（化工过程机械专业论文）pet饮料瓶成型过程仿真及系统开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 注射拉伸吹塑是仅次于注射成型和挤出成型的第三大塑料成型方法，广泛的 应用于p e t 饮料瓶的成型过程。其成型过程及其复杂，极大的影响吹塑成型瓶 的机械性能及生产成本。因此，国内外学者一直通过各种方法来研究p e t 饮料 瓶的成型过程，力图对拉伸吹塑阶段和冷却固化阶段进行完善的分析，并根据仿 真结果对该过程进行优化。 本论文首先对所使用的材料p e t 进行了介绍，并说明了拉伸吹塑的原理。 给出了拉伸吹塑阶段和冷却固化阶段的控制方程和粘度模型，详细介绍了建立包 括模具、拉伸杆和瓶坯的有限元模型的过程，以及求解拉伸吹塑问题的数学模型 的方法。 使用p o l y f l o w 软件对p e t 瓶成型过程中的拉伸吹塑阶段和冷却固化阶 段进行了仿真，分析了工艺条件、瓶坯结构类型、网格密度等对成型瓶厚度分布 的影响。本文对冷却的分析从拉伸过程开始，能更真实的反映冷却过程中成型瓶 的温度变化情况，并分析了瓶坯初始温度分布对成型瓶厚度的影响。对比了正锥 形瓶坯和倒锥形瓶坯成型过程中的变形和对成型瓶厚度的影响。从理论和仿真的 角度，分析了成型过程中的应力情况，解释了瓶坯变形的原因。结合仿真的结果 和计算中出现的问题，总结了影响p e t 瓶性能的原因。 结合有限元分析的结果和理论指导，进行了成型过程的优化。为了方便优化 过程中大量的有限元模型建立，对p e t 饮料瓶开发了参数化建模的方式。分别 使用遗传算法和p a r i s o np r o g r a m m i n g 方法对瓶坯结构和工艺条件进行了优化。 本文的优化结果对实际生产也有一定的指导意义。 最后，将对p e t 饮料瓶的分析过程及优化分析结果，使用v c + + 语言开发成 p e t 饮料瓶设计仿真分析系统软件平台，并建立了完善的数据库管理系统，该系 统可以很好的应用于工程实际。 关键字：p e t 拉伸吹塑，冷却固化，p o l y f l o w ，遗传算法，仿真分析系统 i i 浙江大学硕七学位论文 a b st r a c t i n j e c t i o ns t r e t c h - b l o wm o l d i n gm e t h o di st h et h i r dm a i nm e t h o df o rp l a s t i c f o r m i n g ，a n di ti sw i d e l yu s e dt om a k ep e td r i n k i n gb o t t l e s i t sf o r m i n gp r o c e s si ss o c o m p l i c a t e dt h a tb o t ht h em a n u f a c t u r i n gc o s ta n db o t t l ep e r f o r m a n c ea r ea f f e c t e d t h u s ，t h ee ) 【p e r t sa th o m ea n da b r o a dh a v e b e e ns t u d y i n gt h es t r e t c h - b l o wa n dc o o l i n g p r o c e s st h r o u g hm a n ym e t h o d s ，s ot h a tt h eo p t i m i z a t i o nc a nb ef i n i s h e da c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o nr e s u l t s f i r s t l y ，p e tm a t e r i a la n dp r i n c i p l eo fs t r e t c h b l o wm o l d i n gw e r ei n t r o d u c e d c o n t r o le q u a t i o n s ，v i s c o s i t ym o d e l so fs t r e t c h - b l o wm o l d i n gp h a s ea n dc o o l i n gc u r i n g p h a s e w e r eg i v e n d e t a i lp r o c e s so ff e mb u i l d i n go fm o l d ，s t r e t c h i n gr o d ，p e r f o r m a n dm e t h o d st os o l v es t r e t c h b l o wm o l d i n gm o d e lw e r ei n t r o d u c e d p o l y f l o ws o f t w a r ew a su s e dt os i m u l a t es t r e t c h b l o wm o l d i n gp h a s ea n d c o o l i n gc u r i n gp h a s eo fp e tb