（机械设计及理论专业论文）24米幅宽中央进料式螺杆分配机头的流场模拟.pdf

摘要 2 4 米幅宽中央进料式螺杆分配机头的流场模拟 摘要 聚合物宽幅厚板材广泛应用于输送带盖胶、工矿机械和交通运 输设备中的缓冲垫板、绝缘板等领域。但长期以来，国内橡塑生产行 业一直没有很理想的宽幅厚板材生产设备，而螺杆分配机头在生产宽 幅厚板材时有很大的优势，故对螺杆分配机头进行流场模拟与参数优 化是一项非常有意义的工作。 本文运用a n s y s 一- - 次开发语言a p d l 建立中央进料式螺杆分配机头 流道内流场的三维有限元模型，模拟了聚合物熔体在机头流道内流动 时的压力场和速度场。由于影响机头内流场分布的因素较多，本文主 要研究了物料进口压力、分配螺杆的转速对螺杆分配机头内流场分布 的影响以及对制品厚度均匀性的影响。机头主要几何参数( 均压槽的 宽度、阻尼板与下底板间隙、口模高度) 的变化对螺杆分配机头内部 压力场和速度场以及对制品厚度均匀性的影响。将模型划分不同的区 域，分析了各区域的压力和速度场，作图并分析各截面中间层节点的 压力和速度分布。 在此基础上研究了机头模板的变形，分析添加固定螺栓后对螺杆 分配机头内部压力场和速度场分布的影响，得出了一些有意义的结 论，揭示了它们的变化对流场影响的规律，为螺杆分配机头的设计提 供了比较可靠的理论依据。 关键词：宽幅螺杆分配机头，数值模拟，流场分析，a n s y s a b s t r a c t t h es i m u l a t i o no ff l o wf i e l df o rw i d es c r e w d i s t r i b u t i n gh e a do f2 4 m a b s t r a c t w i d ea n dt h i c kr u b b e rs h e e ti sw i d e l yu s e di nm a n y p r o d u c t i o na n d d a i l yl i f es u c ha st o pr u b b e ro fc o n v e y e rb e l t ，t r a f f i ca n dt r a n s p o r t a t i o n m a c h i n e r yc u s h i o n ，i n s u l a t i o n ，a n d s oo n b u tt h e r ei s n t p r o p e r p r o d u c t i o ne q u i p m e n tt op r o d u c ew i d ea n dt h i c kr u b b e rs h e e ti nd o m e s t i c r u b b e rp r o d u c t i o ni n d u s t r y i ti si m p o r t a n tt oh a v et h e o r ys t u d yo nt h e w i d es c r e wd i s t r i b u t i n gh e a db e c a u s ei th a sg r e a ts u p e r i o r i t yi np r o d u c i n g w i d ea n dt h i c kr u b b e rs h e e t i nt h ep a p e r , t h e3 df e mm o d e lo fw i d es c r e w d i s t r i b u t i n gh e a dw a s b u i l tb ya p d l t h ep r e s s u r ep r o f i l ea n dv e l o c i t yp r o f i l eo ff l o wf i e l di n t h ew i d es c r e wd i s t r i b u t i n gh e a dw e r es i m u l a t e d t h ee f f e c to ft h e g e o m e t r i cp a r a m e t e r so nt h ef l o wf i e l dw a sa n a l y z e d t h ep r e s s u r ea n d v e l o c i t yo fd i f f e r e n tz o n ef o r t h ew i d es c r e wd i s t r i b u t i n gh e a dw a s c o m p a r e d i nt h i sp a p e r , t h ei n f l u e n c eo fi n l e tp r e s s u r ea n dr e v o l u t i o ns p e e do f s c r e wd i s t r i b u t i n gh e a do nt h ef l o wf i e l dw a ss t u d i e d t h ed e f o r m a t i o no f 北京化工人学硕一 ：学位论文 m a t c