（机械制造及其自动化专业论文）水下切粒机的模板研究与分析.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：造粒设备是石化行业的重要加工机器。随着聚合物加工行业的兴起，水下 切粒机作为一种高效造粒装置，日益受到加工行业的青睐。模板作为水下切粒机 组中的关键部件，在切粒过程中起到至关重要的作用，它通常处于高温、高压、 腐蚀、高摩擦的工作环境下，因此长时间的使用后，难免会出现模板损坏的现象。 而进口切粒模板价格昂贵，且交货周期过长，通常会耽误正常的生产，从而影响 和制约了聚合物加工行业的发展。为了快速掌握水下切粒机的主要性能和节约实 验分析成本，特对其进行数值模拟分析。 本文对水下切粒机组进行了设计，并且以实际生产中模板出现的损坏现象为 基础，对模板的流场、温度场、压力场进行了模拟仿真。采用的方法步骤为：数 值方法的确定、物理模型的建立、数学模型的建立、数值模拟仿真实验。 流场的模拟仿真结果表明：熔融聚合物的流动速度随着模孔直径的不断变小 而增大，同时模孔内部因流场变化而带来的压强也出现变化，随着模孔的变小压 强不断增大且呈现梯度状。温度场的模拟仿真结果表明：模板受冷却水作用的影 响，在切粒面附近的温度最低，离切粒面越远，模板的温度越高；温度场热通量 的云图将温度的分布和大小方向展现出来。压力场的模拟仿真结果表明：切粒模 板的应力最大值出现在模孔间连接处，在凸台根部圆角处也出现应力最大值；当 改变圆角大小，模板的应力最大值出现变化；圆角的大小与应力大小并不是成正 比或反比关系，在r 1 2 时出现最大值，在r 1 3 9 时出现最小值。 对切粒机模板的数值分析与研究，为模板结构的优化设计提供了一些可靠的 理论依据，对实际生产也有指导性作用。 关键词：水下切粒；模板结构；模板流场；模板温度场；模板压力场 分类号：t q 0 5 0 1 ；t q 3 2 0 5 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：1 1 l l ep e l l e t i z i n ge q u i p m e n ti sa ni i l l p o r t a n tp r o c e s s i n gm a c h i i l e r yf o r t h ep e 缸o c h e i i l i c a li n d u s 仃y w i mt h er i s eo ft 1 1 ep o l y m e rp r o c e s s i n gi n d u s 仃y 唧d e r w a t e r p e l l “z e ra sa l 【i 1 1 do f1 1 i 曲e 伍c i e n tg r a 眦a t i o nd e v i c e ，i si i l c r e a s i n g l yf a v o r e db y 也e p r o c e s s i n gi r l d u s 缸y a sak e yc o m p o n e n to ft h eu i l d e m m e rp e l l e t i z e rg r o u p ，d i ep l a ：t e p l a yac m c i a jr o l ei nt 1 1 ep e l l e t i z i n gp r o c e s s ，i tu s u a l l y 、v o r ki i lt h e1 1 i 曲t e m p e r a n l r e ， l l i 咖p r e s s e ，c o 盯o s i o n ，l l i 曲一衔c t i o ne n v 蝇a f 衄l o n g t i i n eu s i n gi t 丽ua p p e a r i i l e v i t a b l yt e m p l a t ed 锄a g ep h e n o m e n o n t h en o m l a lp r o d u c t i o np r o c e s s i n gu s u a l l y d e l a yb e c a u s ei i l l p o n e dd i c e dt e m p l a t ep r i c ei se x p e n s i v e ，a i l d t l l ed e l i v e 巧c y c l ei st o o l o n g ，i ts 嘶0 u s l yh a m p e 血培也ed e v e l o p m e n to f c 1 1 i n a t sp o l 严e rp r o c e s s i n g 砌u s 时i n o r d e r t 0 删c “ym a s t e rt h em a i np r o p e r t i e so f u 1 1 d e n v a t e rp e l l e t i z 堍a n ds a v ec o s t s ，w e e s p e c i a l l yd os o m en 眦e r i c a ls i m u l a t i o n t 1 1 i sa r t i c l ed e s i g n e dm el l