o t t l ef o r m i n gp r o c e s s i t sa n a l y s i sw e r ea b o u t i n f l u e n c e so nb o t t l et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no fp r o c e s sc o n d i t i o n s ，p r e f o r ms t r u c t u r e 够p ea n dm e s hg r i d ，e t c o ft h a t ，t h ea n a l y s i so nc o o l i n gp r o c e s ss t a r t e d 谢t l lt h e s t r e t c h t h es i t u a t i o no ft e m p e r a t u r ec h a n g ec a nb er e f l e c t e dt r u l y t h ei n f l u e n c eo f t h ei n i t i a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nb o t t l et h i c k n e s sw a sa n a l y s i z e d c o m p a r i s o n w a sm a d ea b o u td e f o r m a t i o na n di n f l u e n c e so nb o t t l et h i c k n e s so fp o s i t i v ec o n ea n d n e g a t i v ec o n ep r e f o r m f r o mt h ev i e wo ft h e o r ya n ds i m u l a t i o n ，s t r e s ss i t u a t i o no f m o l d i n gp h a s ew a sa n a l s i z e da n dr e a s o n so fp r e f o r md e f o r m a t i o nw e r eg i v e n c o m b i n e dw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t sa n dp r o b l e m s ，f a c t o r st h a ti n f l u e n c e dp e r f o r m a n c e o fp e tb o t t l ew e r es u m m a r i z e d b a s e do nr e s u l t so ff e ma n dt h e o r y , o p t i m i z a t i o no ff o r m i n gp r o c e s sw a s i m p l e m e n t e d g e n e t i ca l g o r i t h ma n dp a r i s o np r o g r a m m i n gw e r eu s e dt oo p t i m i z e s t r u c t u r eo fp r e f o r ma n dp r o c e s sc o n d i t i o n s o p t i m i z a t i o nr e s u l t sc o u l db eu s e dt o g u i d ea c t u a lp r o c e s s a tl a s t ，v c + + 6 0w a su s e dt od e v e l o ps o f t w a r ef o rp e tb o t t l es i m u l a t i o na n d a n a l y s i s b a s e do na b o v es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o nr e s u l t s d a t a b a s ew a s e s t a b l i s h e d t h i ss y s t e mc a nb eu s e di np r a c t i c ep e r f e c t l y i i l 浙江大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：p e ts t r e t c h b l o wm o l d i n g ，c o o l i n gc o v i n g ，p o l y f l o w ，f e m ，g e n e t i c a l g o r i t h m , s i m u l a t i o na n da n a l y s i ss o f t w a r e i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：涨召翠 签字日期： 2 咖年弓月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：族召 签字日期：2 _ o l o 年3 月 翠 ? 