（机械制造及其自动化专业论文）饮料瓶设计及制造工艺仿真优化系统的研究与开发.pdf

硕士学位论文 摘要 论文结合浙江省制造业信息化工程重大科技攻关项目“食品饮料机械产品数 字化设计与制造集成平台的开发与应用”，对p e t 材料粘弹性能表征，p e t 瓶拉 伸吹塑数值模拟，p e t 瓶设计、加工工艺优化等关键技术进行研究，对c a d c a m ， c f d ，p d m 等系统进行了集成，设计与开发了一个饮料瓶设计及制造工艺仿真优 化系统。 第一章介绍了论文研究的背景、对象和目标。国内外相关研究现状表明，p e t 饮料瓶的设计与制造工艺过程中大多依赖个人经验，数值模拟对饮料瓶设计与生 产至关重要。本文讨论了数值模拟的研究现状，提出了论文研究的主要内容，并 给出了论文的组织结构。 第二章研究了饮料瓶设计及制造工艺f e m 仿真优化的总体技术。提出了用 f e m 仿真对饮料瓶设计、拉伸吹塑工艺进行优化的过程及方法，实现优化的几 个关键技术包括有限元数值模拟技术和p e t 材料粘弹性力学模型的建立等。 第三章研究了p e t 粘弹性力学模型的建立。首先建立了力学模型，然后针对 模型中的几个关键参数的获取过程，展开介绍了p e t 粘弹性的实验测量方法， 研究了如何在实验数据的基础上计算得到松弛时间谱，以确定力学模型中的粘弹 参数，来描述p e t 材料拉伸吹塑过程中的粘弹性能。 第四章研究了p e t 饮料瓶拉伸吹塑数值模拟技术。p e t 瓶拉伸吹数值模拟过 程包括拉伸吹塑实体模型建立、网格划分和仿真模型建立三部分，探讨了在p e t 瓶拉伸吹塑有限元数值模拟过程中的实体模型建立方法，网格划分原则，仿真模 型选取等问题。研究并总结出了优化策略库，最后例举出了一个实例，演示了根 据优化策略库和f e m 仿真，对饮料瓶设计及制造工艺进行优化的过程。 第五章和第六章分别介绍了一个饮料瓶设计及制造工艺仿真优化的设计方 案和运行实例。 最后对论文的研究工作进行了总结和展望。 关键词： 粘弹性力学模型；f e m 数值模拟；拉伸吹塑工艺优化；软件集成 硕士学位论文 a b s 仃a c t c o m b i n e dw i t ht h ep r o j e c t ac o l l a b o r a t i v es y s t e mf o rn u m e r i c a ld e s i g na n d m a n u f a c t u r i n go fp r o d u c t s i n b e v e r a g ei n d u s t r y ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d y o f v i s c o - e l a s t i cp r o p e r t i e so fp e t ，t h en u m e r i c a ls t u d yo fs t r e t c h b l o wm o l d i n gp r o c e s s ， t h eo p t i m i z a t i o no fp r o c e s s i n g p a r a m e t e r sa n dt h es y s t e mi n t e g r a t i o n ，i n c l u d i n g g a m b i t ，p o l y d a t aa n dp o l y f l o w , w e r es t u d i e d a n das y s t e mf o rp r o c e s sv a r i a n td e s i g n w a sd e v e l o p e d i nc h a p t e r1 ，t h e p a p e r sr e s e a r c hb a c k g r o u n d ，f i e l d ，t a r g e ta n dv a l u ew e r e d i s c u s s e d t h r o u g ha n a l y s i n gt h er e l a t i v er e s e a c hs t a t u sb o t hh o m ea n da b r o a d ，t h e c o n c l u s i o nc a m et h a tt h ed e s i g no fs t r e t c h b l o wm o l d i n gp r o c e s si sv i r t u a l l yr e l i e do n p e r s o n a le x p e r i e n c e ，b u tw e a ki nn u m e r i c a ls t u d y, t h u st h es y s t e mw h i c hc a na ssistthe p r o c e s sv a r i a n td e s i g ni si ng r e a tn e e di nt h eb e v e r a g ei n d u s t r y f i n a l yt h em a i n c