i l d e 刑a t e rp e l l e t i z e r ，a n dd os o r r l es i m u l a t i o no fm en o w f i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，p r e s s u r ef i e l d 皿d e rt h ei i 锄a g eo f 也ed i ep l a t e 蜥n g p m d u c t i o n t h es t e p so ft 1 1 e m e m o du s e di 1 1t 1 1 i sp a p e r ：t h ed e t e m l i n a t i o no fm e n 唧舱r i c a lm 础o d ，t h ee s t a b i i s h i n e n t o fp h y s i c a lm o d e l ，t h ee s t a _ b l i s 胁e n t o f m a _ t h e m a t i c a lm o d e l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e 洒e n t s t h es i m u l a t i o no ff l o wf i e l ds h o w st h a tt h em o l t e np o l y m e r sn o ws p e e d i i l c r e a s ea s t h ed i a m e t e ro f 也em o ( 1 e lh o l ec o n 曲m t l ys m a l l e r t h es i i i m l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d s h o w st h a tm et e m p e r a t u r eo f 廿l er e g i o nc l o s et ot h ep e l l e t i z i n gs l l r f a c ei sr e l a t i v e l yl o w 淅t l las h 唧t e m p e r a t u r e ，诚l et h et e m p e 咖r ed e 印e ri n s i d em ed i ei s1 1 i 曲e r ；t h e c o n v e “v eh e a tf l u xo ft e m p e r a ：c u r ef i e l dh a ss h o w e dt h ed i s t r i b u t i o n ，t l l es i z ea n d m e d i r e c t i o no ft e m p e r a t u r e t h es i m u l a t i o no fp r e s s u r ef i e l ds h o w s t 1 1 a tm em a ) 【i n l u m s 缸e s so fd i ep l a t ea p p e a r e di nt h ej o i n tb e 骶e nd i eh o l e s ，a l s oa p p e a r e di i lm ec o n v e x p l a t 南nr o o t6 l l e to fd i ep l a t e 。吼e nc h 距g et l l es i z eo ff i l l 叽m es 骶s s o fd i ep l a t e 晰u c h a i l g et o o ；m es i z eo fs 骶s sw a s n o td n c t l yd e c i d e db yt 1 1 es i z eo f6 l l e t ；m em a ) 【i i i l u m s 仃e s so fd i ep l a t e 印p e a r e di nr 1 2 ，a i l dt l l em i l l i m 眦s 的s so f d i ep l a t ea p p e a r e di i l r 1 3 9 t h er e s e a r c ha n dn 眦e r i c a la 1 1 a l y s i so ft h ep e l l e t i z i n gd i ep l a t ep r o v i d e m o r er e l ia _ b l e t l l e o r e t i c a lb a s i sf o r t h eo p t i m i z a t i o no f t l l ed i ep l a t e ss 们c t u r ed e s i g i l i n g ，a n da l s oh a s g u i d i n ge f 王i e c to np r o d u c t i o n k e y w o r d s ：u n d e n a t e rp e l l “z i n g ；d i ep la ：c e 蚰眦t u r e ；j c l o wf i e l do fd i ep l a t e ； v l l 北京交通大学硕士学位论文 t e m p e r a 白l r ef i e l do f d i ep l a t e ；p r e s s u r ef i e l do fd i ep l a t e c l a s s n o ：t q 0 5 0 1 ；t q 3 2 0 5 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师刘伟副教授的悉心指导下完成的。