日 日 浙江大学硕士学位论文 致谢 在我的论文完成之际，首先衷心感谢导师郑水英教授。在攻读硕士学位期间， 郑老师在科研和生活方面给了我极大的关心和耐心。由于实际经验较少，论文的 顺利完成离不开郑老师的耐心指导，是她给我指明了论文的方向，帮助我制订了 详细的计划，使我的论文能如期完成。她渊博的专业知识、高尚的人格、严谨的 治学态度、质朴的生活作风、平易近人的处事方式都给我带来了深刻的影响，无 时无刻不在鞭策并感动着我。 同时还要感谢化机所的的各位老师，你们对我学业、生活、工作上的教导和 帮助，我将永记于心。感谢中国矿业大学过程装备与控制工程的所有老师，你们 的指导与帮助，使我积累了扎实的专业基础知识，给了我更高的发展平台。 感谢实验室的师兄师姐师弟们，他们是：刘淑莲、李志海、钟美鹏、孙婷梅、 张鹏峰、刘晓辉、潘亚月、于桂昌、罗挺、刘通、赵鹏、刘振萍，共同生活和学 习的同门情将会是我一生的财富。特别感谢李强，我们一起踏进实验室的门，在 两年多的时间里，不论在课题研究上，还是生活上，你都给了我极大的帮助和鼓 励，谢谢你，祝你接下来的博士生活顺利，科研成果卓著。 感谢我的每一位同学和朋友，是你们让我的学生生涯充满了欢声笑语，感谢 你们曾经给予我的帮助。祝你们在今后的人生道路上一帆风顺，大展宏图。 感谢我的男友谭鹏程，谢谢你给予我的支持和鼓励，用你的关怀与呵护伴我 同行。感谢我的亲人，2 0 几年来你们默默支持着我的学业和生活，用宽容的心 为我打造了一个温暖的港湾，给予我以前行的动力。 感谢所有帮助过、鼓励过我的人。 最后，向评阅论文及参加论文答辩的各位专家和老师们致以诚挚的感谢! 张召翠 2 0 1 0 年0 1 月 于求是园 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 近年来，我国的饮料行业得到了迅猛的发展，饮料的品种也在迅速的增长。 在饮料产品的包装中，采用两轴双向拉伸吹塑方法生产的p e t 饮料瓶，具有良好 的阻隔性、卓越的物理机械性能、表面光泽度高、呈玻璃状外观，并且可以循环 利用，是替代玻璃瓶最合适的塑料包装。目前，p e t 瓶在饮料包装中所占的份额 已经达到了7 0 。随着饮料行业的快速发展以及“循环经济”成为国策，国内各 种p e t 瓶坯的消费量已经超过了上百亿只，p e t 包装行业市场潜力非常巨大n 1 。 p e t 作为饮料包装对食品生产企业而言，多年来人们一直在探索能够取代玻 璃瓶和马口铁罐的包装材料和容器，而塑料是目前可以利用的最佳材料。它具有 重量轻的特点，可以降低运输费用，但不是每种塑料都适用于食品包装。聚酯材 料的出现使食品包装得到了快速发展。最早使用p e t 瓶包装清凉饮料的企业是美 国可口可乐公司，他们用1 ：5 升的聚酯瓶取代1 升的玻璃瓶，结果使销售额上升了 2 7 。之后p e t 容器包装的食品和饮料渐渐成为热门产品。p e t 容器的重量轻和牢 固结实吸引了顾客，受到了市场的欢迎。p e t 材料还有一大优点就是适用性好， 可以制成任何形状。同时还可以加工制成符合人们嗜好的色泽，可以进行文字和 图案印刷。 现代塑料吹塑技术兴起于2 0 世纪3 0 年代，自5 0 年代以来，塑料中空吹塑成型 技术随着聚合物加工工艺研究的发展已经适合吹塑的聚乙烯、聚氯乙烯和热塑性 聚酯等的大规模生产，得到迅速发展与革新。8 0 年代以后，吹塑成型进入了广泛 应用的阶段，并打入之前还认为不大可能或甚至不可能的市场，尤其是汽车工业 领域。塑料中空吹塑成型已成为四大主要塑料加工过程( 即压塑、注塑、挤塑和 吹塑) 之一，在塑料加工领域占有重要的地位。多层吹塑技术也得到了快速的发 展；吹塑成型的生产设备已采用微机、固态电子的闭环控制系统，计算机c a e c a m 技术也日益成熟，且吹塑机械更专业化、更具特色。并且，随着机械自动化的发 展，拉伸吹塑成型可以通过程序来控制生产过程，并能控制拉伸吹塑过程瓶的壁 厚变化。随着对吹塑机理研究的深入，模拟仿真也得到了迅速的发展，开始在制 品质量的预测、控制等方面起着越来越重要的作用 2 1 1 3 ) 。 塑料中空成型的主要优点在于其生产的产品成本低、工艺简单、效益高，其 浙江大学硕士学位论文 突出缺点是它的产品壁厚均匀性不易控制。国i a - j p e t 瓶的主流产品，初期仅局限 于诸如可乐、矿泉水、蒸馏水之类的饮料使用的包装容器，应用中以其优良的性 能及合理的价位获得用户的普遍欢迎，在这些饮料包装成功应用的基础上，近年 来p e t 瓶已在耐热瓶装饮料红茶、绿茶、果汁以及食用油、化妆品、医药、农药 等行业的应用中得到扩展。据报道，1 9 9 6 年我国p e t 瓶的产量为3 0 亿个，1 9 9 8 年 上升为5 0 亿个，2 0 0 0 年达到8 0 亿个，2 0 0 1 年9 0 亿个，2 0 0 2 年达到1 0 0 亿个，2 0 0 4 年13 0 亿个，成为塑料包装材料增长幅度最大的品种。 中空制品的吹塑包括三个主要方法：挤出吹塑、注射吹塑和拉伸吹塑。挤出 吹塑主要用于未被支撑的型坯加工；注射吹塑主要用于由金属型芯支撑的瓶坯加 工；拉伸吹塑包括挤出一拉伸一吹塑、注射一拉伸一吹塑两种方法，可加工双轴 取向的制品，极大地降低生产成本和改进制品性能。