hp l a t eo ft h eh e a dw a sa n a l y z e d t h er e s u l t sp r o v i d eat h e o r e t i c a l b a s i sf o rt h ed e s i g na n do p t i m u mo fw i d es c r e wd i s t r i b u t i n gh e a d k e yw o r d s ：w i d es c r e wd i s t r i b u t i n gh e a d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， f l o wf i e l da n a l y s i s ，a n s y s i i 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 幽 日期： 丝丕：z 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属 北京化工大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本 授权书。 作者签名：丝亟孽 日期： 竺兰z 导师签名：耄终蹴日期：竺z ：2 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 挤出机头是挤出成型的关键设备，其主要功能是将连续的聚合物熔体分配于 流道中，使物料以均匀的速度从口模中挤出，从而形成所需端面形状与尺寸的制 品。常用的板材挤出机头有t 型、鱼尾式、衣架式和螺杆分配机头等4 类。螺 杆分配机头不仅适用于宽幅板片材( 4 0 0 0 m m 以上) 生产，而且也能生产出达 4 0 m m 的特厚板材。此外，还对热稳定性差的树脂( 如p v c ) 和粘度特大，流动 困难，加有各种填料的复合型板片材成型，具有特殊的适应性，因此把它应用于 宽幅橡胶板材的加工，比应用其它机头有更大的优越性。另外，由于分配螺杆的 塑化作用，以及塑化过程中熔体内可再度产生一些剪切摩擦热，所以螺杆分配机 头的温度控制比鱼尾式和歧管式机头容易。但是需要指出的是，由于在分配螺杆 带动下，进行旋转运动的塑料熔体进入狭缝区后，将会被迫立即转为直线运动而 使成型出来的板( 片) 材表面容易因为不稳定流动而出现波浪型痕迹而影响表面 成型质量，以及螺杆分配机头对分子链的取向作用对板材的横向抗拉能力将有所 影响，但因为橡胶板材在挤出之后，还要进行硫化交联工序，故螺杆分配机头应 用于橡胶板材的生产比应用于塑料板材的生产更有优越性。此外，螺杆分配机头 调节方式较多也是其一大优点【l j 。 厚且宽幅的橡胶板材已经成为一种市场应用前景十分广阔的橡胶产品，广泛 应用于多功能橡胶铺地板材、冲制各种密封垫圈、工矿机械和交通运输设备中的 缓冲垫板、机器座垫、绝缘等生产和生活领域。用做橡胶铺地板材时，宽幅厚橡 胶板材可替代同类用途的砖地、水泥地面、木质地板等材料，而且还具有较好的 弹性、耐磨、耐老化、耐腐蚀、耐热、耐寒、防潮湿、防滑、减震等多种功能和 特点，且安装简便，可与钢铁、水泥直接粘结，表面易清洗、打扫，整洁美观。 现在橡胶铺地板材已广泛应用于工农业生产建筑、房屋装修、畜舍以及各种公共 设施的建设，诸如橡胶跑道、橡胶桥面、楼梯踏步防滑条、工作台以及体育馆、 滑冰场、健身房、游泳池、举重室、微机室、配电室、控制室、实验室等建筑的 地面铺装引。 厚且宽幅的橡胶板材也广泛地用在橡胶输送带盖胶中。输送带是胶带运输机 的主要部件，广泛应用于冶金、煤炭、化工、建筑、航空、港口、铁路、电力以 及众多轻工业部i , - j t 4 1 t 5 1 。大到从矿石开采的现场运输，加工物料在生产工艺过程 北京化t 人学硕l ：学位论文 中的搬运，以及利用输送带进行产品加工，还有器件位置的固定等等，可以说到 处都能见到输送带的身影【6 j 。 随着市场经济的发展，对输送带的质量要求同益提高，特别是输送带的表面 质量更为重要。采用压延机压延胶片，不能完全消除内部气泡，使输送带上下覆 盖胶表面出现很多小泡，硫化后易造成明疤、气泡等表面缺陷。目前国外设计使 用了辊筒机头挤出机，用挤出机直接挤出胶片，经辊筒机头再压延出片。参考国 外技术，青岛第六橡胶厂研制了一套胶片挤出压延联动线。主要包括a 2 5 0 冷喂 料挤出机，扁口型机头0 6 1 0 1 7 3 0 三辊压延机，胶片热贴合成型机，四辊冷却 机和平面卷取装置，其扁口型机头主要技术参数为：机头出片最大宽度1 6 0 0 m m ； 机头出片最大厚度3 - 2 0 m m ，机头工作温度8 0 , - - 9 0 ，经试车证明，此联动生产 线的胶片表面光滑无气泡，改善了输送带覆盖胶的质量，并实现了连续化生产。 长期以来，国内胶带生产行业一直因无适合的宽幅厚板生产设备，无法生产 所需的宽幅厚胶板，只能沿用烦琐、落后的窄幅压延薄胶片多层贴合工艺进行工 业生产，致使产品质量低劣，根本无法满足工业发展的需求【刀。