o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o na n dt h es t r u c t u r ew a s p r e s e n t e d c h a p t e r2d i s c u s s e dt h et e c h n o l o g yo fo p t i m i z a t i o no fs t r e t c h b l o wp r o c e s sb a s e d o ns i m u l a t i o nu s i n gf e m t h er e l a t i v em e t h o d sa n dt h ep r o c e s so fo p t i m i z a t i o no f s t r e t c h b l o wp r o c e s sb a s e d0 1 1f e ms t u d yw e r ep r o p o s e d ，i n c l u d i n gt h ef e m n u m e r i c a ls t u d ya n dt h ei s s u e so fm a t h e m a t i cm o d e lo ft h ev i s c o e l a s t i cb e h a v i o ro f p e t c h a p t e r3 ，t h em a t h e m i t c im o d e lo ft h ev i s c o e l a s t i cb e h a v i o ro fp e tw a ss t u d i e d f i r s t ，t h ed e s i g no fe x p e r i m e n ta n dt h ep r i n c i p l e sw e r ep r o p o s e d s e c o n d ，t h e e x p e r i m e n t a ld a t ap r o c e s sw a sd i s c u s s e d p a r t i c u l a r y , t h ep r o c e s sa b o u th o wt o c o m p u t et og a i nt h er e l a x a t i o ns p e c t r u mt oc o n s t r u c tt h em a t h e m a t i cm o d e l ，w h i c h c a ne x p l a i nt h ev i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e so fp e t p r o p e r l y , w 宣ss t u d i e d c h a p t e r4 ，t h ef e ms i m u l a t i o no fs t r e t c h b l o wp r o c e s so fp e tb o t t l e sw a s s t u d i e d t h ef e ms i m u l a t i o nc o n s i s t so ft h r e ea s p e c t s ：g e o m e t r i c a l m o d e l ，g r i d s c o n s t r u c t i o na n ds i m u l a t i o nc o n s t r u c t i o n t h er e l a t i v em e t h o d s ，p r i n c i p l e s ，p r o b l e m s a n dt h e i rs o l u t i o n sw e r ep r e s e n t e d a l s o ，ac o m p l e t ee x a m p l eo fs i m u l m i o nw a sg i v e d o u t l a s t l y , t h er e l a t i o nb e t w e e nd e f e c t sa n dt h ep r o c e s sv a r i a n t s ，w h i c hw a s c o n c l u d e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w a sp r o p o s e d c h a p t e r5a n dc h a p t e r6 ，s e p a r a t e l yd i s c u s st h es y s t e m sd e s i g ns c h e m e ，d e v e l o p m e t h o da n dt h ea p p l i c a t i o ne x a m p l e c h a p t e r7 ，s u m m a r i z ea n dp r o s p e c tt ot h i sd i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：v i s c o - e l a s t i cm o d e l ；f e mn u m e r i c a ls t u d y ；s t r e t c h b l o wp r o c e s s o p t i m i z a t i o n ；s y s t e mi n t e g r a t i o n 2 学号一如9 y 衅 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。