此外，还有多层吹塑、压制 吹望、蘸涂吹塑、发泡吹塑、三维吹塑等。但吹塑制品的7 5 用挤出吹塑成型， 2 4 用注射吹塑成型，1 用其它吹塑成型；在所有的吹塑产品中，7 5 属于双向 拉伸产品。 挤出吹塑的优点是生产效率高，设备成本低，模具和机械的选择范围广，缺 点是废品率较高，废料的回收、利用差，制品的厚度控制、原料的分散性受限制， 成型后必须进行修边操作。图1 1 和1 2 分别为挤出吹塑机的工作原理和结构图。 注射吹塑的优点是加工过程中没有废料产生，能很好地控制制品的壁厚和物料的 分散，细颈产品成型精度高，产品表面光洁，能经济地进行小批量生产。另外， 注射吹塑的瓶坯是有底部的。它所生产的容器可以得到密封性好、盖的严的、高 精度的口部端面内表面和螺纹部分。缺点是成型设备成本高，模具的精度要求高； 对于口颈较细而又较深的容器较难以成型；通常适宜生产批量大的小型精制容器 和广口容器，不适宜生产大的容器。 在拉伸过程中p e t 材料发生取向可使分子有序排列，促进结晶，这一过程称 为取向诱导结晶，所形成的晶体称为应变诱导晶体，它能够改变p e t 的内部形态 结构，提高其机械性能、热性能和阻渗性能等。因此，p e t 包装的生产主要采用 型坯注塑后的双向拉伸吹塑成型，即注拉吹的复杂成型工艺h 1 。 注射拉伸成型的成型工艺分为一步法和二步法两种。一步法注拉吹成型就是 瓶子从原料到成型整个生产过程是在一台设备上完成。所以该设备应具有上料、 浙江大学硕士学位论文 塑化计量、注射瓶坯、瓶坯旋转、拉吹成瓶、卸瓶等工序功能，同时还具备多瓶 的热流道浇注系统、瓶坯成型模具、成瓶模具和拉吹装置和气液动系统、多工位 旋转装置、气源及净化系统、加热和冷却系、液压动力系统及计算机控制系统b 1 。 图1 3 为注射拉伸吹塑成型机结构示意图。它省去了重新加热的工序，也缩短了 注塑的时间。二步法是使用单台设备专门生产容器的型坯，然后成型的瓶坯再转 移到另一台设备上进行加温预热、拉伸吹塑等工序完成成瓶。图1 4 即为p e t 饮料瓶二步法生产的实物图。二步法注射拉伸吹塑成型对设备的利用较合理，适 应性较广，且产量比一步法高很多1 。由于型坯的温度分布在很大程度上影响着 成型瓶的性能，所以本文选择二步法的注拉吹过程对p e t 瓶成型过程进行分析。 ；分簿 莲缓巍捧斑唆塑 图1 1连续式挤出吹塑工作原理图图1 2 挤出注塑机的基本结构图 图1 3 注射拉伸吹塑成型机结构示意图 浙江大学砸学位论文 田14p e t 瓶二步浩生产的实物囤 为了能高效生产制品，注射拉仲咬塑常呆用图1 3 所示四工位专用成型机。 这种拉伸吹塑设备的四个工位上分别设置注塑横和吹塑模及其锁模装置，备工位 按圆周布置各相龋90 。，可在同一时问内分别完成瓶坯注塑、瓶坯加热、拉伸 与吹胀和制品脱模四项成型操作。 我国的聚酯容器目前主要局限于双轴拉伸聚酯咬塑瓶。虽然起步较晚，但自 2 0 世纪8 0 年代从日本引入注拉吹p e t 瓶生产线之后，印在以可乐为代表的饮料 包装中取得了很好的效果，随后引进了大量国外先进的注拉吹p e t 瓶生产设备， 同时在消化国外先进技术的基础上，研发了具有自主知识产权、适合我国国情的、 结构简单的二步法p e t 拉仲吹塑机，它与通用注射机配合使用，利用通用注射机 制造的p e t 瓶坯，吹制p e t 双向拉伸瓶。国产二步法双向拉伸p e t 吹瓶机中，有 的机型不仅能生产普通p e t 双向拉伸瓶，还能生产耐热型双向拉伸p e t 瓶，所能 生产的产品的容积基本上覆盖了进口设备所能生产的从几十毫升的小瓶到5 加 仑的大桶的广阔的领域。这些简易式吹瓶机不仅具有造价低廉，机动性强的优点， 而且控制得当也能生产出品质优良、实用性好的双向拉伸p e t 吹瓶，因此得到了 国内外塑料加工界的普遍认同，除了国内大量使用之外，己部分出口外销。 但是，国内针对p e t 包装及瓶坯设计优化所开展的研究尚属空白，高端p e t 包装生产企业的相关设计和生产设备，完全由国外企业所垄断。而迄今为止，国 际上也没有一垂完整实用的p e t 包装设计方法和相关规范，国外企业在进行新产 品设计和开发的过程中，也只能根据以往的经验和试验研究的结果，来确定p e t 包装及瓶坯的设计方案。这其中要经历多次的试验模开发，产品性能校验以及设 浙江大学硕上学位论文 计方案反复的过程，从而导致最终的设计周期较长，产生昂贵的设计和试验费用。 即便如此，作为国外企业的技术核心，相关的公开报道也很少h 1 。 目前，随着原材料价格的上升以及人们环保意识的加强，生产聚对苯二甲酸 乙二醇酯瓶的企业更加重视节约原材料，力求以较轻的件重来满足消费者的要 求，即在保证性能要求的情况下将p e t 瓶做得越来越轻，实现p e t 瓶轻量化。所 以对于p e t 瓶的分析是一个很重要的研究方向，有着明确的现实意义。 1 2p e t 饮料瓶仿真分析系统开发的研究现状 上世纪三四十年代，随着聚合物材料的发展，吹塑成型技术也开始发展。直 到1 9 7 9 年以后，吹塑成型才进入广泛应用的阶段。这一阶段，吹塑级的塑料包 括：聚烯烃、工程塑料- 9 弹性体。吹塑制品的应用涉及到汽车、办公设备、家用 电器、医疗等方面；同时，多层吹塑技术得到了较大的发展；吹塑设备更专业化， 且控制系统更加完善钔。 