在攻读硕士学 位期间，刘伟老师不仅仅在学术上给予我亲历的指导，而且在生活上也给了我无 微不至的关怀。刘老师对本课题的研究倾注了大量的心血，他那严谨的治学态度、 渊博的知识、和蔼可亲的待人态度，积极乐观的生活态度，都让我受益匪浅，使 我不仅提高了专业知识水平，学到了科学的思维方法，更学会了许多做人的道理。 在此，谨向敬爱的刘老师表示最衷心的感谢! 论文工作期间，鄂明成老师为本人提供了多方面的帮助与支持，提出了许多 建设性意见，在此表示诚挚感谢! 在实验室工作及撰写论文期问，张效奎、张鹏、王伟、吴荐等同学对我论文 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 北京交通大学给我提供了深造自己的机会，在读研期间，北京军区驻北京交 通大学选培办及机电学院给我提供了充分发展自己的平台，在此，本人要向母校 北京交通大学、北京军区驻北京交通大学选培办及机电学院的老师们表示谢意! 另外也感谢我的家人与朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业，在此深表谢意! 引言 1 1 引言 1 引言 材料、能源和信息是当今世界经济发展的三大工业支柱，材料工业的发展严 重影响着现代技术的发展。每当一种新材料问世，它不但会引起生产方式的变革， 还会推动社会的进步以及人类文明的提升。当今社会经济技术不断蓬勃发展，高 分子材料逐渐成为与木材、金属和硅酸盐材料并称的当今世界四大材料体系之一， 广泛应用于生产、国防和科研各个领域，并且形成了门类齐全的高分子材料加工 工业体系，在国防建设和国民经济中起着重要的作用。随着工业水平与科技水平 的不断提高，高分子材料已由传统有机材料不断发展为高强度、高韧性、耐高温、 耐极端条件的高性能材料，而且向具有光、电、磁、生物和分离效应的新型功能 材料延伸，逐步成为现代航空航天、电子工程、通讯、医疗卫生、生物工程和环 境保护等不可或缺的新型材料【l j 。 大型乙烯及深加工装置( 聚乙烯、聚丙烯等) 的关键设备就是大型挤压造粒机， 这些关键设备长期被美国、德国、日本的少数厂家高度垄断，它们控制着包括我 国在内许多国家高分子材料加工的市场、价格和交货期。以3 0 万吨年生产能力的 挤压造粒机为例，一台该机器已由2 0 0 2 年的五六百万美元上涨到千余万美元，而 且交货期也由以前的1 0 1 2 个月延至现在的1 8 2 4 个月，这严重影响了我国石 化工程项目的投资以及建设进度，制约了新兴石化产业的快速发展【2 1 。 近年来，我国石化行业致力于挤压造粒机的研究，模板是造粒机中的关键零 部件，对它的研究的重要性也逐渐引起人们重视。而在成型过程中，温度，压强， 应力对于聚合物的最终成型有着极大的影响，数值模拟可以预测各种外界环境对 于模板及成型的影响程度，对于水下切粒机的设计具有理论指导意义。 1 2 造粒设备概述 1 2 1 造粒机简介 造粒机是一种可将物料制造成特定颗粒形状的成型机械。广泛应用于化工、 石化、制药、食品、建材、矿冶、环保、印染、陶瓷、橡胶、塑料等领域。根据 结构和工作原理可分为c f 型回转带式冷凝造粒机、平形双螺杆挤出造粒机、转鼓 干燥制片机、对辊干法造粒机( 简称对辊造粒机) 、对齿造粒机、盘式真空冷凝造 北京交通大学硕士学位论文 粒机等。 造粒器设计有很多种，但一切造粒器可以分为两大类：冷切粒系统和模面热 切粒系统。二者的主要区别在于切粒过程时间的安排。冷切粒系统，在加工过程 的最后从已固化的聚合物切粒；而在模面热切粒系统中，当熔融状态聚合物从口 模出现时即进行切粒，而在下游对粒料进行冷却。两种切粒系统各有其优缺点。 冷切粒系统：冷切粒系统包括口模、冷却区( 风冷或水冷) 、干燥区( 如果采用水 冷) 和切粒室。冷切粒系统有两大类，即片料造粒机和条料造粒机。熔融的聚合 物从热口模挤出，被模面旋转的旋转刀切成粒料。这种切粒系统的特色是其特殊 设计的喷水切粒室。水呈螺旋线绕流动，直至流出切粒室。粒料切下后，即被抛 入水流，进行初步淬冷。粒料水浆排入粒料浆槽被进一步冷却，然后送入离心干 燥器脱除水分。条料造粒机的使用历史几乎与片粒造粒机同样悠久。包括口模、 冷却段( 水浴或鼓风机) 、干燥段( 如果采用水冷) 和切粒刀。用挤出机或齿轮泵 挤出熔融的聚合物通过一个水平安装的口模而形成条料( 现代化的口模经过精密 机械加工，均匀加热，以产出质量稳定的条料) 。条料从口型排出后，即用鼓风机 或空气真空设施进行冷却，或用水浴冷却。如果采用水冷，条料需通过一个干燥 段，用强制通风吹除水分，然后将条料送至切粒室。利用一对固定刀和旋转刀的 剪切作用，把条料精确地切成所需长度。 1 2 2 水下切粒机概述 水下切粒设备是石化、化纤行业生产中的一种关键设备，它与气流造粒机及 喷水造粒机类似，不同的是它有一股平稳的水流流过模面，而与模面直接接触。 