据我所知，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，也不包含为获得浙江太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己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：诺矗甩 签字日期：冲年；月西曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝江太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，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：晦盟同 导师签名： 签字日期：训7 口年弓月巧日签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向： 菱圉申伊 q 狄莩 工作单位： l 娃工每呈争5 通讯地址： 电话： 邮编： 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景、范围与意义 1 1 1 研究背景 聚对苯二甲酸乙二醇酯，简称p e t ，是热塑性的线性聚酯，由对苯二甲酸与 乙二醇缩聚而成。该材料有良好的阻隔性能和耐蠕变性能，其线膨胀系数小、尺 寸稳定性高，有良好的刚性和强度。因此，自从美国杜邦公司成功开发了聚对 苯二甲酸乙二醇酯( p e t ) 瓶以来，p e t 瓶凭借其阻隔性好、质量轻、强度高、耐 化学腐蚀性、加工方便、透明美观、无毒无味的优点，被大量应用在饮料、调味 品、日化用品和医药品的包装1 2 i 。随着碳酸饮料、纯净水、果汁等饮料以2 0 以 上的迅猛速度增长，p e t 瓶的发展也极其迅速，现已经是全球最主要的饮料包装 形式。 p e t 瓶的制造工艺是吹塑成型：首先将p e t 切片注射成型为瓶坯，瓶坯的 形状一般都为管状。瓶坯成型时瓶口的螺纹也同时注射形成。瓶坯的优劣很大程 度上取决于p e t 材料的优劣、注塑工艺参数的设置，所以应选择易吹胀定型的 材料，制定合理的瓶坯成型工艺。按照瓶坯成型的类型分，p e t 瓶成型可分为挤 出吹塑成型、注射拉伸吹塑、注射吹塑成型、共挤出吹塑成型等四种。饮料瓶吹 塑成型多采用注射拉伸吹塑的工艺方法。 注射拉伸吹塑是双轴拉伸方式：通过机械方法轴向拉伸瓶坯，并用压缩空气 径向吹胀瓶坯。这种成型方法的特点是轴向与径向有相同的拉伸比，可提高中空 容器的机械性能、阻渗性能和透明度，减小制品壁厚。主要用于成型0 2 2 0 l ， 圆形或椭圆形的中空容器。有全自动一步法和全自动二步法两种。 注射吹塑工艺过程有三个工位，第一个工位为注射成型瓶坯，第二个工位是 将瓶坯在吹胀成型制品，第三个工位将制品顶出，注射吹塑的径向吹胀比大，轴 向吹胀比小。成型制品的性能受多种因素的影响，包括吹塑所用的聚合物材料性 能、瓶坯温度及其分布、瓶坯大小和壁厚分布，以及吹胀气压、吹气时间、拉伸 速度、拉伸速度与吹胀气压的相互时序、成型加工条件、冷却时间等工艺条件， 以及操作工人的熟练程度等密切相关1 3 l 。常见的失效主要表现为成型瓶子的厚度 分布不均i 引。因此，在饮料瓶设计与制造过程中，必须设定合适的吹塑工艺条件， 包括吹胀气压、吹胀时间范围、拉伸力、拉伸时间范围、自由表面参数、模具温 度场特点、瓶坯温度、熔体性能参数等。 6 硕上学位论文 目前国内企业饮料瓶的设计流程主要是：( 1 ) 采用国外现有瓶子，对几个参 数进行修改形成新瓶形，瓶坯的设计也是如此，最后用试错法确定设计方案，( 2 ) 根据瓶形与瓶坯设计对应模具。所使用软件有p r o e ，也有u g 。每一次的相关 设计资料分散存储在设计人员个人电脑中，没有集中统一管理，也没有存储记录。 由于对国外现有瓶坯瓶型的依赖、采用试错法进行试验，以及集体讨论解决的机 动性、设计资料存储的分散性等，使企业的模具设计存在着诸多缺点，如设计周 期长，对个人设计经验依赖性大。没有确定的设计公式，单纯依靠设计人员经验 或者反复进行试验，没有仿真分析过程，导致一次成功率低，浪费较大，研发成 本高。从而使设计新的饮料瓶模具成为了企业自主研发新产品的瓶颈环节，如果 没有现有类似瓶型瓶坯作参照，或者技术骨干人员离职，将难以进行新模具的设 计制造。 1 1 2 研究范围 饮料瓶设计与拉伸吹塑工艺优化的研究范围是比较广的，既包括对拉伸吹塑 工艺的双向变形的力学性能实验研究设计，对生产饮料瓶用聚合物材料的流变性 能的研究，对成型瓶子力学性能的研究，对瓶坯轻量化设计的研究，还包括对拉 伸吹塑过程仿真计算方法，数学模型，仿真软件等的研究。 