纵观国内的拉坯吹塑瓶市场，p e t 拉坯吹塑瓶正日益占领市场，为广大用户 所接受。但是在热灌装和可反复灌装瓶方面，急需采用新的热定形拉坯吹塑加工 技术来扩大其应用范围。传统的工艺生产的无定形p e t 瓶，为了得到最佳的透明 性，它们的结晶度维持最小值( 一般取2 0 - 2 5 ) 。一般认为，结晶度增加可以 改进成型瓶的特性，包括其热稳定性和防渗性。为努力优化所有这些特性，必须 采用新的热定形技术，生产结晶度3 0 - 4 5 ，而又不影响透明度的p e t 瓶子。s i d e l 和s c r t 机器系列采用的热定形工艺，将料坯吹胀至瓶子最终尺寸的15 0 ，料坯 随即转送至一个回缩工位，在那里收缩至比成品尺寸稍小一些，这一步大约在 2 0 0 。c 下持续3 0 s ，在结晶发生时聚合物结构中的应力同时释放。瓶子本身达到 17 0 。c - 18 0 。c 的温度，然后传送至1 0 0 。c 温度的模具中，并在那里被吹胀至最终 形状。s i d e l 声称应用这种工艺，每小时每个模腔能生产6 0 0 - 8 0 0 个瓶子，结晶 度为4 5 ，透明性不受影响。这种增加p e t 瓶的结晶性，而不影响透明性的热定 形技术，主要可应用在热灌装瓶方而，特别是用于汁液饮料市场的瓶子。 p e t 饮料瓶的需求迅速增长，各国的研究人员开始不断地追求通过合理的结 构设计和成型过程的理论研究，来扩大应用范围并获得优良的使用性能。在通过 实验方法寻求以最少的原料消耗获得高质量制件途径的同时，发现制品成型过程 中更多的详细信息通过实验难以获得。因为p e t 瓶的拉伸吹塑过程是一个复杂的 浙江大学硕上学位论文 过程，制品质量受多种因素的影响，与吹塑所用的聚合物材料性能、熔融温度、 吹胀工艺条件、冷却时间等因素相关，并且实验周期长、成本高。因此采用数值 分析的方法准确地模拟成型过程，以达到优化工艺、模具等的目的。在过去的二 十多年里，对注拉吹成型过程进行数值模拟分析得到了迅速的发展。下面分别就 p e t 塑料瓶拉伸吹塑过程的研究、冷却和固化阶段的研究、瓶坯优化的研究和二 次开发系统的研究四部分进行详细的叙述和分析。 1 2 1 塑料瓶拉伸吹塑阶段的研究现状 国内外对拉伸吹塑阶段的研究较多，也形成了较完善的模拟结果，和实际值 相差不大，能较好的分析该阶段的机理和影响因素。上海交通大学郑泓等在2 0 0 4 年为了研究注拉吹工艺参数对制品性能的影响，利用p o l y f l o w 软件模拟分析了塑 料瓶的注塑一拉伸一吹塑过程，预测了成型瓶子的厚度分布，并与实测值进行了 对比。文中建立了和实际较符合的物理模型，分析了不同的工艺条件对成型瓶的 壁厚分布的影响，并对产生的模拟结果进行了解释，对于不同的结果可能带来的 实际生产中的缺陷进行了阐述。在该模拟中使用了k b k z 模型描述p e t 的粘弹性的 特点，并给出了使用该模型涉及到的参数。同时对拉伸吹塑成型过程中使用的基 本方程和计算方法进行了解释。最后得到的模拟结果与实验结果基本吻合眇1 。 y a n g 等在2 0 0 4 年提出了注拉吹工艺成型p e t 瓶的非等温有限元模型，本构方 程采用b u c k l e y 玻璃态一橡胶模型的u m a t 形式，使用a b a q u s 软件对拉伸棒、瓶坯 和模具之间的传热进行了模拟优化，完善的建立了材料模型、过程条件、接触模 型、网格等模型，完整的演示了瓶坯成型的全过程，如图1 5 所示。文中使用了 真实的几何尺寸，并对使用壳单元和实体单元进行了对比，解释了选择实体单元 的原因。瓶子厚度和材料均一性数值模拟结果与测量结果基本相符，并发现了工 艺过程中瓶子厚度方向和拉伸方向上的温度、应力、温度降低速率的非线性分布， 尤其是在瓶壁厚的颈部和底部。对比了等温模型和非等温模型，并和测量值进行 比对，展示了瓶坯的初始温度对成型过程的影响u 们。 6 新大学士学位论女 莲| 聩赙礓 赠嘎磋蹰 o 一一， 一l 一 囤l _ 5 经典的饮料瓶成型过程中的变形圉 1 2 2 塑料瓶冷却固化阶段的研究现状 在p e t 饮料瓶成型过程中，冷却和固化阶段占很大一部分时间，约占整个成 型周期的6 0 以上，厚壁制品高达9 0 。因此，提高吹塑制品的冷却效率，可缩 短成型周期，降低能耗，提高生产率。冷却是影响吹塑制品性能的主要因素，冷 却不均匀会使制品各部位的收缩率不同冷却时间过长，直接影响成型周期，降 低生产率；冷却时间太短，会导致成型瓶翘曲和明显的收缩。冷却速率直接影响 制品的最终结晶度，这对要求透明度的饮料瓶是很重要的。此外，冷却和收缩影 响最终饮料瓶的残余应力，进而影响其机械性能。因此，对p e t 瓶成型过程中冷 却和固化阶段的分析研究就显得格外重要。国内外很多学者也致力于寻找更适合 的方法来优化这一复杂的过程“”。 对望料中空吹塑冷却和固化阶段进行数值分析的研究，国内目前研究较少。 天津科技大学陆永胜等在2 0 0 4 年用a n s y s 软件对中空制品的冷却过程进行了模 拟仿真。建立7 玲却过程中的物理模型和传热方程，并以高密度聚乙烯为例，经 过仿真得到了冷却曲线，对中空制品的冷却过程提出了相应的观点。分别对内层 冷却和模具外层冷却进行了详尽的解释。在建立假设的基础上，提出了简化的吹 塑制品冷却的瞬态传热方程。