（机械设计及理论专业论文）拉伸吹塑中再加热阶段参数对制品壁厚分布的影响.pdf

摘要 摘要 拉伸吹塑是一种重要的吹塑方法，再加热是该方法中十分重要的一 个阶段，其中的再加热阶段参数对制品的壁厚分布有很大的影响。如能 根据不同的再加热参数预测制品的壁厚分布或根据制品的壁厚分布预 测所需的再加热条件，对减少物料消耗、提高生产效率、优化工艺参数 等，均有较强的指导意义。 本文首先采用实验方法，研究了p e t ( 聚对苯二甲酸乙二醇酯) 拉 伸吹塑中再加热阶段参数对制品壁厚分布的影响。再加热阶段参数一一 加热电压、再加热时间和调温时间，都会影响型坯轴向及壁厚方向的温 度场，其中调温时间主要影响型坯壁厚方向的温度场。型坯轴向和壁厚 方向的温度分布不同均会改变制品的壁厚分布。 之后基于b p 算法建立了正向及反向的神经网络模型。检验后的正 向模型能在实验数据范围内预测制品壁厚分布与调温时间和三个沿轴 向的壁厚方向平均温度之间的定量关系；采用反向模型推导出了制品不 同壁厚分布所需的调温时间和沿轴向的壁厚方向平均温度。 本文的研究结果对实际生产有一定的指导意义。 关键词；拉伸吹塑p e t再加热 壁厚分布神经网络 a b s t r a c t s t r e t c hb l o wm o l d i n gi s a ni m p o r t a n tm e t h o di nb l o w m o l d i n g ，a n d r e h e a t i n gi s ac r i t i c a l p h a s eo ft h em e t h o d t h ep a r a m e t e r so fr e h e a t i n g p h a s ep l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ew a l lt h i c k n e s sd is t r i b u t i o no fp a r t i f t h et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o no fp a r tc a nb ep r e d i c t e da c c o r d i n gt o d i f f e r e n t r e h e a t i n gp a r a m e t e r s ，o r t h e r e h e a t i n g c o n d i t i o n sc a nb e p r e d i c t e d a c e o r d i n gt ot h ew a l lt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n ，i tw i l lb eo fv i t a li m p o r t a n c e t om i n i m i z er e s i n u s a g e ，d e v e l o pp r o d u c t i o n e f f i c i e n c y a n d o p t i m i z e p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s f i rs t ，t h ee f f e c tso fp a r a m e t e r si nr e h e a t i n gp h a s eo fp e t p r e f o r m o n t h ew a l lt h i c k n e s so fp a r tw er e i n v e s t i g a t e du s i n ge x p e r i m e n t a lm e t h o d t h ep a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gh e a t i n gv o l t a g e ，r e h e a t i n gt i m ea n ds o a kt i m e ， o f r e h e a t i n gp h a s e h a v ea ne f f e c to na x i a la n dc r o s s t h i c k n e s s t e m p e r a t u r e f i e l dso f p r e f o r m s o c kt i m e m a i n l y a f f e c t st h e c r oss t h i c k n e s st e m p e r a t u r ef i e l d t h ed i f f e r e n ta x i a la n dc r o s s t h i c k n e s s t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nsw i l lr e s u l ti nd i f f e r e n tw a l lt h i c k n e s s d i s t r i b u t i o no fp a r t t h e n ，t h ef or w a r da n di