熔噴非織造模頭設(shè)計(jì)中幾個(gè)問(wèn)題的研究.pdf

1、本文對(duì)熔噴非織造工藝中聚合物流體從衣架型模頭入口到噴絲板出口整個(gè)流程中的流動(dòng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上對(duì)熔噴模頭設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究。主要工作涉及以下五個(gè)方面：以歧管線性漸細(xì)規(guī)律的衣架型模頭為對(duì)象，對(duì)流體在模頭內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬，并對(duì)數(shù)值模擬方法的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；以出口流率分布均勻?yàn)槟繕?biāo)，以衣架型模頭主要設(shè)計(jì)參數(shù)為目標(biāo)變量，應(yīng)用進(jìn)化策略分別對(duì)兩種不同歧管漸細(xì)規(guī)律的衣架型模頭進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；在衣架型模頭內(nèi)流體

2、流動(dòng)的數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，分析了模頭內(nèi)流體滯流現(xiàn)象的成因及影響因素，并給出了改善方法；以衣架型模頭的出口速度分布作為噴絲板的入口條件，對(duì)從衣架型模頭出口到噴絲板出口這一區(qū)域內(nèi)流體的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并討論了不同的噴絲孔參數(shù)組合對(duì)各噴絲孔出口處流率分布的影響，且得出了在較優(yōu)的參數(shù)組合條件下各噴絲孔出口處的流率分布均勻性可以優(yōu)于衣架型模頭出口處流率分布均勻性的結(jié)果；最后，對(duì)熔噴非織造模頭的寬幅化設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步研究，主要是討論了通過(guò)多個(gè)衣架型模

3、頭串連拼接為組合模頭來(lái)實(shí)現(xiàn)模頭寬幅化這一技術(shù)途徑理論上的可行性，以及在保證組合模頭橫向流率分布均勻性的前提下，各模頭應(yīng)遵循的拼接條件。
　　 全文共分八章。
　　 第一章對(duì)國(guó)內(nèi)外與本文研究領(lǐng)域相關(guān)的主要文獻(xiàn)進(jìn)行了綜述。
　　 第二章主要介紹了衣架型模頭內(nèi)流體流動(dòng)的三維有限元數(shù)值模擬。為便于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模擬對(duì)象采用歧管簡(jiǎn)單線性漸細(xì)的衣架型模頭，模擬時(shí)流體采用1％CMC水溶液，其流變參數(shù)由高級(jí)旋轉(zhuǎn)流變系統(tǒng)(ARES-R

4、FS)來(lái)測(cè)定。模擬結(jié)果得到了流體在模頭內(nèi)的流動(dòng)向量圖以及模頭內(nèi)的速度分布。通過(guò)觀察模頭中心平面上的流體流動(dòng)向量圖，發(fā)現(xiàn)歧管中的流體并非全部沿歧管軸向流動(dòng)，流體從歧管過(guò)渡到狹縫時(shí)，其流動(dòng)方向也并不完全沿模頭縱向，這與一維解析設(shè)計(jì)中的假設(shè)條件是不相符的。從成型面上的流體流動(dòng)速度向量大小看出，在整個(gè)模頭寬度上，流體速度呈中間低兩端高的分布趨勢(shì)，且這種趨勢(shì)一直保持到模頭出口處。另外，模頭出口處的速度分布曲線還反映出壁面無(wú)滑移條件的影響，盡管模頭

5、內(nèi)是呈中間低兩端高的速度分布趨勢(shì)，但近壁面處的流體速度還是很低。文中還對(duì)一維解析設(shè)計(jì)線性漸細(xì)歧管衣架型模頭內(nèi)的流體流動(dòng)進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示，模頭出口處的速度分布較歧管簡(jiǎn)單線性漸細(xì)衣架型模頭均勻得多。
　　 第三章利用粒子圖像測(cè)速儀對(duì)第二章歧管簡(jiǎn)單線性漸細(xì)衣架型模頭內(nèi)流體流動(dòng)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)衣架型模頭中心平面上的流動(dòng)向量圖來(lái)對(duì)比流體在模頭內(nèi)的流動(dòng)情況發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好；而通過(guò)中心平