由于吹望制品的厚度一般都比其半径小很多，除制 品的底部之外可近似将制品玲却过程的传热简化为一维传热，即只沿制品厚度的 浙江大学硕上学位论文 方向进行传热n 2 1 。 华南理工大学的黄汉雄等在研究塑料挤出吹塑的机理问题时，对挤出吹塑过 程中的制品冷却阶段进行了分析。分析采用了a n s y s 软件，对挤出吹塑制品的三 维冷却过程进行了模拟和分析。a n s y s 热分析分为稳态传热分析和瞬态热分析两 大类。通过模拟，得出了吹塑制品冷却过程中不同时刻、不同位置的温度分布。 制品外壁很快降到模具温度，但是接近内壁处的区域冷却速率很低，提高内壁的 传热系数能够提高冷却速率。实验中使用数据采集系统通过放置在模腔内不同位 置处的热电偶采集制品厚度方向不同位置的温度。实验结果验证了预测的合理 性。他们还分析了加工参数、制品厚度和塑料与模具材料热性能对制品温度场的 影响。最后得出结论，制品冷却所需的时间近似与其壁厚的二次方成正比n3 1 。 尹沾松等用p o l y f l o w 软件对塑料挤出吹塑冷却阶段的温度场进行了有限元 分析。其建立了冷却阶段的数学模型和边界条件，考虑了不同的内冷方式对冷却 最终结果的影响。并且考虑了不同的初始温度和壁厚对冷却过程的影响，系统完 整的分析了冷却阶段的温度场变化n 钔。 国外对中空吹塑冷却过程研究较多的是英国b r a d f o r d 大学化学工程学院， 首先是：e d - w a r d s ，s u v a n a p h e n 和w il k i n s o n 在1 9 7 9 年对0 7 5 c m 厚的熔融板料 外层承受热传导边界条件，内层承受对流边界条件的冷却和凝固进行了研究，采 用有限差分的数值方法进行了一维瞬时温度场的计算，建立了如图1 6 所示的一 维传热模型。之后他们在1 9 8 1 年对不同条件下的理论值和实验值进行了比较， 实验中外表面的瞬时温度用热电耦测得，内表面温度在制件一离开模具时用辐射 高温计测得。1 9 8 6 年e d w a r d 等人研究了聚丙烯的冷却和固化，这项工作特别注 意使用了在冷却模式下获得的材料热性能参数，这符合实际加工过程，而以往多 采用的是热模式下获得的材料热性能参数。e d w a r d 等人还通过“半瓶”实验论 证其理论预测。图1 7 即为“半瓶”的实验模型图。实验以高密度聚乙烯为原料， 用单螺杆挤出机片状型坯，将型坯吹胀紧贴于一个半瓶模具腔内。开模前，用辐 射测温计测量制品内表面的温度，用高灵敏度的热电偶测量制品外表面的温度， 同时还测量吹胀空气的温度与压力。开模后，用辐射测温计测量制品外表面的温 度，进行实验的结果与文中的理论预测基本一致n 卯n 6 1 。 浙江大学硕士学位论文 7 t g - 儒i i l r c j 挑 彩 爹 0l 图1 6 一维传热模型图1 7“半瓶”实验模型 p r y s t a y 等人运用热图像法对吹塑成型的优化进行了研究，将热图像成像技 术与3 x y 吹塑技术结合起来在线监测制品的温度。这种技术是基于发热体能放出 一些次级射线，这些次级射线可以选择性地被监测。探测到射线的数量可以和的 辐射率，探测波长以及制品的温度相联系。这样热成像的结果可以用来给制品的 壁厚分布和在成形过程中材料行为提供信息。他们利用这种非破坏性、非接触性 的技术实时地测量了制品冷却和固化过程中的温度的分布，以及制品壁厚的分 布。最终通过这项技术可以辨认出制品的厚薄区域的面积，提供制品的收缩率等。 其进行的研究给出了吹塑成型优化的一种思路n7 1 。 中空吹塑冷却主要依赖于模具冷却，内部一般仅仅是空冷，故脱模后内外温 差很大，这不可避免的造成制品性能上的各向异性。对于结晶性塑料，内外结晶 度差别很大，再加上脱模后制件本身的热的再分布，便可能产生翘曲变形。为了 解决这个问题，人们多数着眼于降低制品内表面的温度，主要方法有：设置循环 冷却空气；吹胀后，注入液态二氧化碳；注入高压潮湿空气；利用低温空气等； 上述方法在实际应用中都遇到了各种各样的困难，所以对冷却固化阶段机理进行 清楚的分析，了解其冷却的过程，也有助于从根本上优化冷却阶段，从而得到缺 陷少的p e t 瓶n 2 1 引。 1 2 3p e t 饮料瓶成型瓶坯优化的研究现状 人工神经网络( a r ti f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，简称a n n ) 是由一些称为神 经元的基本部件按一定规则形成的网络，一般包括输入层、隐含层和输出层，输 入层数据经过神经元连接间的权值矩阵连接到各层神经元的求和器，并经过非线 9 浙江大学硕士学位论文 性变换得出输出m 1 。通过样本数据的训练，调整神经元连接间的权值矩阵，模型 能学习并记忆样本数据中输入与输出之间的关系，并基于该关系，在一定范围内 根据输入得出相应输出，达到模拟结果。神经网络具有逼近任意非线性映射的能 力，能仿真并行的输入与输出之间的关系。拉伸吹塑的型坯成型过程受多种因素 共同影响，其成型尺寸具有高度的非线性。因此，人工神经网络逐渐被应用到瓶 坯成型的模拟中。 最早将人工神经网络方法引入吹塑过程的是d i r a d d o 等人，他们利用人工神 经网络法对吹胀阶段进行了两个相逆过程的研究：一是由型坯的尺寸分布预测出 制品的尺寸分布；二是由制品的尺寸分布预测出所需的型坯的尺寸分布。华南理 工大学的黄汉雄带领的课题组近年来采用人工神经网络法对瓶坯成型进行了较 系统的研究。