n v e r s en e u r a ln e t w o r km o d e l sb a s e do nb p a l g o r i t h m w e r e d e v e l o p e d t h e t e s t e df o r w a r dm o d e lc a n p r e d i c t t h e q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p o fw a l lt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n sw i t ht h es o a k t i m ea n dt h r e ea x i a l a p p e a r a n c et e m p e r a t u r e s i nt h e r a n g e o ft h e e x p e r i m e n t a l d a t a g i v e nt h ew a l lt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n ，t h ei n v e r s e m o d e lc a n p r e d i c t t h e r e q u i r e d s o a kt i m ea n da x i a l a p p e a r a n c e t e m p e r a t u r e s t h er e s u l t sc a nb eu s e dt og u i d ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：s t r e t c hb l o wm o l d i n g ；p e t ；r e h e a t i n g ；t h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n ； n e u r a ln e t w o r k i v 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个入或集体己经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名：移砖 日期：洳乒年7 月i f 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“、，”) 日期：扫够年7 月1 日 日期： 印4 年7 月，日 物理量名称及符号说明 p e t i v t g p 砌 i t i ，瓦，瓦 。 哦 e 口 倒 v n d t c k x 。 e l 尺， c i , c 2 丑( f = 1 , 2 ，3 ) h 物理量名称及符号说明 聚对苯二甲酸乙二醇酯 特性黏度 玻璃化温度 聚合物的密度 拉伸比 制品壁厚 模型的输入 调温时间 a 区，b 区，c 区的温度 模型的输出 神经网络学习率 神经网络的误差向量 神经元闽值 连接权 神经元输出 神经网络输入的数目 二色性比 热源温度 比热容 参考温度 结晶速率 热通量 型坯长度 高度比 o g d e n 模型常数 形变梯度张量 取向有序参数 聚合物的焓 h i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 塑料吹塑有挤出吹塑、注射吹塑和拉伸吹塑三种方法，其中的拉伸 吹塑又称双轴取向吹塑，是一类在塑料的高弹态下通过机械方法轴向拉 伸型坯、用压缩空气径向吹胀( 拉伸) 型坯以成型包装容器的方法w 。拉 伸吹塑中的取向效应可提高吹塑容器的机械性能、阻渗性能、透明性与 耐溶剂性等，减小其壁厚。拉伸吹塑容器广泛应用于充气饮料、食品及 食用油、家用化学用品的包装，且应用范围在不断扩大，近年来发展很 快。 聚对苯二甲酸乙二醇酯( p e t ) 由于阻c 0 2 、0 2 与水蒸气渗透的性 能高，强度、耐冲击性、耐化学剂性与耐压性高，透明度与光泽度好， 外观性能良好，纯度高，已成为塑料容器中应用最为广泛的材料之一。 1 9 9 6 年p e t 瓶装产量为3 0 亿个，而1 9 9 8 年上升为5 0 亿个，2 0 0 1 年9 0 亿个，2 0 0 2 年达到1 0 0 亿个，年增长率为18 ，成为塑料包装材料增长 幅度最大的品种m 。 本文主要研究p e t 两步法拉伸吹塑中的再加热阶段参数的变化对制 品壁厚分布的影响，而对拉伸吹胀阶段中的参数，如吹气压力、吹气时 间、拉伸杆速度等设定为常数。 1 2 型坯再加热和拉伸拉伸吹胀机理的研究现状 目前国内对于拉伸拉伸吹胀机理的研究工作开展得较少，而国外在这 方面的工作开展的较早，研究方法和手段相比国内要成熟很多。 1 2 1 型坯再加热阶段的研究状况 由于红外加热的热通量与热源温度的四次方成正比( e = o t 4 ) ，且在 某些波段范围内，能量直接渗入塑料的内部，使塑料的加热快速且温度 分布较均匀，缩短制品的成型周期，因此红外辐射加热广泛用于拉伸吹 塑方法中。 一兰壹翌查兰堡圭兰垡堡兰 s h e l b y ”1 分析了红外灯管温度对p e t 型坯再加热速率的影响。