根据课题组的分工，本人仅研究以p e t 为原材料，以粘弹性本构方程k b k z 为数学模型，以基于有限元计算( f e m ) 的计算流体力学软件p o l y f l o w 为仿真 软件，对瓶坯拉伸吹塑成型饮料瓶的过程进行仿真，基于仿真结果对瓶坯设计、 拉伸吹塑工艺过程进行优化，并结合仿真过程设计适用于饮料生产企业的饮料瓶 设计及制造工艺仿真优化系统。这一研究范围包括了p e t 材料在加工条件下的 粘弹性研究，p o l y f l o w 仿真过程研究，优化策略研究，以及系统设计与开发。 1 1 3 研究目标与意义 对于一个饮料生产企业来说，p e t 瓶的成本在整个饮料成本中所占比例很 大，比如饮用水瓶占总成本的5 0 - - 6 0 ，其中5 0 0 m l 耐热瓶为0 4 - 0 5 元个。 另外，瓶子的外观直接吸引消费者。因此，优化瓶坯设计与吹塑工艺条件，提高 p e t 瓶的综合性能，同时减轻瓶体克重，将会为饮料生产企业带来很可观的经济 效益。 p e t 材料的性能优劣决定了瓶坯的性能，而瓶坯的性能、尺寸、材料分布和 吹塑工艺参数共同决定了p e t 瓶的最终性能。因此，在p e t 瓶生产过程中，需 要研究两个环节：一是瓶坯设计，二是吹塑工艺参数设计。在瓶坯设计环节与吹 塑工艺参数设计环节，都需要提供p e t 材料性能。而不同的p e t 牌号具有不同 的材料性能，性能测试需要花费大量的时间，并要求有特定的实验仪器。 7 硕士学位论文 因此，如果能设计开发一个仿真优化系统，通过该系统，能够简单地获取材 料性能参数，并能对不同的瓶坯设计进行比较，确定新瓶形的最优瓶坯设计，朝 轻量化发展，减少材料，降低成本；还能够对不同的工艺条件进行比较，确定新 瓶形的最优工艺参数，并可根据瓶子缺陷调整工艺条件，以减少废品率，提高质 量，将会给国内饮料生产企业带来极其可观的效益。 综上对现状的分析，一个良好的饮料瓶仿真优化系统应当解决以上所述目前 存在的问题，实现以下几个目标： ( 1 ) 统一管理企业所有p e t 牌号的材料性能参数，p e t 瓶坯、瓶形的设计 参数，p e t 瓶的生产加工工艺条件。 ( 2 ) 能快速获取p e t 材料的松弛时间谱，表征材料粘弹性能，用于有限元 仿真。 ( 3 ) 能进行p e t 瓶吹塑仿真，提供对仿真数据的分析和相应的优化策略支 持，确定最佳瓶坯参数与最优工艺参数。 ( 4 ) 能简化p e t 瓶的吹塑仿真过程，并将其与企业现有平台集成，使其适 应于企业普通设计人员和制造人员的应用。 1 2 国内外研究现状 随着p e t 瓶的迅猛发展，国内外相关研究也日益增多。目前主要研究集中 于以下两个方面： ( 1 ) 对p e t 瓶拉伸吹塑数值模拟采用的本构方程的研究。采用数值分析方法 模拟拉伸吹塑过程，使用c a e 软件对饮料瓶生产过程模拟优化，对模具设计、工 艺设置等都有着重要的意义1 5 , 6 1 。p e t 的材料性能直接关系着制品的质量与加工的 工艺条件，而本构方程表征了p e t 材料在加工时的物理力学性能，是拉伸吹塑仿 真结果中的决定性因素。仿真优化方法可以有效地辅助产品设计与加工，降低开 发周期，预测产品缺陷。拉伸吹塑过程仿真方法的成功研究将能带给饮料生产企 业巨大的经济效益。 ( 2 ) 对p e t 材料性能及其对吹塑产品性能影响的研究。随着p e t 在工业中 的广泛应用，对p e t 材料性能的研究也随之增多。国内外对p e t 材料性能研究 主要分为三类： p e t 流变特性的实验研究；添加剂对p e t 性能影响的研究； 工业用p e t 力学性能的研究。 1 2 1 拉伸吹塑数值模拟的研究现状 聚合物的加工行为不仅与粘性有关，还与弹性有关。个好的本构方程不仅 8 硕士学位论文 能够验证各种有关的已知现象，还能预估高分子材料复杂的结构与性质，从而也 就能够用于精确的数值模拟聚合物成型加工过程，用于反映材料的应力应变行 为。在p e t 拉伸吹塑仿真模型的建立过程中，本构方程的选取对于模拟结果有决 定性的影响。国内外学者在研究拉伸吹塑过程时采用的本构方程大致可分为以下 三类：超弹性；黏弹性；粘塑性i 7 , 8 1 。 一、超弹性本构方程 超弹性本构方程较多地用于描述材料的应力应变行为1 9 - 1 0 i ，常见的有以下几 种： m o o n e y r i v i l i n 超弹性0 1 1 i ： u = c u ( i l - 3 ) 2 - 3 ) 。 i = o = o u ：应变能函数 ij 、1 2 ：第一、第二应变不变量 c i j ：实验拟合得到的数据 o g d e n 超弹性本构方程1 1 2 1 ： u = 窆i = l 譬t i ( 乃q + 五q + 如q 一3 ) qi ，l ai ：常数 入1 、入2 、入3 ：主拉伸比。 还有一个改进形式，能够应于非常高的应变区域，如下： u ：主丝( a q + 如q + 乃q 一3 ) 智一 qt ：移动因子，由w f l 方程得出。 应用超弹性本构方程得到的模拟结果中制品壁厚分布和实验结果存在着一 定差异，但是总趋势一致。 超弹性本构方程虽然可以描述应变硬化，但因为没有考虑应变速率，早期被 应用于仿真研究中，后来逐渐被其他本构方程所代替，研究者大多采用黏弹性本 构方程与黏塑性本构方程来描述应力应变。 