他们在2 0 0 6 年提出了用综合的方法优化瓶坯的方法。该综合的方 法包括有限元方法、人工神经网络方法和遗传算法。优化的流程如图1 8 所示。 遗传算法是由h 0 1l a n d 等于2 0 世纪7 0 年代发展起来的。它是一种以自然选择和 遗传理论为基础，将生物进化过程中适者生存规则与同一染色体的随机信息变换 机制相结合的搜素寻优算法。由于其采用随机运算，对搜素空间无特殊要求，无 需求导，具有运算简单、收敛速度快、全局寻优等优点，因此近年来得到了很快 的发展，并在多方面得到了广泛的应用。神经网络和遗传算法结合起来，可以较 好的弥补彼此的不足，增强彼此的适应能力，拓宽彼此的应用范围，找到了最优 塑料成型工艺参数值。并且此优化方法也可用来改善注射成型的产品设计和确定 合适的注射材料属性等方面n 射。 t h i b a u l t 等人在2 0 0 7 找到一种新的方法，可以自动地为拉伸吹塑过程预测 优化瓶坯单元和优化操作条件。此模拟方法包括使用有限元软件的优化准则自动 迭代。对于瓶坯形状的优化，瓶坯单元为了简化对待可以数学上参数化。并且有 限元的差分技术用于工艺条件的优化上。优化准则通过使用连续二次方程式方 法，优化设计变量。当比较试验结果和提议方法的鲁棒性时，通过工业使用得到 的预测优化结果可以用来讨论其正确性。文中对比了不同的瓶坯形状对模拟结果 的影响。b o r d i v a ln 们等在2 0 0 8 年针对拉伸吹塑过程提出了优化策略。该方法基 于n e l d e r - m e a d 优化法则和使用a b a q u s 有限元模拟的结果。建立目标函数，对 瓶坯的温度分布进行优化，并根据成本函数选择优化准则。 1 0 浙江大学硕士学位论文 厂气、 图1 8p e t 瓶坯优化流程图 1 2 4 塑料瓶成型过程二次开发系统的研究现状 对塑料瓶成型过程的二次开发并没有完整的成品在流通，专家学者们研究较 多的是对主流流体软件f l u e n t 的二次开发。对于p e t 瓶的成型过程，可以参考 f l u e n t 的开发思路进行研究。 华北电力大学曹东波的硕士论文中对二次开发过程进行了较为详细的描述。 其在国内首先提出对f l u e n t 进行二次开发，替代泵与风机性能试验，形成一体化 的优化、辅助制造系统，可大大提高设备改造的效率与质量。电厂热力设备的节 能与改造时，泵与风机占较大的数量比例，用f l u e n t 软件可实现泵与风机改造中 的理论模拟与工程设计制造间的结合。为了充分发挥该软件的强大功能，又能最 大程度的提高其方便性与交互性，作者对其进行了二次开发。其主要思想是基于 f l u e n t 的c a d 构体软件g a m b i t 进行二次开发，用高级语言根据g a m b i t 能识别的 j o u n u r a l 语言规范，构造出能在g a m b i t 中运行的记录文件，简化了泵的构体过程， 同时，为了优化及参数化方便，将各数据与数据库接口，采用基于w e bb r o w s e r 的数据管理方式，方便的对数据进行优化，同时生成新的记录文件同时产生新的 f l u e n t 计算能识别的图形网格文件，这样就将设计优化者从繁琐的图形设计及优 化中解脱出来，专注于对计算方案的确定及计算结果的分析，极大地提高了设计 浙江大学硕上学位论文 优化的效率1 2 1 1 。 瓶坯熔融注塑、拉伸吹胀、冷却和固化是一个成型周期中紧密衔接的三个过 程。目前对各个阶段分别进行研究的较多，而综合考虑气压、温度、高分子材料 性能等因素对全过程进行数值模拟的较少见到报道，因此还有许多研究工作等待 完成。尤其是将整个过程作为一个连贯的整体进行研究，有助于综合分析各种影 响因素，获得更贴近实际的模拟结果。 1 3 计算流体力学及p o l y f l o w 软件介绍 1 3 1 计算流体力学介绍 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 就是通过计算机来 数值计算并图像显示计算结果，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系 统进行分析。计算流体动力学的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域 上连续的物理量的场( 如速度场和压力场等) ，用一系列有限个离散点上的变量 值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关 系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。因此，计算流体动 力学c f d 可以看作是在流体基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒 方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的 流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及 这些物理量随时间的变化情况。 采用c f d 的方法对流体流动进行数值模拟，主要有以下几个步骤：( 1 ) 建立 反映工程问题或物理问题本质的数学模型。