玻璃吹制成型工藝的數(shù)值模擬方法.pdf

1、玻璃吹制成型具有成型動(dòng)作精確、高效和穩(wěn)定的特點(diǎn)，是使用最廣泛、最有效的成型工藝之一。但在實(shí)際生產(chǎn)中存在初模設(shè)計(jì)全憑經(jīng)驗(yàn)、試模周期長(zhǎng)以及如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化與結(jié)構(gòu)化等問(wèn)題，一些關(guān)鍵現(xiàn)象如撲氣環(huán)缺陷和壁厚分布缺乏定量的調(diào)控手段。在全球高度重視低碳經(jīng)濟(jì)、綠色制造的背景下，上述問(wèn)題嚴(yán)重制約著高耗能玻璃行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)與節(jié)能減排，成為企業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。
　　利用數(shù)值模擬技術(shù)解決玻璃吹制成型當(dāng)前存在的問(wèn)題是發(fā)展趨勢(shì)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)界和業(yè)界的高度關(guān)

2、注。然而，目前關(guān)于吹制成型理論和算法的研究還不夠系統(tǒng)、全面和深入;受制于玻璃行業(yè)固有的嚴(yán)格保密機(jī)制，缺乏來(lái)源于生產(chǎn)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，模擬很難用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。迄今為止，在世界范圍內(nèi)尚未有一款專業(yè)的商業(yè)化CAE軟件可以用來(lái)分析模擬吹制成型的全過(guò)程。
　　論文以數(shù)值模擬——實(shí)際驗(yàn)證——指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐為主線，系統(tǒng)地開展玻璃吹制成型理論與算法研究，目標(biāo)是開發(fā)出能用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的吹制成型模擬軟件。論文研究工作包括以下方面:
　　1.根據(jù)吹

3、制成型特點(diǎn)，將玻璃熔體流動(dòng)行為歸結(jié)為拉格朗日描述;基于量綱分析，系統(tǒng)地建立了玻璃吹制成型過(guò)程熔體流動(dòng)與模具傳熱的控制方程。熔體黏度控制采用修正的Vogel-Fulcher模型，并考慮了黏度對(duì)剪切速率的響應(yīng)。
　　2.利用Galerkin法推導(dǎo)得到了熔體流動(dòng)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)求解有限元方程。求解區(qū)域被離散為矩形和三角形單元，在初模成型和成模成型中分別采取每個(gè)計(jì)算步熔體網(wǎng)格均重劃和先形狀檢測(cè)、再判斷是否重劃的策略，最大限度地減少了網(wǎng)格重

4、劃對(duì)計(jì)算效率的影響。
　　3.玻璃吹制成型傳熱屬典型的“急冷急熱”問(wèn)題，通過(guò)在熔體與模具接觸面上引入界面單元，建立了熱—流—固耦合模擬的求解方程。采用扇形分區(qū)法實(shí)現(xiàn)了溫度場(chǎng)的快速重構(gòu);實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合，確定了模具與熔體、空氣間的換熱系數(shù)，模擬的模具溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值具有較好的吻合度。
　　4.以Visual C++為平臺(tái)開發(fā)完成了玻璃吹制成型數(shù)值模擬軟件Glass CAE，累計(jì)完成計(jì)算程序代碼開發(fā)三萬(wàn)余行。通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)

5、:在連續(xù)生產(chǎn)條件下，模具絕大部位的溫度沒(méi)有明顯變化，但型腔壁附近的溫度卻有大幅的周期性變化;首次通過(guò)模擬手段揭示了初坯溫度分布在撲氣環(huán)附近存在突變，該突變是由撲氣環(huán)上下兩段料與模具接觸時(shí)間不同所造成，是吹制成型工藝固有的缺陷;闡明了撲氣環(huán)缺陷產(chǎn)生的機(jī)理，即兩段料溫差導(dǎo)致初坯不一致的膨脹所造成。
　　5.開展了綠色、茶色和普白三種料色產(chǎn)品模擬壁厚與實(shí)測(cè)壁厚對(duì)比驗(yàn)證，模擬的平均準(zhǔn)確度分別達(dá)到了84.52％、83.95％和85.48％。

6、表明論文在理論建模、算法設(shè)計(jì)、程序?qū)崿F(xiàn)以及軟件系統(tǒng)集成方面的研究工作是合理可行、可靠的，軟件能真實(shí)地模擬玻璃吹制成型全過(guò)程，對(duì)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。
　　6.針對(duì)普通重量產(chǎn)品開展了輕量化與結(jié)構(gòu)化模擬優(yōu)化研究，使產(chǎn)品壁厚更趨均勻化，輕重量指數(shù)從1.52降至1.34，達(dá)到輕量級(jí)標(biāo)準(zhǔn);經(jīng)結(jié)構(gòu)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，輕量化后產(chǎn)品性能完全符合GB4544-1996的強(qiáng)制性要求，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品輕量化與結(jié)構(gòu)化的目的，表明軟件能為產(chǎn)品的輕量化結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。<