二、黏弹性本构方程 黏弹性本构方程有两种：1 ) 微分型本构方程2 ) 积分型本构方程。下面分别 介绍： ( 1 ) 微分型本构方程： 9 硕士学位论文 o l d r o y db e 弹性本构方程1 1 3 l ： 仃= 一p 1 + 2 r ；叠+ t 在上式中：仃为应力，尸为压力，i 为单位张量，t 为偏应力张量，童为应 变速率。偏应力张量与应变速率的关系如下： m 罟= 2 r ，毒 在上式中：入是松弛时间，仉和仉分别是黏度的黏性、黏弹部分，d t d t 为g o r d o n s c h o w a l t e r 对流项随体导数。o l d r o y db 方程的缺点在于，瓶坯吹胀后 呈球状，这与实验结果不符。 x - t p h a m 等人删提出了类c h r i s t e n s e n y a n g 本构方程，其模拟结果比较吻合 实验数据。后期又有b u c k l e y j l 5 - 。1 7 b o y c e0 1 纠：o l 和d u p a i x - b o y e e 本构方程1 2 1 1 被提出。 d u p a i x , - b o y e e 本构方程反映了材料内部分子的抗形变能力和分子间抗形变 能力。另外，较多学者采用b u c k l e y 本构方程预测的制品壁厚，得到的模拟结果 与实际测量结果非常吻合2 2 2 3 i 。y a n g 等a 1 2 4 也采用b u c k l e y 本构方程对p e t 瓶的 拉伸欧塑过程进行了有限元模拟。他们通过a b a q u s 软件中的u m a t 子程序，将 b u c k l e y 本构方程写, n a b a q u s 软件中，模拟成型瓶子的厚度分布，并在文中还讨 论了瓶坯与拉伸杆的摩擦因数以及瓶坯的传热系数对制品壁厚的影响。 ( 2 ) 积分型本构方程： 拉伸吹塑模拟中所采用的积分型本构方程主要为k b k z 方程。在k b k z 中， 偏应力张量t 被分解成两个部分：粘弹分量t 】和纯粘性分量t 2 。k b k z 方程中 两个分量的关系矧如下： t = 正+ 疋 于2 = 2 r 2 i 2 ( v f + v 哥7 ) 盂= 击f 喜芳e x p ( 署坝。u c l ( ，叫+ 够( 卜州出 其中h ( i i ，1 2 ) ，1 1 i ，k 和c 。分别为衰减函数，黏度，松弛时间和c a u c h y - g r e e n 应 变张量。 。 k b k z 方程被认为是能够最具体最精确地描述材料粘弹性的本构方程2 引。 h j p a r k 等人鲫提出了采用k b k z 本构方程进行拉伸吹塑仿真，来预测制品机械 性能的方法。 黄汉雄等人0 2 9 1 采用透明模具及摄像机观察了拉伸吹塑加工过程中的瓶坯 l o 硕士学位论文 轮廓变化模式，发现吹胀延迟时间对瓶坯轮廓变化模式的影响很大。 郑泓i 圳等人也在p o l y f l o w 中应用l 旺方程，分析了加工参数对制品壁厚的 影响，模拟结果与实验结果吻合。 三、粘塑性本构方程 主要为蠕变本构方程1 3 1 i ，如下： o = b 考m 在( 9 ) 式中，b 和m 是真应变占的函数，旁为应变速率，仃为真应力。 k c h u n g 等) k ) 3 1 1 使用此本构方程模拟了轴对称的瓶坯的拉伸吹塑过程，研究 了拉伸速度对壁厚分布的影响。 m e e v o r y - 等) , , i s 2 1 采用此本构方程研究了瓶坯胀大至成型的过程及壁厚分布。 s w a n g l 3 3 1 等人采用此本构方程研究7 - - 种拉伸模式对壁厚分布的影响。 s w a n g i 3 4 后来又提出了两阶段本构方程，并在有限元软件中计算了成型瓶子 的壁厚分布，预测值与实验数据比较吻合。 1 2 2p e t 材料性能的研究现状 聚合物熔体在加工过程中，表现出既不是虎克弹性体，又不像牛顿粘性流体 的性质，它们同时具有粘性和弹性，属于典型的粘弹性材料1 3 5 i 。 线性粘弹性由理想固体的弹性和理想液体的粘性组合而成，服从的基本方程 是虎克定律和牛顿粘流定律的组合。如果不符合虎克定律和牛顿粘流定律的组 合，则称之为非线性粘弹性。粘弹材料的力学性能受到力、形变、温度和时间四 个因素的影响。聚合物的粘弹性研究方法有以下3 种1 3 6 i ： 在一定温度下，固定应力时，观察形变随时间增长而逐渐增加的蠕变现象。 在一定温度下，固定形变时，观察应力随时间增长而逐渐衰减的应力松弛现象。 在一定的温度和交变应力作用下，观察形变滞后于应力的滞后现象。 这三点总称为力学松弛现象，其中蠕变和应力松弛属于静态粘弹性，滞后现 象属于动态粘弹性。对聚合物粘弹性的研究，可以为聚合物的加工与应用提供力 学方面的理论依据；此外，还可以获取分子结构和分子运动的信息。 聚合物熔体的粘弹性可以分为：稳态剪切流场、动态剪切流场和瞬态剪切流 场中的粘弹性。 稳态剪切流场中，最主要的粘弹性材料函数为：表观剪切粘度，第一第二法 向应力差。由于聚合物在流动的过程中有弹性形变，所以表观黏度是由不可逆的 硕士学位论文 粘性流动和可逆的弹性形变结合后的黏度。而第一第二法向应力差表征了弹性。 这三个函数一起描述了在稳态剪切流场中粘弹性流体的应力变化。