切粒室的大小恰足以使切粒刀自由地转动越过模面而不限制水流为度。熔融聚合 物从口模挤出，旋转刀切割粒料，粒料被经过调温的水带出切粒室而进入离心干 燥器。在干燥器中，水被排回贮罐，冷却并循环再用；粒料通过离心干燥器除去 水分。一般说来，水下切粒设备也可以用于聚酯，包括p b t ( 聚对苯二甲酸丁二酯) ， p e 吖聚对苯二甲酸乙二酯) ，p t t ( 聚对苯二甲酸丙二酯) ；聚酰胺( p a 6 ，p a 6 6 ) ； p s f 聚苯乙烯) ，包括h i p s ( 高冲击聚苯乙烯) 、g p p s ( 通用级聚苯乙烯) 、s a n ( 丙烯 腈苯乙烯树脂) 、a b s ( 丙烯腈丁二烯一苯乙烯共聚物) ，p c ( 聚碳酸酯) ：p m m a ( 聚 甲基丙烯酸甲酯) 等的水下切粒【j j 。 水下切粒设备最初的发展是在上世纪七十年代，随着材料科学的发展以及对 高分子聚合物的研究，人们对塑料及塑料制品有了很大需求，化工化纤行业发展 速度很快，由于聚合物颗粒在化工化纤行业应用广泛【4 】，市场需求量巨大，因此各 个公司开始研究高分子聚合物切粒设备。水下切粒设备由德国人最先生产的，德 2 引言 国a u t o m a 兀k 公司生产的u s g 系列水下切粒设备在世界上处于领先的地位，我 国最初的水下造粒设备就是通过吸收、消化德国a u t o m a t i k 公司生产的 u s g 6 0 0 1 型水下切粒机技术基础上在上世纪八十年代仿制而成的，已经形成了 s q l 3 5 0 、s q l 6 l o 、s q l 6 8 0 、s q l 9 5 0 等系列产品。目自仃国内外许多厂家都生产水 下切粒设备，小负荷的( 3 t h ) 水下切粒一般采用美国g a l a ，德国b k g 等；大 负荷生产的水f 切粒系统一般采用：f 1 本k o b e 、j s w 、德国w p 等。 目前常用的水下切粒设备分为拉条式切粒系统( s t 础dp a i l e t i z i n gs y s t e m ) 和 直切式水下切粒系统( u n d e n a t e rp a l l e t i z i n gs y s t e m ) ，国内企业多数采用的是干式拉 条式或湿式拉条切粒机1 5 j ，这种切粒机是将熔融状态的聚合物铸成带条，经水冷却 后再切割成切片粒子并对切片粒予进行干燥分选【6 j ，它的缺点是：1 、对半结晶或 非结晶高聚物现有设备采用水环式切粒，粘度较高的高分予材料易结团，影响产 品质量，严重时会导致停机；2 、为降低温度，切刀轴大距离悬臂，切粒不稳定， 且给操作带来不便：3 、生产能力小，耗电量大、设备装置庞大，已满足不了市场 需求1 7j 。拉条式切粒机生产的切粒成片状，切粒均匀度比较差，目前国内生产的 s q l 系列产品都属于拉条式水下切粒系统。 1 2 - 3 切粒机生产线构造 图l 一1 为聚丙烯水下切粒! l 二产线系统图剐，其构造山进料r _ 1 、挤出机、管腔、 转接器、切粒机、水箱、高压水循环管道、二f 燥机等构成。 i ? ，叠 百， | 一，菱参，一一7 1 _ 罕 i ” ， l 一进料口；2 一转接器；3 模板：4 一切粒窀；5 一千燥机：6 一排气孔；7 一刀片；8 水箱；9 一水泵； 1 0 热交换机；1 l 一下燥切粒i 【jfl ；1 2 一挤f l j 机：1 3 换网器和牵引机；1 4 一水卜切粒机；1 5 一凋温 水系统： 图1 1 水卜切粒生产线构造图 f i g u r el lu n d e n ，a t e rp a r t i c l ec u t t i n gp r o d u c t i o nl i n es t r u c t u r em a p s 北京交通人学硕十学位论文 1 2 4 水下切粒机工作原理 聚丙烯装置的造粒流程为，将添加剂与聚丙烯粉料混合之后，进入挤压机筒 体，在2 1 0 2 5 0 的高温下被挤压熔融。在双螺杆挤压机的作用下，熔融聚合物 从切粒机模板模孔被挤出进入水冷切粒室内，然后被高速旋转的切刀切成颗粒。 颗粒经过水冷却固化被水流输送到离心干燥器。脱水之后的颗粒进入分级筛选机， 从而筛选分离出大颗粒料、正常颗粒和碎屑1 6 】。 图1 2 为水下切粒机的切粒原理示意刚驯： 图1 2 水卜- 切粒机切粒原理示意图 f i g u r e1 2u n d e n v a t e rp a r t i c l ec u t t i n gm a c h i n ec u tg r a i no fp r i n c i p l ed i a g r 锄 1 3 国内外研究现状 聚酯( p e t ) 切粒质量分为内在质量和外在质量两方面。内在质量是指物理、 化学性能等；而外在质量就是其外观形状、人小等，它主要取决于水下切粒设备 的性能【9 1 0 b 1 a c kc 1 a w s o n 【8 1 做出了3 种切粒机的切粒模型，如图1 3 所示，针。对不同的需 求可以做出不同的构造。 囊一 鼻，v王曩j j _ 。j 。蛩誊i 惫。 