6、面出口處的速度分布對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者也非常接近，CV％值分別為21.3228％和23.8308％。模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合程度說(shuō)明了本文所采用的數(shù)值模擬方法是有效的。
　　 第四章分別對(duì)歧管簡(jiǎn)單線性漸細(xì)和歧管基于一維解析設(shè)計(jì)線性漸細(xì)的兩個(gè)不同衣架型模頭進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。文中以模頭中心平面出口處流率分布的變異系數(shù)CV％值為目標(biāo)函數(shù)，以模頭的狹縫寬度和歧管角度為目標(biāo)變量，應(yīng)用進(jìn)化策略對(duì)目標(biāo)變量進(jìn)行搜索尋優(yōu)。針對(duì)搜索到的目標(biāo)變量值，通過(guò)數(shù)值

7、模擬計(jì)算其對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，如此不斷地尋優(yōu)、模擬和計(jì)算，直到達(dá)到規(guī)定的終止條件，最后以最小的目標(biāo)函數(shù)值和其所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)變量值作為最優(yōu)結(jié)果。對(duì)上述兩種模頭的優(yōu)化結(jié)果，就歧管簡(jiǎn)單線性漸細(xì)的模頭而言，其出口處寬度方向上的流率分布CV％值從22.0586％降到了1.772％，降幅很大；而歧管基于一維解析線性漸細(xì)設(shè)計(jì)的模頭，其優(yōu)化結(jié)果更好，CV％值從2.9501％降低到了0.9465％，只是降幅沒(méi)有前者大。這是由于基于一維解析設(shè)計(jì)的歧管線性漸細(xì)模

8、頭其原來(lái)寬度方向上的流率分布就優(yōu)于前者。優(yōu)化結(jié)果說(shuō)明本文所建立的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是可行有效的。
　　 除了衣架型模頭出口處速度分布的不勻會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量外，由于模頭內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)各點(diǎn)的速度不同，特別是那些速度很低的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的滯流現(xiàn)象同樣會(huì)對(duì)屬于高聚物的熔噴非織造產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。因此，本文第五章以優(yōu)化后的一維解析設(shè)計(jì)歧管線性漸細(xì)衣架型模頭為對(duì)象，在流體流動(dòng)數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)模頭內(nèi)的滯流現(xiàn)象進(jìn)行了分析和討論。通過(guò)考察模頭出口面

9、上的流體在模頭內(nèi)的經(jīng)歷時(shí)間發(fā)現(xiàn)，在平均經(jīng)歷時(shí)間0.47s以下的區(qū)域約占整個(gè)出口面的67％，主要分布在靠近模頭中心平面和對(duì)稱面處，模頭端部且靠近壁面處是出口面上流體經(jīng)歷時(shí)間最長(zhǎng)的區(qū)域，在3.60s～7.19s之間，但這部分區(qū)域很小，約占整個(gè)出口面的0.28％。其它經(jīng)歷時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的區(qū)域在0.47s～3.60s之間，主要分布在靠近壁面以及模頭端部靠近中心面的地方，約占出口面的32.72％。結(jié)合模頭內(nèi)流體流動(dòng)的三維速度分布進(jìn)一步分析得出，流體

10、在模頭內(nèi)的滯流現(xiàn)象是由流體流動(dòng)時(shí)在模頭壁面附近存在一個(gè)慢速區(qū)所致，慢速區(qū)的大小直接影響滯流的程度。為討論影響滯流現(xiàn)象的因素，本章對(duì)滯流區(qū)進(jìn)行了定義，通過(guò)對(duì)比滯流區(qū)的大小發(fā)現(xiàn)模頭的設(shè)計(jì)參數(shù)，如歧管角度和狹縫寬度，以及聚合物流體的非牛頓性對(duì)滯流區(qū)的大小都有一定影響。此外，通過(guò)對(duì)比滯流區(qū)大小和出口面上的流體經(jīng)歷時(shí)間發(fā)現(xiàn)，歧管截面為淚滴形的衣架型模頭內(nèi)流體的滯流現(xiàn)象要輕于歧管截面為圓形的衣架型模頭。
　　 在熔噴工藝中，流體在經(jīng)過(guò)衣架型