1 3 5 1 动态剪切流场中，最主要的粘弹性材料函数为：储能模量( 又称弹性模量) ， 耗能模量( 又称粘性模量) 和损耗应子。储能模量和耗能模量分别反应了聚合物 的弹性和粘性。损耗应子反应了聚合物的粘性滞后特性。1 3 7 1 瞬态剪切流场中，最主要的粘弹性材料函数为：应力松弛模量和蠕变柔量。 应力松弛模量是在一系列的阶跃应变的输入下的应力响应。蠕变柔量是阶跃应力 作用下的应变情况。1 3 8 1 在p e t 熔体黏度、流变性能和动态力学性能研究方面，国内外学者所做的研 究较多，也较早见到报道。m x a n t h o s 等人1 3 9 i 对p e t 熔体粘度作了研究，d h a v a l i k a r 1 4 0 1 等人p e t 熔体分子结构及流变性能分析进行了研究，研究了改性p e t 的分子结 构与流变性能之间的关系，并对改性p e t 在2 7 0 摄氏度与3 0 0 摄氏度下的流变参 数与未改性p e t 的流变参数做了对比。 y i l m a z e r l 4 1 i 等人研究了扩展、交联链状p e t 、线性p e t 和一种未改性p e t 的粘 弹性能。发现改性p e t 具有更低的熔体流动指数，更高的储能模量。并计算了 2 8 0 2 9 0 摄氏度下的松弛时间谱。 牛明军等人1 4 2 i 利用毛细管流变仪，研究了聚对苯二甲酸乙二醇酯( p e n 的 流变性能，讨论了剪切速率、剪切应力和温度对p e t 熔体表观粘度的影响，发 现p e t 熔体的表观粘度随着温度的升高而降低，粘流活化能随着剪切速率的增 大而减小。 郝如江等1 4 3 i 介绍了聚合物加工过程中的粘弹现象，以及用应变控制旋转流变 仪a r e s 研究聚合物粘弹性的实验方法，最后讨论了松弛时间谱的确定方法。 褚家瑛1 4 4 l 等人采用旋转流变仪锥板系统，对p e t 熔体在2 7 0 2 9 0 摄氏度下的 流变特性做了研究，测得了p e t 试样的剪切速率、剪切应力和正应力差的数据。 考虑聚酯熔体的特性，提出了5 参数模型。此外，还有学者对p e t 稳态流变性能 进行了研究4 洲1 。 x i a y i ny a o l 4 7 等人对p e t 矛d p e t a t 进行了动态力学性能实验，测取t p e t 和 p e t a t 的动态力学参数，研究了动态力学性能与分子结构之间的关系。 z h i y o n g1 4 8 1 等人采用扭转和弯曲两种模式的动态力学分析方法研究了半节晶 p e t 材料的动态力学性能，发现在玻璃态转变温度以上，分子取向为半节晶的p e t 材料具有更高的动态储能模量，分子取向和结晶的共同作用是p e t 一次松弛变化 和二次松弛变化的主要原因。 1 2 硕士学位论文 c a c r u z ! 的i 等人提出了在玻璃化转变温度范围内用于线性粘弹性能的预测 方法：微机械模型，研究了无定形p e t 在7 0 9 0 摄氏度范围内的动态机械性能。 h a ncd i 1 等人研究了高聚物的第一方向应力差与剪切应力，储能模量与损 耗模量之间的关系。 n m a l v e s i s l l 等人用热致形变恢复t s r ( t h e 姗a l l ys t i m u l a t e dr e c o v e 叮) 研究了 p e t 的粘弹性能，并与动态力学分析d m a ( d y n a m i cm e c h a n i c a la n a l y s i s ) 和差式 扫描量热仪d s c ( d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ) 做了比较，发现在t s r 钡, u 验时活 化能对温度的敏感性更大，并且发现t s r 能够成功地用于半节晶p e t 材料的结构 松弛过程研究。 在对工业用p e t 力学性能的研究方面，c g a r m s t r o n g 等1 5 2 1 采用自制的双向拉 伸仪器研究了拉伸吹塑过程中温度，拉伸比，应变率对p e t 拉伸模量的影响，讨 论了p e t 拉伸模量与温度、拉伸比、应变率的关系。发现模量随着应变率的增加 而增加，随着温度的降低而增加，在双向变形的情况下p e t 的拉伸率与变形模式 很大程度上决定了模量的变化。 s a v v a 等人1 5 3 i 研究了提出了多阶的p h a n t h i e n t a n n e r ( p p t ) 本构方程。该方 程可以很好地表征p e t 的流变性能，并可以运用于薄膜铸塑成型数值模拟中。 还有学者i 圳中对p e t 的黏度与活化性能进行了研究。还有很多关于工业用 p e t 纤维模量应变关系的研究。 张琳1 5 5 1 等人分析了工业用p e t 及p a 纤维模量一应变曲线，进行了拉伸实验， 得到了应力应变曲线和模量一应变曲线，用p e t 纤维内部结构的变化解释了p e t 纤维的特征模量一应变曲线，并提出p e t 模量一应变曲线上的第一个模量峰标志 着无定形网缠结网的破坏。 陈重酋i s 6 i 等人也研究了工业用p e t 纤维模量一应变曲线，在一半的拉力试验 机上获得的应力一应变曲线由于平滑程度差，存在着直接求导失败的问题，他们 提出了用三次样条函数拟合方法获得模量一应变曲线。 