而螺杆分配机头 可以弥补上述的不足之处，正如以上所述，它可以生产宽而厚的板材，并且产品 的质量很好，产品厚度的均匀性可以通过分配螺杆转速、口模模唇调节、阻尼块 调节等多个环节进行，所以通过螺杆分配机头可以生产宽而厚的板材，很有市场 前途，特别在生产橡胶输送带方面有得天独厚的优势。 1 2 挤出机头的流道设计与流场分析 1 2 1 研究历史( 前人研究成果) 挤出机头是挤出机关键部件之一，机头形状决定了挤出物所需的形状，机头 是由机头体、联接套和口模等部件组成。机头内的流道从圆形逐步过渡到口模的 形状，所需挤出物的形状则主要由口模的截面形状决定。由于机头的广泛应用， 已有不少关于机头研究工作的文章发表，分别从不同的方面对机头进行了探讨。 从近三十年来的文献中发现，对于机头的研究基本集中于两个方面：一是对于机 头的尺寸的优化设计，提出了不同的目标函数【引，以期寻求机头流道主要特征尺 寸间的最佳匹配关系，保证机头出料尽可能达到均匀；二是对机头的流道的流动 状况进行分析，多采用有限单元法，求出熔体的速度分布、压力分布等。 机头设计中需考虑的问题主要有： ( 1 ) 流变学问题。涉及到温度场时，必须考虑物料的热力学性质； ( 2 ) 机头结构问题。直接影响到物料的流动状态，设计时先确成机头的初 2 第一章绪论 步结构，对其流场进行模拟，进行参数优化，最终确成其结构参数。 ( 3 ) 温度的控制和调节问题。温度对物料粘度有直接的影响，而粘度决成 物料的流动性，因此对温控精度提出更高的要求。 生产高质量、高生产率的制品要求推动着挤出机机头设计理论研究水平的提 高，更由于经济上的考虑，日益提高的挤出速度已使得纯粹凭借经验设计的挤出 机头无法适应工艺要求。追求机头的最佳的流道几何形状一直是多年来的研究热 点，机头作为把流体截面由圆形转变为指定形的装置，为了得到尺寸均匀的制品， 从入口到出口的流道必须十分光滑，物料在机头内的停留时间和口模出口处的流 速必须均匀一致【8 】【9 】f 1 0 1 。不良的流道几何形状通常导致出料厚度不均和物料的焦 烧，乃至挤出过程无法顺利进行。 阐述计算机辅助优化机头的文献不少，不同的文献对于机头流道的特征尺寸 参数的选择都不尽相同，所确定的目标函数也都不同。但各种研究都对聚合物熔 体在机头内的流动状况进行了相似的假设l 】： ( 1 ) 聚合物在加工温度和实际剪切速率范围内，其粘度1 1 对剪切速率户满足 指数定律( p o w e r - l a w e q u a t i o n ) ( 2 ) 聚合物在整个机头内为等温流动，物料内摩擦发热忽略不计； ( 3 ) 聚合物粘度极高，流动呈层流； ( 4 ) 熔体在主流道内和机头狭缝区内的流动状态是相互独立的； ( 5 ) 熔体在机头内的停留时间由流量除以平均速度得到。 现在对于机头的优化研究，基本上都是在以上假设的基础上进行的。对于机 头的参数优化或者追求物料在宽度方向上流量一致，或者追求物料在机头内的停 留时间大致相同【8 】【9 】，大都是以反映这两种情况的函数作为目标函数，并给出相 应的约束条件，从而得到一个优化问题，通过求解这个优化问题得到较佳的机头 设计参数。这些研究多只考虑流量分布和停留时间两种情况中的一种。 1 2 2 机头流道流动分析的研究现状与发展 机头流道的设计在挤出机头的研制过程中占有核心地位，而流道的设计成功 与否则在于对流道内流体的流动情况是否有一个准确的计算和分析。由基础方程 式可推导出物料在流道中的压力损失、流道内部速度分布及平均速度等。对挤出 机头，一般而言，通过三维有限元的研究，可以得到流道内流体的压力分布、速 度分布以及流率的分布，这些流动分布受机头几何形状的影响。 虽然在机头内的流体，其流动为三维流动，但常用简化的方法进行处理。 a c r i v o s 等人第一次用宏观动量平衡法讨论了在圆形横截面上的流动分布和流 3 北京化工人学硕 ：学位论文 率分布，并提出除非这些歧管的横截面积沿横向递减，否则流动分布就不可能均 匀。 随后c a r l y ，p e a r s o n ，m c k e l e v y 和i t o 1 2 】研究了t 型机头内的流动 分布。他们都提议用一个锥形的歧管和一个扇型的过渡流道连接模唇，以利于获 得沿机头宽度方向均匀一致的流率。p r o c t e r ，k l e n i n ，c h u n g 和 l o h k a m p ，b r o w n ，t a d m o r 和g o g o s ，m a t s u b a r a 1 0 】【1 2 】，w i n t e r 和f r i t z 以及l i u 1 3 】，采用润滑理论研究了衣架机头。而v e r g n e s 等人却基于 窄缝流道的假设，采用了不同的方法，即利用有限差分法处理机头中的二维流动 问题。尽管他们详细的讨论了压力、速度和温度的分布，却没有去研究流道几何 形状的影响。 近年来，由于计算机的迅速发展，人们越来越倾向于用有限元法来解决有关 流体的问题，这是因为它有利于处理比较复杂的几何边界问题。在挤出机头中， 流道的横截面由圆形入口逐步转变到所需的出口形状。用此方法，不仅可以提供 有关流动的一般数据，而且可以得到详细的流场的状态，可以帮助我们去发现死 点之类的非正常流动区域。 综上所述，前人对于物料在挤出机机头流道内的分析和研究已经十分广泛， 尤其对挤出机机头中的压力、速度、应力、停留时间、温度分布等均有过较为详 细的研究。