠出結(jié)果之間的規(guī)律性關(guān)系.所以,對塑料擠出過程進行數(shù)值分析以揭示擠出流動規(guī)律,并利用其分析結(jié)果的反饋信息用于擠出模頭的優(yōu)化設(shè)計,就有著重要的理論意義和實用價值.該文首先在分析擠出模三維參數(shù)化建模方法的不足和實

2、際應(yīng)用中存在問題的基礎(chǔ)上,提出一種基于功能劃分的面向優(yōu)化目標的流線型擠出模參數(shù)化建模方法.該方法采用射線法與比例間隔法相結(jié)合的方法確定入口圓周上的型值點位置,以三次多項式曲線為模腔曲面型曲線,基于對擠出流動影響的功能劃分,實現(xiàn)了面向CAE的參數(shù)化的模型快速構(gòu)建.其次,采用有限元數(shù)值分析方法,深入系統(tǒng)地分析了擠出模結(jié)構(gòu)參數(shù)如分流角、壓縮角、壓縮比和平直段長度等對擠出流動的影響規(guī)律,并考慮了異型材截面形狀分布和尺寸分布對模具結(jié)構(gòu)和擠出流動均

3、勻性的影響.對工程實踐中采用的一些調(diào)節(jié)流動平衡性的模具結(jié)構(gòu)如阻流筋結(jié)構(gòu)和分隔板單獨供料結(jié)構(gòu)等進行了定量分析和數(shù)值模擬,針對分隔板等功能塊結(jié)構(gòu)的有限元建模困難問題,根據(jù)這些結(jié)構(gòu)的幾何特點和擠出流動有限元分析的邊界條件,提出了用約束替代或載荷替代來虛擬設(shè)置這些功能塊結(jié)構(gòu)幾何特征的方法.以分隔板為例詳細分析了該方法的具體實施過程,其分析結(jié)果與采用真實分隔板結(jié)構(gòu)時的分析結(jié)果進行了對比,兩者的均勻性指數(shù)基本一致.最后,在系統(tǒng)分析模具結(jié)構(gòu)參數(shù)對擠出

4、流動影響規(guī)律的基礎(chǔ)上,對于型材主體框架的流道設(shè)計,依據(jù)聚合物流變學理論,以罰有限元法為數(shù)值分析工具,引入最優(yōu)化設(shè)計理論,提出了一種有限元數(shù)值分析和最優(yōu)化設(shè)計理論相結(jié)合的擠出模優(yōu)化設(shè)計方法.該方法在對擠出模具流道結(jié)構(gòu)進行功能劃分的基礎(chǔ)上,以建立流道的三維參數(shù)化模型為前提,基于三維有限元數(shù)值分析結(jié)果,引入最優(yōu)化設(shè)計理論,以模具各功能段主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計變量(可以包括材料物性參數(shù)和擠出工藝參數(shù)),流道最大流量(最大生產(chǎn)率)或流道最大壓力降為約

5、束變量(狀態(tài)變量),模頭出口處型材截面上各個子區(qū)域平均流速的均方差為優(yōu)化目標函數(shù),建立優(yōu)化數(shù)學模型.根據(jù)不同的工程要求,改變研究對象的幾何區(qū)域.根據(jù)研究目的的不同,采用不同的優(yōu)化工具,最終達到研究塑料熔體在模頭內(nèi)的流動規(guī)律和優(yōu)化模頭流道結(jié)構(gòu)參數(shù)使流動平衡的目的.該方法以擠出流動平衡為目標,同時考慮最小橫向流動(cross flow minimization)原則,把有限元分析和最優(yōu)化設(shè)計理論相結(jié)合,既考慮擠出流動的平衡性,又注重模具結(jié)構(gòu)