吕晶5 7 i 等人则研究了工业用p e t 长丝模量一应变曲线的拟合方法。对拉力试 验机上得到实验数据后处理与对应力一应变曲线直接求导、以及对所求的模量值 进行拟合这两种方法进行了比较，并结合了实验条件，对这两种方法得到的曲线 进行了对比和评价。 1 2 3 研究现状总结 在p e t 材料性能研究方面，国内外对于p e t 材料性能的研究主要集中于对 p e t 分子结构与熔体、溶液的流变性能关系，以及改性p e t 的材料性能研究， 硕士学位论文 但对吹塑成型加工过程中p e t 材料性能的研究还很少。p e t 粒料在2 6 0 一2 8 0 的高温下注塑形成瓶坯，在室温下放置一段时间消除残余应力后，加热到8 5 一1 3 0 进行拉伸吹塑成型，生成饮料瓶成品。国内外关于2 6 0 - 3 0 0 下的 p e t 流变性能有所报道，但却对8 5 一1 3 0 这一拉伸吹塑加工温度范围内p e t 的粘弹性能研究很少，没有详细报道。而且，p e t 不同牌号之间的性能差异很大。 不同的饮料生产企业采购进来用于注塑成型瓶坯的p e t 牌号都不相同，即使同 一个企业内部也会使用很多种牌号的p e t 材料。因此，对特定的p e t 材料，在 拉伸吹塑加工条件下的粘弹性能，需要进行独立的研究。 对p e t 材料性能的研究有利于指导选用材料和改进材料性能，还能为数值模 拟提供实验数据。尤其是对p e t 流变性能与力学性能的研究，能够有利于更精 确地描述拉伸吹塑加工过程中的粘弹性能，从而应用于数值模拟。p e t 粘弹性能 的研究，还可以指导数值模拟中本构方程的建立与参数值选取。 在数值模拟研究方面，应用于拉伸吹塑数值模拟的三种本构方程各有优缺 点。三种本构方程都可以反映出p e t 材料的应变硬化现象，超弹性本构方程不 能描述p e t 材料本构行为的率相关性，但对于相同的有限元模型而言，比较容 易获得收敛结果，计算成本较低，可用于对有限元模型的初步评估；黏弹性本构 方程较全面地描述了p e t 材料在粘弹态下的应力一应变行为，特别是材料的应力 松弛特性，黏塑性本构方程能够描述p e t 材料本构方程的率相关性以及应变硬 化现象，但是都不太容易获得收敛结果。在拉伸吹塑过程中，由于瓶坯的变形历 史高度非线性且接触问题也是非线性，数值模拟的计算成本很高，模拟结果与实 验数据间有着一定的误差，国内外对于数值模拟研究目前尚没有很好的数学模 型。应当根据实际情况选定本构方程。 本构方程对吹塑数值模拟的结果影响很大，只有建立一个能确切反应拉伸吹 塑过程中瓶坯性能的本构方程，根据p e t 材料确定本构方程参数，才能得到对 成型饮料瓶性能的准确预测。 国内外对p e t 材料性能研究与数值模拟研究都还处于独立研究阶段，还没 有结合企业的需求。对于可应用于饮料生产企业的饮料瓶设计及制造工艺仿真优 化系统的研究还没有报道。开展针对饮料瓶用p e t 在拉吹成型条件下的粘弹性 能进行研究，建立合适的力学模型，用于f e m 仿真，并将f e m 与企业的现有 应用平台相结合，应用于企业的瓶坯、瓶型设计以及拉伸吹塑工艺优化中，将能 够为企业带来可观的效益，具有很大的研究价值。 1 4 硕士学位论文 1 3 论文的研究内容和组织结构 围绕课题的研究内容，拟定论文各章节阐述的主要问题如下所述： 第一章阐述了p e t 瓶加工中存在的问题，综述了p e t 瓶拉伸吹塑数值模拟 的研究现状和p e t 材料性能的研究现状，以及饮料生产企业饮料瓶设计及拉伸 吹塑工艺优化的现状。提出了饮料瓶拉伸吹塑f e m 仿真优化方法，最后给出了 本文的研究背景、研究意义、研究范围和论文的主要研究内容。 第二章对饮料瓶拉伸吹塑f e m 仿真优化的总体技术做了概要介绍，讨论了 有限元仿真模型的建立方法，p e t 流变模型的建立方法和p e t 流变参数获取方 法，并描述了p e t 粘弹性实验过程，p e t 粘弹性的力学模型建立过程，以及拉 伸吹塑有限元数值模拟过程。最后给出了饮料瓶设计及制造工艺仿真优化系统的 总体框架以及系统研发中所包含的几项技术。 第三章详细给出了p e t 粘弹性力学模型研究的方法和过程，描述了p e t 粘 弹性力学模型，由力学模型中的参数确定问题引出了p e t 粘弹性实验研究。介 绍了动态力学性能( d m a ) 实验来测量聚合物粘弹性的方法，给出了d m a 测 量的实验数据，研究了如何由动态力学分析实验数据推导计算得到松弛时间谱， 来描述p e t 动态粘弹性，确定力学模型参数的过程。此外，还介绍了松弛时间 谱的几种计算方法，分析了各个计算方法的优缺点。最后建立了如何利用其他实 验数据转化计算得到力学模型参数的算法。 第四章研究了p e t 瓶拉伸吹塑f e m 数值模拟的过程。首先介绍f e m 拉伸 吹塑仿真的总体过程，然后按步骤详细分析了f e m 拉伸吹塑的3 d 建模和网格 划分技术，讨论了f e m 模型的选取、本构方程的选取与建立、计算参数的确定， 以及拉伸吹塑工艺参数的确定过程及其中的技巧，并在大量仿真的基础上总结了 优化策略，最后举了一个p e t 饮料瓶拉伸吹塑f e m 数值模拟进行工艺优化的实 例，演示了整个模拟过程。 