但是这些研究多是针对流道流动的理论研究，和机头流道具体参数的 关系则联系甚少。 目前，挤出机的应用范围不断扩大，挤出制品种类不断增加。但是机头的设 计主要还是依靠经验设计，效率低，并且修模率高，而生产一个机头的费用是昂 贵的，动辄几万甚至几十万，一个成品机头的设计往往需要多次修改、试验，浪费 了大量的人力、物力资源，且机头设计制造周期长，无法适应当今的生产需求， 在激烈的市场竞争中显得缺乏竞争力。因此，对于挤出机的机头设计，仅靠经验 设计是不够的。现实要求我们进一步探求出机头设计的理论模式，据此设计出更 为完美的机头。 从流变学方面来看，挤出机机头的研究发展将围绕以下几个方面：如何在一 定的挤出压力下达到一定的体积流量；在一定的平均速率下，熔体如何从整个横 截面均匀地挤出，并尽可能保证其在流道内的停留时间接近；在保证高产量的同 时，如何保证挤出物的表面光滑；如何避免挤出物滞留及分解是致关重要的。 另外，在机头的设计中，可以更多地采用c a e 技术进行模拟实验分析，提 高机头设计的精确性，并利用有限元法对熔体在机头流道内流动状态进行分析， 从理论上指导机头设计。 4 第一章绪论 1 2 3 挤出机机头的设计发展方向 从目前挤出机的发展趋势来看，其应用范围不断扩大，挤出制品种类不断增 加，已经成为潮流。对于挤出机的机头设计，仅依靠经验是不够的。现实要求我 们探求出机头设计的理论模式以据此设计出更为精确的机头。在流变学方面，挤 出机机头的研究发展将围绕以下几个方面： ( 1 ) 在一定的挤塑压力下达到一定的体积流量； ( 2 ) 熔体在一定的平均速率下，均匀的从整个横截面挤出，并尽可能保证在 流道内的停留时间接近； ( 3 ) 在保证高产量的同时，保证挤出物表面的光滑度； ( 4 ) 避免物料在机头流道内停滞及分解。 1 2 4 相关文献摘述 螺杆分配机头是一种特殊类型的机头，中文和英文期刊和文献中都很少有记 载、报道，即使提到时也是定性地粗略介绍，一笔带过，相关文献如下： 1 9 8 5 年，朱芝培1 1 4 在塑料摘报中指出：螺杆分配机头最重要的是螺杆 的设计及其几何结构的研究，尤其是螺纹的升角对于均匀的挤出有很大的影响， 从理论上分析，他得出结论最佳的螺纹升角为3 0 0 左右。 1 9 9 5 年，刘辉口l 在工程塑料应用中提到：螺杆分配机头通过改变螺杆的 转速，可以调整片材厚度。 1 9 9 7 年，王鹏驹【i 】主编的塑料模具技术手册中指出：分配螺杆直径须比 挤出机筒中螺杆直径稍小，且为渐变根径，螺杆头数多为4 - - 6 头螺纹。由于来自 挤出机的熔体从机头入口进入，旋转螺杆沿轴向强行推进时，因模唇进出口压差 的存在，使熔体又沿与轴向成直角的模唇方向流动。分为由挤出机从机头一端供 料和中央进料两类，为确保有足够的塑料熔体进入机头实现连续挤出，所以，螺 杆分配机头的熔体流动模型，可分成螺杆输送区和狭缝流道两部分来考虑，前者 适用于螺杆泵送理论，后者适用于压力流理论，可假定螺槽区与狭缝区的流动各 自独立，互无干扰。 2 0 0 0 年，黄锐生编的塑料工程手册( 下册) i s 】，唐志玉【1 6 1 编著的塑料 挤塑模与注塑模优化设计两书中也只有相似的概括性介绍。 另外，2 0 0 0 年奚永生主编的塑料橡胶成型模具设计手册1 1 7 1 ，李吉， 王淑香所译德国w 迈切里的塑料橡胶挤出模头设计【1 8 】，2 0 0 1 年王效岳等所 5 北京化工大学硕，l ：学位论文 编塑料挤出机头典型结构1 2 0 例1 1 9 中各有螺杆分配机头的图例一份。 综上所述，我们可以通过利用t 型机头、l 型机头等其它板片材挤出机头的 分析方法，分析螺杆分配机头的狭缝区，利用机筒中熔体输送段的分析方法分析 螺杆分配机头的螺槽区，现查阅到的有关狭缝区的文献的主要内容有如下这些： 1 9 7 1 年，j a m e s m m c k e l v e y 和k a t s u h i k oi t o 2 0 】对端部进料板材机头中的 流动进行了分析。1 9 8 0 年，y u t a k am a t s u b a r a 1 2 1 对t 型机头内高聚物熔体的停留 时间分布进行了研究。1 9 8 4 年，江波对冷喂料排气挤出机【2 i 】的机头给出计算公 式，包括纵向收敛过渡区的压力计算。1 9 8 5 年，w k l e o n a r d 2 2 】在挤出机头设计 模型中引入了惯性力和重力的效果。 1 9 9 1 年，杨为民，程源【2 3 】对l 型机头中胶料流动均匀性进行了有限元分析， 他们在假设胶料为不可压缩幂律流体在等温过程时建立起了新的数学模型，代替 了过去用平行平板模型代替小流道，用简单管流代替主流道的物理模型。 1 9 9 4 年，s h u h e n gw e n 和t a - j ol i u 1 3 】在对端部进料的板材机头进行研究 时指出，对于端部进料的板材机头来说，减少由于流体惯性力引起的流动不均匀 性的最好方法是创造一个塞流的入口条件。 19 9 5 年，p i n g - y a ow u ，l e e m a yh u a n g 和t a - j ol i u 2 4 1 对挤出机头中的热传 递进行了建模，其模型基于润滑近似理论，分析幂律流体在机头中的传热，可以 有效预测温度改变对流动均匀性的影响。