左图一进水口在卜方；中图进水f 1 在i ：方；f i 图一进水口在同一水平而 图l 一3 二种不同的切粒机切粒模型 f i g u r e1 3t h r e ed i f i f e r e n tp a r t i c l ec u t t i n gm a c h i n ec u tg r a i nm o d e l 4 一。博 引言 杨家士【圳指出影响水下切粒外观质量的因素有刀具刃口几何形状的影响，引料 间隙对切片质量的影响，切割间隙对切片质量的影响，冷却水温对切片质量的影 响，引料速度的影响，切粒刀轴、引料辊等转动部件的轴承的影响，铸带头的影 响。水温对切粒外观质量的影响，在现实工作中是相当大的，它涉及到高分子材 料在各种不同温度下的理化性能。在相关资料上也很难查找，相当复杂。因此， 只能依靠实际生产中的使用经验，做相关定性分析。当水温太高( 或水流量小) 时， 熔融聚合物不能完全冷却，而这时，高聚物的流变性能使得无法切断物料，即使 能切断，切断后也不能被充分冷却，严重的时候切粒会互相粘连成团状，无法进 行正常的输送及使用。当水温太低时，物料在切时冷却过于充分而发脆，在切粒 过程中会出现过多粉末，粉末在循环水中堵塞冷却水喷嘴及过滤器。又使水量减 小，从而又使物料不能适当冷却，造成切不断的恶性循环。经过生产试验摸索出 的经验是： 最适合的水温度：2 6 3 2 溢流水流量：6 7 t h 喷淋水流量：7 5 8 t h 田志卧】提出影响切粒成型质量的因素有冷却水温度，流量和其他因素。切 粒水温度偏高，会产生铸带在切粒时切割不能在瞬间完成或铸带仍有未完全凝固 的熔体，切粒发生带毛边现象或者是大量切片粘连形成粘连切片。如果水温过低， 进入切割室的铸带条硬度较大，切割时会产生大量的粉末，并且切刀因切割高硬 度的铸带条而磨损加速，寿命缩短。在切粒水温度恒定的情况下，适当调节切粒 水的流量也可以改善切片成型质量。 陈敏【l l j 提出颗粒外观质量受模板加热温度场均匀性，模孔通畅状态，模板表 面粗糙度及模板切刃匹配对中度的影响。熔融物料是否能顺利均匀地通过造粒模 板的模孔，受模板加热温度场的均匀性的直接影响。造粒装置使用的是热通道型 模板，该模板采用高温热油从内部进行加热，从而使树脂保持良好的熔融状态。 如果温度控制不均匀，就会使部分模孔物料的流速不均匀，在这种情况下，生产 出的颗粒就会是长短不一的不规则颗粒，严重影响产品质量。造粒模板表面粗糙 度及模板切刀匹配的对中也有一定的要求，否则会引起垫刀、颗粒碎片多，并造 成切刀磨损严重，影响造粒模板与切粒刀的最佳匹配。 吴骥飞、刘高才1 1 2 j 指出除盐水流量和温度会影响切粒效果。如果水温过低， 进入切割室的铸带条的硬度就会变大，这样在切割铸带条时就会产生大量的粉末， 并且会加速切刀的磨损，使切刀寿命缩短。此外，如果除盐水中夹带过多的粉末， 启动板上的溢流水出口处的部分流道就会被堵塞，铸带条就会因冷却水不够，不 能被充分冷却，切割时铸带条切粒极易出现毛刺、超长切片或粘刀料等现象。流 北京交通大学硕士学位论文 道的堵塞，会使水流的方向发生变化，如果水流过于集中，流向歪斜，铸带条就 会因冲刷而偏离正常的位置，从而产生菱形切片或者长短不一的切片。 有学者对模板内部的压降和模孔尺寸对模板性能的影响进行了研究。贾毅i l 副 研究了过滤网叠、多孔板和成粒模板处压力降的计算，为设计合理结构的成粒模 头，提供了根据；高增梁等【1 4 】通过3 种挤压造粒试验给出了模孔直径和长度对挤 出压力和颗粒强度的影响，为模板的设计提供了基础的依据。 近年来，很多学者致力于研究模板中的流动与传热。任世雄和卢涛等【i 纠建立 了切粒模板的三维传热模型，使用f l u e n t 对模型进行数值求解，得到模板内部 的温度分布，并对模板的温度场进行了模拟和分析，为模孔的设计和优化提供了 理论支撑。任世雄和李进良等【1 6 】建立了7 种不同模孔和3 种不同加热油流道切粒 模板的三维传热模型，对各个模型进行数值求解，并研究了不同的加热油对流换 热系数、不同温度的冷却水以及不同模板材料对模板的温度场的影响。 王敦旭【1 7 】对在不同初始流速、加热通道内设置折流板情况下，进行了仿真研 究，通过调控各种参数获得换热系统的最优传热、流动参数。 石奇峰等【1 8 】应用f l u e n t 软件对造粒模板在3 2m p a 、4 om p a 、5 6m p a 几种不 同压强下，对温度场及流场进行数值模拟，得到造粒模板的结果缺陷及改进方案。 b i n g w 蝌g 等 1 9 】和h o w a r dw c o x ，c s t o p h e rw m a c o s k o1 2 0 】研究了口模 温度对其内部聚合物流动的影响。c s l i 等【2 l j 对聚合物加工过程中的相变问题进 行了有限元分析。m r t h o m s o n ，c ，e t a k a c s 【2 2 j 等对熔融指数在1 5 1 0 m i l l 的4 种不同聚合物的成粒进行研究。 1 4 课题研究意义 由水下切粒机的工作原理所致，模板的工作环境存在特殊性，高温、高压、 高腐蚀环境使模板与其他部件相比，更加容易损坏，因此更换的频率相对较高， 而且作为水下切粒机的核心部件，其成本较高，为了提高其使用的可靠性，降低 成本，故对水下切粒机进行数值仿真。传统的设计中的各项工艺参数只能在每次 的生产试验中获得，这种做法会造成极大的浪费，无论是财力，还是物力，而采 用数值模拟的方式则可避免这样的浪费。