11、模頭的分配后，還要流經(jīng)噴絲板，通過(guò)噴絲板上的噴絲孔來(lái)轉(zhuǎn)變成流體細(xì)流。因此，各噴絲孔出口處流體流率分布的均勻性才最終影響熔噴產(chǎn)品的橫向均勻度。為此，本文第六章以優(yōu)化后的一維解析設(shè)計(jì)歧管線性漸細(xì)衣架型模頭作為噴絲板的前置部件，用它的出口速度分布作為噴絲板的入口條件，對(duì)流體在噴絲板內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，流體在流經(jīng)噴絲板后，由于噴絲孔的影響，噴絲板出口處的速度分布呈現(xiàn)微小波動(dòng)狀態(tài)，CV％值也由入口時(shí)的0.9465％升高到了1.8

12、140％。為此，本文第六章進(jìn)而就不同噴絲孔參數(shù)的組合對(duì)各噴絲孔出口處的速度分布影響進(jìn)行了研究。文中對(duì)3種噴絲孔直徑和3種噴絲孔密度的兩兩組合，共9個(gè)方案進(jìn)行了流體流經(jīng)噴絲板的數(shù)值模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同噴絲孔直徑和噴絲孔密度的組合對(duì)各噴絲孔出口處的速度分布具有不同的影響。在討論的9個(gè)方案中，方案4為最佳，其噴絲孔直徑為0.3mm，噴絲孔密度為12孔/厘米。流體在流經(jīng)此參數(shù)組合的噴絲板后，各噴絲孔出口處的速度波動(dòng)最小，速度分布CV％值也最小，

13、為0.6518％，且小于入口處的速度分布CV％值0.9465％。
　　 第七章對(duì)熔噴非織造裝備衣架型模頭寬幅化的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了討論。在模頭的其它條件不變的情況下，由于模頭的高度、狹縫的變形、模頭出口處流率分布的不均勻性等均會(huì)隨著模頭寬度的增大而增大。因此，通過(guò)單純?cè)黾幽ｎ^寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)模頭寬幅化不是理想的技術(shù)途徑。然而，通過(guò)多個(gè)小寬度衣架型模頭串連拼接以形成組合模頭來(lái)實(shí)現(xiàn)模頭寬幅化將有可能解決上述單個(gè)衣架型模頭在寬度增大后的弊端。文

14、中用兩個(gè)優(yōu)化后的小寬度衣架型模頭進(jìn)行了串連拼接，拼接后的組合模頭有兩個(gè)入口，一個(gè)出口，拼接處無(wú)壁面阻隔，整個(gè)模頭融為一體。通過(guò)對(duì)流體在組合模頭內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，組合模頭繼承了單個(gè)衣架型模頭對(duì)流體的分配特性，但在拼接處附近一小塊區(qū)域存在明顯的局部速度不勻，從而影響組合模頭整體寬度上流率分布的均勻性。通過(guò)調(diào)整拼接位置發(fā)現(xiàn)，在兩個(gè)模頭相鄰端部不同位置拼接時(shí)，組合模頭拼接處的速度分布不同。隨著拼接位置離模頭端部距離的增大，組合模頭拼接處

15、的速度分布會(huì)由下凹狀逐漸變?yōu)樯贤範(fàn)?。文中通過(guò)二分法對(duì)拼接位置進(jìn)行多次調(diào)整得出，當(dāng)拼接位置離模頭端部的距離為單個(gè)模頭整個(gè)寬度的0.625％時(shí)，能基本消除拼接處的速度不勻。此時(shí)組合模頭出口處寬度方向上速度分布CV％值為0.782％，低于單個(gè)衣架型模頭的速度分布CV％值0.9465％。由此說(shuō)明，用多個(gè)小寬度模頭在恰當(dāng)位置進(jìn)行串連拼接以形成組合模頭來(lái)實(shí)現(xiàn)熔噴非織造模頭的寬幅化是一條可行的技術(shù)途徑。
　　 第八章是全文的總結(jié)與展望。對(duì)本文