1 9 9 5 年，s i n h 一l u hy u a n 2 5 j 建立了 一个非牛顿流体在狭缝机头中流动的模型。19 9 6 年r s a n d e r 和j e t p i t t m a n 2 6 j 对狭缝口模中熔体压力和口模挠曲之间的相互作用进行了二维有限元分析。 1 9 9 8 年w a g i f f o r d 2 7 】对平板挤出机头在高压下的变形挠曲进行了三维 有限元分析，并结合三维流动分析，指出了解决此问题的四种方法。 2 0 0 0 年，涂志刚，柳和生【2 8 】等对粘弹性塑料熔体在狭缝流道中的流动进行 了分析，求出了速度分布、流率、温度分布等的解析表达式，引入与熔体拉伸相 关的材料参数。 2 0 0 1 年s ug 利用a n s y s 软件模拟了“l 型机头片材挤出口模中的压力 分布。2 0 0 2 年宿果英等利用a n s y s 软件模拟了“l 型机头片材挤出流道中的 速度分布，并对各截面处的速度变化给与了充分的解释。 1 2 5 有限元( f e m ) 法简介 有限元法是一种数值解法，首先建立和原问题基本方程及相应定解条件等效 的积分提法，然后据之建立近似解法。特别是近三十年来，随着电子计算机的飞 速发展，有限元法已成为解决力学问题和物理问题的主要工具。有限元法的基本 6 第一章绪论 思想是将连续的求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互连接的单元的组 合体，由于单元能按照不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形 状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域，有限元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表示全求解域上待求的场函数，单元内的 近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各个结点上的数值和其插值函数来 表示。因此在一个问题的有限元分析中，未知场函数及其导数在各个结点上的数 值就成为新的未知量( 也即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度的问题变成 离散的有限自由度的问题，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，从而得到整个求值域上的近似解。随着单元数目的 增加，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【2 9 1 。 1 3 本课题的研究内容、目的和意义 1 3 1 本课题的目的和意义 本课题的研究目的在于，通过对螺杆分配机头进行理论分析，研究机头口模 处物料流场的性能指标，建立适合橡胶挤出成型的模型，并利用有限元计算软件 对此模型进行模拟分析，并对螺杆分配机头的流道设计进行探讨。螺杆分配机头 挤出制品的关键是在合适的压力和温度的条件下，使充分塑化后的物料在挤出口 模处有稳定的挤出量和挤出速度。通过机头内旋转螺杆的作用，保证熔体在机头 歧管流道内的流动及沿模唇方向的流动的均匀性。 本课题是以目前国内橡胶胶带生产中急需的宽幅厚板挤出生产设备作为研 究对象。希望通过本课题的研究，可以为同类幅宽挤出制品的机头设计提供一种 方法，即：先用有限元软件进行理论分析，得到机头优化后的结构参数，再结合 实验进行验证。这样可以大大缩短机头的设计周期，从而降低设计成本。本课题 具有一定的工程实际应用价值。 1 3 2 本课题的研究内容 ( 1 ) 通过对螺杆分配机头内的流场进行理论分析，了解机头的性能指标，研究 其流动机理。选定一种胶料并对其挤出情况做研究分析，使用三维有限元数值计 算方法模拟物料在机头流道内的流动过程，对挤出橡胶的螺杆分配机头流道内部 7 北京化- t 大学硕一i j 学位论文 的压力场和速度场的分布进行模拟计算和分析。 ( 2 ) 在流场分析的基础上，重点讨论机头流道的几何参数变化对挤出产品均匀 性的影响，并进行对比分析。 ( 3 ) 以此为基础，对机头流道的结构做优化设计方面的探讨。 通过对高聚物成型加工过程中的常用胶料熔体的挤出过程的研究，用有限元 法模拟物料在机头流道内的流动过程，求解机头流道内料流速度、压力分布；得 出物性、成型工艺和流道几何参数等对挤出制品均匀性的影响，为挤出过程的异 常现象的诊断分析，并提出相应的改进措施提供理论依据；为最佳工艺条件的科 学制定以及新型机头的开发和优化设计提供参考依据。 8 第一二章基于a p d l 的2 4 米辐宽螺杆分配机头模型的建市 第二章基于a p d l 的2 4 米辐宽螺杆分配机头模型的建立 为了对2 4 米辐宽螺杆分配机头中的流体在流道中流动过程进行模拟，首先 需要建立用于进行有限元流场分析的模型，包括建立几何模型，数学模型和有限 元实体模型三部分。本章将主要就这三部分来建立模型。 