此外，在生产试验中，虽然能得到较为 合适的主控参数，但是这些参数只能是适用于生产，并不是最优化的参数，而对 参数的改变对应着实际生产中的重新制造，这就势必会造成极大的浪费并拖延生 产时间。在数值模拟仿真中，这一弊端会被最大限度的杜绝。使用软件进行模拟 仿真，不仅可以对已设计的项目进行仿真而且还可以改变参数，进而进行优化设 计，这将极大的节约生产试制的成本，对水下切粒机的行业发展有很大的推动作 6 引言 用，对塑料生产装置有着一定的指导意义。 本文以聚合物在模板中的成型机理为出发点，将数值模拟技术与优化设计理 论相结合，建立并运用相应的模型和算法进行计算，从而进行优化，具有较大的 理论和工程应用价值。 1 5 论文研究内容及方法 1 5 1 主要研究内容 本论文的主要研究内容为： ( 1 ) 水下切粒机的总体设计， 结构进行总体设计。 ( 2 ) 水下切粒机模板的研究， 水下切粒效果的因素进行研究。 针对切粒机的实际生产要求与工况，对切粒机 对切粒机模板的结构、工作原理与条件、影响 ( 3 ) 模板的流场分析，确定模板内流动状态，建立流场的数学模型，对单个 模孔的流场进行数值模拟仿真。 ( 4 ) 模板的温度场分析，确定模板的传热方式，建立温度场的数学模型，对 模板温度场进行数值模拟仿真。 ( 5 ) 模板的压力场分析，研究不同凸缘过渡圆角对模板承受应力的影响，以 及网格划分对模板承受应力的影响。 1 5 2 研究工具和方法 运用i n v e n t o r 软件进行三维实体建模，进行水下切粒机造型，运用a n s y s w 6 r k b e n c h 对模板进行流场、温度场、压力场进行实验仿真，将得到的数据与实际 生产数据进行对比，进而给出优化设计的建议。 7 水下切粒机设计方案 2 水下切粒机设计方案 本论文中的水下切粒机及模板三维实体建模设计均采用a u t o c a d 公司的 i n v e n t o r 软件进行设计，而对模板流场、温度场、压力场的数值模拟仿真实验使用 a n s y sw b r k b e n c h 进行。 2 1i n v e n t o r 与a n s y sw - o r k b e n c h 软件介绍 2 1 1 i n v e n t o r 概述 a u t o d e s ki n v e n t o rp r o f e s s i o n a l ( a i p ) 是一款高性能的设计软件。 i n v e n t o r 是a u t o d e s k 公司开发的基于自适应技术的三维设计软件。1 1 1 v e n t o r 能 够完整读入用户的二维d w g 文件并通过简单方便的三维造型方法快速生成三维 模型，然后自动生成二维工程图，而且生成的二维工程图可以存成a u t o c a d2 0 0 4 、 2 0 0 0 、a u t o c a dm e c h a l l i c a l 格式的d w g 文件，并在这些软件中进行修改。a u t o d e s k i n v e n t o r 还提供了自适应技术、大型装配能力、钣金功能；软件界面和操作简便、 直观，易于学习，工程师可以快速掌握软件功能。 i n v e n t o r 能够在三维模型创建之前帮助工程师验证设计。i n v e n t o r 可以将三维 实体模型和二维草图进行装配，通过拖动零件或者驱动装配约束模拟复杂的机构 运动来验证设计的合理性，通过这种方式可以减少重新设计，避免设计中的错误， 从而在总体上缩短设计周期。 i n v e n t o r 是基于自适应技术的三维设计软件。利用自适应数据引擎使a u t o d e s k i n v e n t o r 能够在普通微机上进行大型的装配。自适应建模技术建立于参数化技术并 且超越了现有的参数化技术，可以使用户省去记忆大量尺寸链的工作，利用已有 的装配关系改变零件的形状和尺寸以满足设计要求。 i i l v e n t o r 提供了含常用的行业标准g b 、i s 0 、a n s i 、d i n 等1 8 种标准的标 准零件供用户直接调用。也可以建立系列化的零件，用来创建您自己的特征库和 零件库。 i n v e n t o r 集成了微软公司s u a lb a s i cf o r a p p l i c a t i o n s ( v b a ) ，可对用户的特殊 要求进行二次开发，拥有良好的开放性。 9 北京交通大学硕士学位论文 2 1 2 有限元分析及工程应用 有限单元法，简称有限元法，是伴随着电子计算机技术的进步而发展起来的 一种数值分析方法，是力学、应用数学与现代计算技术相结合的产物，是当今工 程分析中应用最广泛的数值分析方法之一。伴随着计算机技术和计算机辅助设计 ( c a d ) 技术的发展，有限元分析技术己发展称为计算机辅助工程( c a e ) 这样 一门新兴技术。有限元分析可以较容易地对许多复杂问题进行建模分析。对于具 有多种可以选择的设计方案而言，可以在制造实物原型之前就借助于计算机进行 实验或考证；完成这些工作，就需要充分理解有限元法的基本理论、建模技巧及 计算方法【2 引。 实际上，有限元法是一种近似求解问题控制方程的数值分析求解方法。