( 2 ) 寻求高效率、高准确度的计算 方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法，如有限差分法、有限元法、有限 体积法等。( 3 ) 编制程序和进行计算。这部分工作包括计算网格划分、初始条 件和边界条件的输入、控制参数的设定等。( 4 ) 显示计算结果。 c f d 的长处是适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是非线 性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用c f d 方法则有可能找出满足工程需要的数值解；其次，可利用计算机进行各种数值实 验。再者，它不受物理模型和试验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能 给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和 实验中只能接近而无法达到的理想条件。同时，c f d 也有一定的局限性，数值解 1 2 浙江大学硕上学位论文 法只是一种离散近似的计算方法，有一定的计算误差，需要对建立的计算模型进 行验证；程序的编制及资料的收集、整理与正确利用很大程度上依赖于经验及技 巧。所以要将数值计算、理论分析和实验观测有机的结合。 近十几年来，c f d 有了很大的发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算 法和图解法；c f d 不仅作为一种研究工具，而且还作为设计工具在水利工程、土 木工程、环境工程、食品工程、海洋结构、工业制造等领域发挥很大的作用，广 泛的应用于流体流动、传热、扩散、结构设计等相关的工程问题中1 2 2 1 1 2 3 1 。 1 3 2p o l y f l o v 软件介绍 p o l y f l o w 是采用有限元法的c f d 软件，专用于粘弹性材料的流动模拟。它 适用于塑料、树脂等高分子材料的挤出成型、吹塑成型、拉丝、层流混合、涂层 过程中的流动及传热和化学反应问题。另外p o l y f l o w 在模拟聚合物问题的流动 方面始终领先于其他软件心4 1 。 p o l y f l o w 软件具有以下特点： ( 1 ) 主要包括几个模块：p o l y f l o w 、p o l y d a t a 、p o l y s t a t ，它们由一个主控程 序p o l y m a n 来执行。 ( 2 ) 具有多种多样的粘性模型、内容丰富的粘弹性材料库，这个数据库每年都 在不断地进行更新。 ( 3 ) 在模拟复杂的流变特性流体或者粘弹性流体的时候，主要具有三种模型： 广义牛顿模型；屈服应力模型；粘弹性模型( 拥有多种可扩展的特性) 。 ( 4 ) 所采用的变形网格、接触算法、以及网格重叠技术，保证了计算结果的准 确性。 ( 5 ) 与g a m b i t 、i d e a e 、p a t p a n 都具有数据接口，可以使用他们生成的网格， 并且p o l y f l o w 内部嵌套g a m b i t 软件。 ( 6 ) 吹塑过程中的壳体模型大大减少了工程师的工作量，只需要通过简单地设 定、计算，就可以得到吹塑以后各个部位的厚度、剪切应力、温度等在吹塑过程 中的重要指标参数。 ( 7 ) 在计算挤出过程中的材料混合问题时，使用自由面的方法，多种的自由面 类型为模拟多种类型的挤出混合问题建立了良好的基础。 ( 8 ) 可以用来模拟玻璃熔炉中的电加热问题，并且可以将过程中的导电率定义 浙江人学硕士学位论文 为温度的函数。 p o l y f l o w 具有强大的解决非牛顿流体以及非线性问题的能力，可以解决聚合 物、橡胶、食品、玻璃等加工过程中遇到的等温非等温、二维三维、稳态二l b - 稳态的流动问题。并且其升级和非牛顿流体力学数值模拟技术的发展密切相关， p o l y f l o w 软件集成了当今最新、最完善而适当的运算法则，它的本构方程也是基 于该领域最新的研究成果。它是采用有限元法的c f d 软件，专用于粘弹性材料的 流动模拟。 p o l y f l o w 软件包括5 个主要模块：g a m b i t 、p o l y m a t 、p o l y d a t a 、p o l y s t a t 、 f l u e n t p o st ，它们由一个主控程序p o l y m a n 来执行。其中g a m b i t 是前处理模块， 用于创建几何模型、划分网格、设定边界和子域，用户也可以通过接口直接导入 p a t a r n 、i d e a s 或其他的c a d c a e 软件创建的实体模型或网格模型。p o l y m a t 模块用于创建粘弹性材料库，对实验数据根据用户指定的模型进行拟合。 p o l y d a t a 是数据源模块，用来设定计算类型、物理模型、材料参数、边界条件、 求解方法和数值参数等。p o l y f l o w 实际上是一个求解器，求解p o l y d a t a 设置完 成后输出的数据文件，生成后处理模块可以读取的结果文件。f l u e n t p o s t 是后 处理模块，可以把p