2 1 机头的设计 螺杆分配机头，实际上就是在t 型机头的直歧管内装一根旋转的螺杆，使由 挤出机供给的物料，在沿分配螺杆轴向强行推进的同时，又沿模板幅宽方向均匀 “漏 入狭缝形流道中，构成适宜于挤出宽幅板片材的成型机头。熔体在歧管内 的流动，以及沿狭缝流道流动的均匀性，完全受旋转分配螺杆的支配。按供料方 式的不同，螺杆分配机头可分为以下两种类型。 一种是端部供料螺杆分配机头，结构如图l - i 所示。为确保足够的物料进入 螺杆分配平缝模以实现连续挤出，供料挤出机的螺杆直径应大于分配螺杆的直 径，使挤出供料充足。分配螺杆的根径应为渐变型，且多为倘头的多头螺纹u 们。 另一种是中央供料螺杆分配机头，其结构如图i - 2 所示。此种机头的分配螺杆为 从中央向两端按正反螺纹设计，根径仍为渐变型，两段螺纹旋向相反。这两种结 构的分配螺杆都可以按工艺要求通过无级调速装置调节转速【3 。 浏产 督i l尔广盯肖弋己甄x 迹可n 飞 1 # 糌0 毒0 一爹爹；羽爹雾雾一 i rl lh 眚 、 、 溉 心 图2 1 端部供料螺杆分配机头 卜挤出螺杆2 一挤出机料筒3 一左侧板4 一栅板5 一机头体6 一分配螺杆7 一右侧板 9 北京化丁人学硕卜学位论文 图2 - 2 中央供料式螺杆分配机头 卜机颈2 一螺栓3 、6 一内六角螺钉4 一分配螺杆5 一侧板 来自挤出机的熔体从机头入口进入，在旋转螺杆沿轴向强行推进的同时，因 歧管侧向存在开口，使熔体逐步流向狭缝区流道。所以，螺杆分配机头的熔体流 动模型，可分成螺杆输送流道和狭缝区流道两部分来考虑，前者适用于螺杆泵送 理论，后者适用于压力流理论【3 2 1 3 3 】【3 4 】。在螺杆分配流道的歧管内，旋转螺杆拖 曳着物料前进的同时，物料沿着歧管侧缝进入狭缝区流动，其流速较为缓慢，分 配机头螺旋流道轴向压力梯度远小于狭缝流道流向压力梯度，狭缝区幅宽远比狭 缝间隙大【3 6 】【3 7 】【3 8 】【3 9 】。因此，通常把沿螺旋流道的轴向流动和狭缝流道内的流动 视为相互独立、彼此无关的两股料流来研烈3 8 】【3 9 】【4 0 】【4 l 】。 本课题是对2 4 米辐宽中央供料式螺杆分配机头的分析研究，选用m 9 0 的 螺杆分配机头为研究对象，模拟可生产最大宽度为2 6 0 0 m m ( $ 1 品宽为2 4 0 0 m m ) 、 厚1 0 m m 的制品的螺杆分配机头流道内的物料流动，应用三维有限元法，借助于 a n s y s 软件内置的a p d l 编程语言，编制出螺杆分配机头的参数化模型，并划 分网格，施加边界条件，由于模型具有对称性，分析整个机头的一半，运算得出 螺杆分配机头内的流场，压力分布和速度分布云图，目的在于分析机头挤出物料 的均匀性，为2 4 米辐宽螺杆分配机头内的流道设计和制造提供一定的理论依 据。 2 2a p d l 语言简介 a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 是一门可用来自动完成有限元常规分析 操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言，用建立智能化分析的手段 为用户提供自动完成有限元分析过程，即程序的输入可设定为根据指定的函数、 变量以及选用的分析类型来做决定，是完成优化设计和自适应网格的最主要基 础。a p d l 允许复杂的数据输入，使用户实际上对任何设计或分析属性有控制权， 1 0 第二章基于a p d l 的2 4 米辐宽螺杆分配机头模型的建芝 如分析模型的尺寸、材料的性能、载荷、边界条件的施加的位置和网格的密度等。 a p d l 扩展了传统有限元分析的范围，并扩展了更高级运算包括灵敏度研究、零 件参数化建模、设计修改和设计优化等。 a p d l 具有下列功能，这些功能可根据需要进行组合或单独使用。 ( 1 ) 标量参数 ( 2 ) 数组参数 ( 3 ) 表达式和函数 ( 4 ) 分支和循环 ( 5 ) 重复功能和缩写 ( 6 ) 宏 ( 7 ) 用户程序 有这些全局控制特性，允许用户按需要改变程序以满足特定的建模和分析需 要。通过精心计划，用户能够创建一个高度完善的分析方案，它能在特定的应用 范围内使程序发挥更大的效率【柏】。 2 3 几何模型 2 3 1 坐标系的选择 为了便于划分网格，并简化设计，使方程简洁明了，在建模的过程中选择笛 卡儿坐标系。它可以直接表达出流道的几何形状，并且比较直观，坐标系的原点 设在流道入口截面的中心，物料的流动方向为z 轴的正方向，y 轴方向垂直向上， x 方向由右手定则确定【4 2 】。 2 3 2 单位制的选择 为了保证结果的正确性及处理的方便性，采用了国际单位制。即，长度单位 为米，时间的单位为秒，质量的单位为千克。 2 3 3 几何模型的建立 为了使流场的分析具有实际意义，需要建立一个全三维的模型。考虑到螺杆 分配机头内的流道比较复杂，有众多不规则之处以及尖角，特别是歧管内有个根 径渐变的锥型螺杆，建立模型的时候，如果按通常的a n s y s 的前处理部分建立 北京化t 人学硕十学位论文 几何模型，几乎无法实现，因为目前几个通用的商用有限元软件的几何建模能力 有限。