其适 应性、收敛性等都在数学上有非常严密的推理证明。将结构看成划分为有限个单 元的整体，以单元节点的位移或者节点力作为基本未知量求解是有限元法的基本 思路【2 4 1 。有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内 假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数 通常由未知场函数及其导数在单元的各个节点上的数值就成为新的未知量( 即自 由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解 出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得 到整个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或 者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如 果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。 采用有限元法进行工程分析的优点有：通过有限元计算机模拟可以减少模型 试验数量；有限元计算机模拟容许对大量的复杂工况进行快速有效的试验；它还 可以模拟不适合在原型上试验的工作情况，得到更可靠和高品质的设计结果等。 有限元分析常常用于解决工业领域中的下列分析问题： 结构静强度计算分析 结构动力学分析 结构碰撞与冲击的计算分析 结构优化分析 结构的疲劳与耐久性分析 结构热分析 结构的屈曲与稳定分析 一 结构流体一声场耦合分析 机械热耦合分析 1 0 水下切粒机设计方案 振动噪声分析 转子动力学分析 光机械热耦合分析 柔性机构动力学分析 流体动力学( c f d ) 分析 金属成型分析 结构制造过程仿真分析 电磁场分析 铸造仿真分析 结构压电材料及m e m s 分析 现在，就连最简单的玩具产品设计评估都依赖有限元分析方法。因此，以物 理实验作为唯一检验标准的时代已经过去。 2 1 3a n s y sw r o r l ( b e n c h 软件的特点及分析流程 2 1 3 1a n s y sw d r k b e n c h 软件的特点 1 协同仿真、项目管理。 2 双向的参数传输功能。 3 高级的装备部件处理工具。 4 先进的网格处理功能。 5 分析功能。 6 内嵌可定制的材料库。 7 易学易用。 2 1 3 2a n s y s w o r k b e n c h 软件分析流程简述 a n s y sw b d ( b e n c h 软件进行有限元分析主要包括以下4 个流程：分析准备， 前处理( 几何、接触装配关系、材料、网格) ，加载求解，结果处理。下面分别来 介绍着4 个流程的主要内容，并穿插介绍其主要功能特点。 1 分析准备 准备 ( 1 ) 熟悉分析对象的结构特征、工作原理 ( 2 ) 了解分析需求：应力、变形、温度、时间相关性。 ( 3 ) 必须的结构细节简化思路，提高分析的针对性和实效性。 ( 4 ) 尽量用2 d ( 平面应力、平面应变) 方法模拟空间3 一d 问题。 北京交通大学硕士学位论文 结构分析数据流程、管理方式 结构分析的数据管理方式为项目式管理方式，主要文件有： 项目文件( ；一c w b d b ) ：结构分析所有的文件均由该文件来管理。 几何模型文件：有d e s i 舯m o d e l e r 环境( 以下简称d m 环境) 产生的文件 ( 奉a g d b ) 、c a d 中间格式文件( 丰s t e p 、木xt ) 、工作c a d 环境文件( 如木p r t ) 等 几种，含有分析对象的物理几何信息。 仿真模型文件( 术d s d b ) ：在d e s i 盟s i m u l a t i o n 环境( 以下简称d s 环境) 中产 生，含几何模型产生的网格、分析类型、载荷边界条件、结果要求等信息。 优化模型文件( 木d x d b ) ：在d e s i 印e x p l o r e 环境( 以下简称d x 环境) 中产 生，含相关优化数据。 有限元模型文件( 木f e d b ) ，等等。 图2 1 为一个典型的结构分析数据管理流程图 图2 1 结构分析数据管理流程图 f i g l l r e 2 - ls t r u c t l l r ea i l a l y s i sd a t am a n a g e m e n tn o wc h a r t 2 前处理一几何模型处理 几何模型建立的3 种方式 ( 1 ) d m 环境的参数化建模 ( 2 ) 读入工作c a d 软件中的几何模型，如a c i s l 4 、c a t i a v 4 、c a t i a v 5 、 s o l i de d g e ( 16 17 版本) 、s o l i ( 1 w b r k s ( 2 0 0 4 2 0 0 5 ) 、a u t o d e s k ( i n v e n t o r 9 1o ) 、p r o e 、 n x 2 3 、m d t 2 0 0 6 2 0 0 5 、o n e s p a c e d e s i 印e r 2 0 0 5 、t e m c e n t e re n g i n e e r i n g 等。 ( 3 ) 读入c a d 软件的其他格式文件，如：p a r a s 0 1 i d ( 木x _ t ) 、s t 印、：i c a 酣b 、 = i c i g e s 、木p r t 等，以快速建立分析用的几何模型。 水下切粒机设计方案 前两种方式具有c a d 、c a e 环境间的参数双向传输功能。 参数双向传输功能 ( 1 ) d m 与d s 之间的双向传输 下面说明d m 与d s 之间的双向参数传输功能 在d m 环境的d e t a i l e w 中命名、标识好要传递的参数( 如果d m 读入的 是木p n 文件，其参数在i m p o n 的内容下标识) ，可在p a r 锄e t e r 菜单下修改好，单 击g e n e r a t e 按钮进行d m 环境中参数变化的更新；在w b 界面的水a g d b 文件级界 面下，用p a r a m e t e r 复选框指定要传输的参数关键字。 进入d s ，选中目录树中的g e o m e t r y ，单击g e o m e t w 菜单下的“u p d a t e s ： u s eg e o m e t r yp a r a m e t e r v a l u e s ”实现d m d s 间的参数传输。 在d s 中，选中目录树的g e o m e t 叫，在d e t a i l so f g e o m e t r y 中修改好相关参 数后，单击g e o m e t r y 下拉菜单中的“u p d a t e s ：u s eg e o m e t r yp a r a m e t e rv a l u e s ”， 实现d m d v l v l i jd s ( 分析) 图2 2d m d s 设计数据流程 f i g u r e 2 2d m d sd e s i g nd a t an o w ( 2 ) 工作c a d 软件、d m 、d s 之间的双向传输 包括如下c a d 软件：s o l i de d g e ( 1 6 1 7 版本) 、s o l i d w 6 r k s ( 2 0 0 4 2 0 0 5 ) 、a u t o d e s k ( i i l v e n t o r 9 1o ) 、p r o e 、n x 2 3 、m d t 2 0 0 6 2 0 0 5 、o n e s p a c e d e s i 盟e r 2 0 0 5 、t e m c e n t e r n “ e n 母n e e n n g 乓宇。 以上版本的c a d 软件与w b 10 0 及w b1 1 0 的d e s i 酆m o d e l e r 、d e s i 盟s i m u l a t i o n 之间可实现双向参数传输功能，如图2 3 所示。 图2 3c a d d m d s 设计数据流程 f i g u r e 2 - 3c a d 仍m d sd e s i 印d a t an o w 北京交通大学硕士学位论文 传输要点： 在c a d 软件中建立几何模型，并标识、命名好要传递的参数。 在a n s y sw 6 r l ( b e n c h 的木w b d b 文件级界面下，单击l i l l l ( t oa c t i v ec a d g e o m e t 巧。 在a n s y sw b r l ( b e n c h 的术p n 类似文件级界面下，用p a r 锄e t e r 复选框指定要 传输的参数关键字，再单击n e wg e o m e t r y 菜单进入d m 。 c a d 软件或d m 中修改相关参数传输后，选中d m 目录树的a t t a c h ，可通过 r e 疔e s h 的相关选项实现c a d 软件、d m 间的双向传输。 随后的d m 、d s 间参数传输方法与示例相同。 也可直接在c a d 软件、d s 间进行参数双向传递。完成步骤后，在步骤 中可直接单击n e ws i m u l a t i o n 菜单进入d s ；修改d s 中g e o m e t w 下属模型名 o u t l i n e 的c a dp a r 锄e t e r ，使用d e t a i l so fg e o m e t w 修改相关参数后，再使用 u p d a t e s ：u s eg e o m e t 珂p a r 锄e t e r v a l u e s 实现d s a c t i v ec a d 间的参数传输。 3 d e s i 印s i m u l a t i o n 环境中的模型处理 ( 1 ) 输入几何模型 输入d m 几何文件 a 几何模型已在d m 中打开：在项目界面选中该文件，单击n e ws i m u l a i i o n 按钮。 b d m 文件没有在d m 中打开：在开始界面打开该文件，并在项目界面选中该 文件，单击n e ws i m u l a t i o n 按钮。 c d m 文件没有在d m 中打开：在项目文件界面下，用l i n kt og e o m e t uf i l e 的b r o w s e 选择文件，在项目