第五章设计了饮料瓶设计及制造工艺仿真优化系统，给出了系统的总体功能 结构和框架，系统包含实体建模功能模块，网格建模功能模块，仿真建模功能模 块，工艺条件优化功能模块和数据管理功能模块，分别分析了每个模块的功能结 构和数据流。最后，给出了系统数据库中的数据项和数据结构。 第六章给出了饮料瓶设计及制造工艺仿真优化原型系统，介绍了系统的开 发、运行环境，并演示了原型系统的运行实例，用界面展现了每个功能模块的特 点和应用。 第七章对全文进行了总结与展望。 硕上学位论文 第二章饮料瓶设计及制造工艺仿真优化总体 技术 2 1 饮料瓶设计及制造工艺仿真优化过程 图2 1饮料瓶设计及制造工艺仿真优化过程 当下达一个新饮料瓶设计与制造的任务时，需要确定饮料瓶的外形，与之对 应的瓶形模具，瓶坯的设计方案以及拉伸吹塑的工艺条件等。怎样改进瓶子外形 确保不会吹出裂纹，怎样对瓶坯进行轻量化设计，使得用尽可能少的p e t 材料 来制成质量合格的瓶子，怎样调整拉伸吹塑的工艺条件，包括瓶坯预热温度、拉 伸速率、吹胀压力、拉伸吹胀的时序等，以避免成型瓶子的缺陷，这一系列问题 都需要进行多次的试验进行反复优化，以得到满足特定要求的局部最优解。 在饮料瓶设计与生产过程中，一次试验的资金成本大、耗材多，且试验周期 长。如果每一个瓶子的开发都要通过反复试验来确定最优的饮料瓶吹塑模型，则 开发成本非常昂贵。因此，本文研究了饮料瓶设计及制造工艺仿真优化的方法： 通过对饮料瓶吹塑f e m 仿真试验，根据仿真结果，按照一定的优化规则、优化 策略判断成型瓶子质量，分析f e m 仿真模型参数的改进方法，对改进后的仿真 文件进行重新仿真计算，最后确定满足用户特定需求的饮料瓶的设计及制造工艺 参数。 由此，本文对采用f e m 仿真进行饮料瓶拉伸吹塑优化的方法展开了详细的 研究，旨在设计开发出饮料瓶设计及制造工艺仿真优化系统，来支持企业饮料瓶 1 6 硕士学位论文 的设计与制造过程。 饮料瓶设计及制造工艺仿真优化过程如图2 1 所示，其中椭圆形表示动作， 矩形表示状态。如图所示，优化过程有三个阶段： ( 1 ) 阶段1 ：要对p e t 饮料瓶的加工过程进行仿真模拟，就需要提供p e t 饮料瓶的材料性能参数，确定材料在加工条件下的力学模型参数，因此就需要开 展实验，测量饮料瓶原材料p e t 的粘弹性能。从而，引出了本阶段的工作内容。 首先从企业提供的p e t 粒料出发，根据实验要求压制样片，然后进行实验，测 量得到不同牌号的p e t 材料的粘性模量和弹性模量关于频率、温度的变化关系。 此实验数据是表征材料对温度、频率的粘弹响应，为表征由p e t 制成的瓶坯在 加工条件下的粘弹性能提供了最原始的实验数据。对此实验数据进行转换计算， 即可得到离散松弛时间谱，从而确定粘弹力学模型中的几个关键参数：松弛时间 和松弛黏度。确定好力学模型参数后，便可以建立本构方程，提供给仿真模型了。 此阶段通过实验测量得到了生产饮料瓶的原材料- p e t 的材料性能，对实验数据 的计算得到了能够表征瓶坯在拉伸吹塑过程中表现出的粘弹性能的离散松弛时 间谱，给力学模型提供了关键的几个参数，最终建立了在仿真过程中起关键作用 的本构方程。因此，此阶段是饮料瓶拉伸吹塑仿真模拟的参数准备过程，是整个 优化过程的基础。 ( 2 ) 阶段2 ：本文研究中的优化思想是通过f e m 仿真模拟饮料瓶拉伸吹塑 过程，以仿真试验代替实际加工试验，研究饮料瓶拉伸吹塑的最优模型参数，包 括瓶型设计参数、瓶坯参数、工艺条件等。因此，要对饮料瓶设计和制造工艺进 行优化，就必须展开大量的仿真试验。从而，引出了本阶段的内容。首先从系统 数据库中输出瓶型、瓶坯、拉伸杆等的信息在c a d 中建立3 d 实体模型，对实 体模型划分网格。在f e m 仿真中，以网格节点代表质点，因此划分的网格模型 必须能够全面表现实体模型，不能够太稀疏，否则一些细节无法体现出来。但网 格也不能太密，否则计算成本很高。然后设定工艺条件，以函数或者一些参数值 表示拉伸吹塑工艺，包括瓶坯预热情况、拉伸杆运动情况、高压空气的吹气情况 等。工艺条件的设定必须在仿真结果误差的允许范围内，适当简化实际加工情况， 以描述饮料瓶的制造工艺。接着，选择仿真问题，建立边界条件，输入计算迭代 条件等，加上第一阶段中建立的本构方程，便可以完成仿真模型的建立了。仿真 模型的建立过程中，仿真问题有广义牛顿模型、瞬态问题等的选择，根据饮料瓶 拉伸吹塑过程中各种物理场的变化情况确定，计算迭代参数是对仿真计算步长的 设定，对仿真结果也会造成一定的影响。仿真模型建立后，便可输入c f d 求解 器，进行计算求解，得到仿真结果。得到计算结果后，就进入优化环节了。这一 1 7 硕士学位论文 阶段是优化的必备过程，只有有了仿真试验，才能对不同的饮料瓶、瓶坯设计及 工艺条件进行研究，得到最优的饮料瓶设计与制造工艺模型参数。 ( 3 ) 阶段3 ：对饮料瓶拉伸吹塑过程进行仿真计算，得到仿真结果后，就 进入本阶段的优化环节了。要进行优化，就需要有个仿真结果评价准则，评价仿 真结果中的有哪几项是好的哪几项是需要改进的。对于一个评价后的仿真结果， 还要有相应的优化方案：针对仿真结果中所需改进的方面，需要对哪些参数进行 怎样的修改，才能使仿真结果沿着目标优化。还要有能够用于比较判断是否更优 的参考物。因此，以上这些问题，引出了本阶段的工作内容。首先，根据产品质 量标准和仿真要求