如果用其他三维造型软件( 如s o l i d w o r k s 、p r o e 、c a t i a 等) 虽然比较 容易，但导入到a n s y s 的时候则通常会出现一些问题，需要进行大量的修补工 作，因为这是不同的软件，数据接口并不是无缝的。虽然国际上定义了一些数据 格式标准，如a s ci i 、p a r a s o l i d 、i g e s 、s t e p 等，但是各个软件公司在开发 软件的过程中对这些标准都有各自的理解，故数据转换的时候总会或多或少产生 一些信息的丢失和误解。这些通常表现在三个方面：1 数据导入时候失败；2 导 入虽成功，但是信息丢失严重，模型有漏洞、裂缝等；3 导入完全成功，模型也 完好，无漏洞、裂缝，但是划分网格时候总不成功，原因通常是导入的模型太复 杂，或者是几何要素( 如面) 是与a n s y s 本身产生的几何要素( 如面) 不一致， 导致a n s y s 虽然能够正常显示，但却无法对模型编辑。 笔者曾尝试用过p r o e 建立了螺杆分配机头的歧管的模型，采用p r o e 和 a n s y s 的“天衣无缝”的连接方法，能够成功导入，外观无缺陷，但是划分网 格却总是失败，若对其修补则是一件量很大的工作。考虑到螺杆分配机头流道几 何建模的难点主要体现在歧管内分配螺杆的螺纹根径是渐变的，而外径不变的螺 杆构型，即，螺旋槽逐渐消退。符合以下数学公式： r 寺9 一x = ( r + z t a n 伊) c o s o ( 2 1 ) 1 【y = ( r + z t a n 伊) s i n o 其中： s 一导程( m ) ； 一螺槽消退角( o ) ； ，一螺旋线初始基圆半径( m ) ； 秒一螺旋槽绕过的角度( o ) 。 所以采用a n s y s 的二次开发编程语言a p d l 对螺杆分配机头进行建模， 这样，从几何建模到划分网格都在一个软件中进行，就会减少很多问题。且建立 的模型各个参数的值可以按要求改变，即实现了模型的参数化，a p d l 程序的应 用不受a n s y s 软件的系统操作平台的限制。 用a p d l 语言编制好的参数化模型，可以将建模过程写成名称为s c r e w d i e 的宏文件，这样如对模型的参数进行修改得到新的几何模型，只要在宏文件里修 改相应的参数，运行a n s y s 即可。 现将建模的a p d l 程序代码陈述如下： 1 2 第- 二章基于a p d l 的2 4 米辐宽螺杆分配机头模型的建证 蛀m s h u n i t s ，s i 矗i n ，s c r e wd i em t i t l e ，d i s t r i b u t e _ s c r e w _ d i e ! 定义歧管结构基本参数，单位n l ，p a * s e t ，d ，9 2 e - 3 1 机简直径 * s e t ，d l ，9 0 e - 31 螺杆直径 * s e t ，l ，12 0 0 e 3 1 螺杆长度 * s e t ，p i t c h ，18 0 e 3 1 导程 * s e t ，n ，4 1 螺纹头数 * s e t w , 2 8 e 3 1 进料端螺槽宽 * s e t ，h d z j ，7 3 2 e 3 1 螺旋线初始基圆直径 * s e t ，d o ，9 2 e 31 螺旋线末端基圆直径 * s e t r , 8 e 3 1 螺棱根部倒角半径 * s e t ，a , 3 8 0 ! 螺旋线初始升角，单位度 * s e t ，a l ，0 4 0 ! 螺槽消退角，单位度 * s e t ，l g c ，1 2 0 0 e - 3 1 螺旋线辅助计算长度 * s e t ，p ，8 e 6 1 进料端压力 说明：螺旋线初始升角a ，在螺槽截面沿着螺旋线旋转上升时，在初始位置 处应保持截面与螺旋线垂直，这样运行程序时，a n s y s 不会提示出现扭曲现象。 t 缸口= 垄= 鱼立= 丢( 去xt a n 孽o x s i n o + ( ，+ s o d rd o d o2 7 r 力c 。s 伊) 2 万k2 万 当0 = 0 时，t a n a = ，得a = 3 8 0 j 己死r p r e p 7 1 进入前处理器 宰a f u n ，d e g 幸d o ，i ，1 ，1 0 0 0 事i ( i 1 ) * ( p i t c h 4 ) ，g e ，l g c ，t h e n ! 如果空间点的z 坐标大于计算长度 * e x i t! 跳出循环 * e l s e n u m l = i! 记录z 坐标小于螺旋线长度的离散点个数 * e n d i f * e n d d o 幸d o ，i ，1 ，n u m l z z = ( i - 1 ) 幸( p i t c h 4 ) x x = ( h d z j 2 + z z 幸t a n ( a 1 ) ) 枣e o s ( ( i 1 ) 宰9 0 ) y y = ( h a z j z + z z 毒t a n ( a 1 ) ) 丰s i n ( ( i - 1 ) 幸9 0 ) k , i ，x x ，y y , z z ! 得到参数方程上的离散点 1 3 北京化i l 学m 睦k i 螺旋线生成完毕，f 面生成螺槽截面 w p o 位h d z j 2 w p r o t ，9 0 ，0 w p r o t a , o r e c t a n g , - ( 5 e - 3 ) ，5 0 e 一3 ，一w 2 ，w 2 l o c a l ，1 1 ，0 ，h d z j 2 ，9 0 + a c s y s 1 l k ，1 5 e - 3 ，2 0 e 一3 k ，1 5 e 一3 ，一2 0 e - 3 1 , 6 ，7 l ，3 ，8 l ，7 ，8 a d e l ，1 ，1 1 , 6 ，3 d 268 ，7 c s y s ，0 v d r a g , 1 ，。i l d e l 1 ，1 c s ”，1 v g e n , 4 ，1 ，9 0 在枉5 匹标下将点光滑连成螺旋线 压缩实体编号 幽2 - 3 螺槽绕螺旋线旋转图 ! 螺槽体生成完毕，f 面布a 运算生成螺杆 w p c s y s ，l ，0 w p o i f , ，5 0 e - 3 e y l 4 ，d l 2 ，1 4 0 0 e - 3 v s b v , 5 ，1 v s b v , 6 ，2 v s b u l3 v s b v , 2 4 w p o i f , 。1 0 0 e - 3 1 复制生成4 条螺槽 嚣蒜i | 第= 章基于a p d l 的2 4 米辆宽螺杆分配机头模型的建口 v s b w , a l l v d e l ，2 ，1 w p c s y s ，1 p w p o i f , ，1 1 0 0 e - 3 v s b w , a l l v d e l ，l ”，1 w p c s y s ，1 , 0 w p o 盈。5 0 e - 3 c y l 4 ，, h d z j 2 - ( 5 e - 3 ) ，d 2 ，5 0 e - 3 v s b v , 2 ，1 图2 4 歧管内分配螺杆的几何模型 - 螵杆几何模型生成完毕，通过布尔运算生成机筒流道模型 w p c s y s ，1 ，0 w p o i f , ，5 0 e - 3 c y l 4 ，d 2 ，1 0 0 0 e - 3 v s b v , 1 ，3 图2 - 5 歧管的儿何模型 一f 面生成进口段段流道模型 w p r o t ，- 9 0 c y l i n d ，4 0 e - 3 。9 0 e - 3 ，1 8 0 ，3 6 0 v s b a ，l ，3 v d e l e , 3 ，l - f 面生成狭缝型流道模型 l o c a l ，1 2 ，1 ，5 0 e - 3 k 1 0 0 0 k 1 0 0 l ，75 e - 3 ，0 北京化工人学顾j 二学位论文 k ，10 0 2 ，d 2 2 0 e - 3 ，2 3 0 l o c a l ，13 ，0 ，5 0 e 一3 k ，10 0 3 , - ( 7 5 e - 3 ) , - ( 7 5 e - 3 ) k ，l0 0 4 , - ( 7 5 e - 3 ) ，一( 19 5 e - 3 ) k ，10 0 5 , - ( 2 0 e 一3 ) ，一( 2l5 e 一3 ) k ，1 0 0 6 , - ( 7 5 e 一3 ) , - ( 2 3 5 e 一3 ) k ，10 0 7 , - ( 7 5 e 一3 ) ，一( 315 e - 3 ) k ，1 0 0 8 , - ( 一l e 一3 ) , - ( 3 2 0 e 一3 ) k ，1 0 0 9 , - ( 一l e 一3 ) , - ( 3 4 5 e 一3 ) k ，1 0 1o ，- ( 7 5 e - 3 ) , - ( 3 5 5 e - 3 ) k ，1 0 1 1 ，一( 7 5 e 一3 ) , - ( 4 3 5 e - 3 ) k ，1 0 1 2 ，0 , - ( 4 6 5 e 一3 ) k ，10 13 ，0 , - ( 5 4 5 e 一3 ) k ，10 1 4 ，7 5 e 一3 , - ( 5 4 5 e 一3 ) l ，1 0 0 0 ，1 0 0 1 l ，l o o o ，1 0 0 2 l ，1 0 0 2 ，1 0 0 3 l ，1 0 0 3 ，1 0 0 4 * d o ，i ，1 0 0 6 ，1 0 1 3 1 ，i ，i + l * e n d d o l ，1 0 14 ，1 0 0 1 l a r c ，1 0 0 4 ，1 0 0 6 ，1 0 0 5 l a n g , 7 5 ，10 0 8 ，9 0 l a n g , 7 5 ，l0 0 9 ，9 0 l d e l ，8 2 ，1 l d e l ，7 5 ，1 l d e l ，9 3 ，l l ，1 0 1 4 ，2 l ，2 ，1 l ，1 ，l 1 l s e l ，s ，l i n e ，4 3 ，4 5 ，2 l s e l ，a , l i n e ，51 ，5 2 1 s e l ，a , l i n e , ，5 9 ，6 2 ，3 a 1 a l l l s e l ，s ，l i n e , ，61 ，6 2 l s e l ，a , l i n e , ，38 ，