灯管温 度不仅直接影响灯管的输出功率，而且能改变能量发射的光谱范围，由 于p e t 的光谱吸收特性受波长的影响，因此改变灯管温度可以使p e t 型 坯的温度分布发生变化。s h e l b y 将5 7 9 型坯置于四种不同电压( 取1 1 1 v 、 9 5 v 、7 5 v 、6 0 v ) 下加热，在每一组实验下8 支灯管都置于同一电压： 型坯加热时间取3 0 s 、4 0 s 、5 0 s 、6 0 s ，调温时间取5 s ，表面温度利用红 外高温计测量。通过实验研究和c o s m o s m 有限元软件模拟的结果表明， 灯管温度对p e t 型坯的再加热光谱吸收特性有显著的影响；较高的灯管 温度可以产生更多的热能，而且热能也会更深地渗透到型坯壁的内部， 从而提高p e t 型坯的再加热速率；为了优化再加热利用率，应使加热灯 管的温度尽可能高，而后通过改变灯管的数量及或位置而不是灯管电压 来实现不同的功率输出。 v e n k a t e s w a r a n 等人分析了型坯壁厚方向的不均匀温度分布对再加 热拉伸吹塑p e t 容器的取向和性能的影响。在一定的加工条件下，通过 求解含辐射热源的能量方程计算出型坯壁厚方向的温度分布，并采用红 外高温计测量型坯内外表面的温度，来验证计算出的温度分布。在不同 温度分布下对型坯进行拉伸吹塑，对制品进行切片取样后分析其机械性 能、光学性能和阻渗性能等。实验发现：当型坯的内表面温度高于外表 面温度时，沿瓶子壁厚方向的光学各向异性是很微小的；转换型坯壁厚 方向的温度分布时，也就是使型坯的内表面温度高于外表面温度和使型 坯的外表面温度高于内表面温度这两种情况，瓶子的拉伸模量并没有发 生显著的变化，但是型坯在较高的平均温度下拉伸吹塑时，瓶子的拉伸 模量会有一定程度的减小；当在较高的平均温度下吹塑时，瓶壁密度较 大；温度分布对制品的渗透性影响不大，与无定形的p e t 片材相比，瓶 子的渗透性降低了4 0 。 m o n t e i x 等人ts 一通过实验确定了红外发射器加热源的特性以及加热器 与半透明p e t 片材之间的相互作用，并利用8 8 0l wa g e m a 红外摄像机 测量热塑性塑料片材的表面温度分布，以确定透射热通量的表面分布状 况( 如图1 1 所示) 。初步研究带有漫反射镜的红外加热灯管的特性( 空 间和光谱) 表明，可将红外灯管看作各向同性的辐射源，并根据p e t 片 材前后表面的温度分布估算出加热电源断开后的温度梯度。此外m o n t e i x 等人还运用控制体积模型的一维b e e r l a m b e r t 定律对红外灯管加热的 p e t 片材的加热阶段进行了模拟。实验和数值模拟表明，沿片材壁厚 ( 1 5 m m ) 方向的温度分布在冷却阶段能快速达到某一均衡状态。 2 第一章绪论 图1 1 实验用加热装置 f i g 1 - 1e x p e r i m e n t a lh e a t i n gs e t u p 1 2 2 型坯拉伸拉伸吹胀机理的研究现状 目前大多数学者主要还是集中对拉伸机理的研究，研究的对象多为 p e t 片材，主要分析拉伸温度、拉伸速率及拉伸比的变化对p e t 材料取 向诱导结晶的影响。由于影响取向诱导结晶的因素比较多，因此得到的 结论也不尽致。而管状p e t 型坯的拉伸吹胀方面的研究近几年得到了 不少学者的重视，开始获得长足的发展，其代表人物有m a r t i n 、m e n a r y 等。 1 2 2 1 片状p e t 型坯拉伸研究现状 p e t 型坯的拉伸主要分单轴拉伸、平面( 等宽) 拉伸和双轴拉伸。 单轴拉伸是对样品的两端( 横向或纵向) 进行拉伸，在拉伸过程中会产 生颈缩现象；平面拉伸是在保持样品某一宽度不变的情况下，对另两端 进行拉伸；双轴拉伸分同时双轴拉伸和逐次双轴拉伸，前者是对样品的 相互垂直的方向同时进行拉伸，而后者是先对某对应的两个方向进行拉 伸，再对另两个方向进行拉伸t ”。 1 单轴拉伸 g o r l i er 等人17 1 通过对注射成型的哑铃状p e t 型坯样品( 直径4m m ， 如图l 一2 所示) 进行单轴拉伸，发现无定形p e t 型坯的单轴形变会导致 显著的应变硬化现象，这种现象是由于在形态转变过程中大量的局部链 段取向致使p e t 结晶引起的。 对于p e t 的应变诱导结晶方面的研究，很多学者认为，只有当应变 达到某一最小值后，结晶才开始产生。但也有学者1 9 ，认为，结晶是一个渐 进的过程，应该包含有一个中间阶段，相。g o r l i e r 等人r 7 i 通过实验分析后 3 兰要兰三查兰堡主兰丝鎏茎 发现，p e t 型坯结晶的首要证据是出现了平行于拉伸方向的、含有晶体 横向排列的区域a 在晶体微观结构还未完全产生时可以观察到应变硬化 现象，说明应变硬化由结晶的第一个阶段决定，而实际的结晶则在接下 来的松弛阶段产生。 曲智 图1 - 2 单轴实验中沙漏型样品的尺寸 f i g 1 2d i m e n s i o nso fh o u r g l a sss h a p e d s a m p l esu s e df o ru n i a x i a le x p e r i m e n t 图1 - 3 样品不同点的链段取向 f i g 1 3c h a i no r i e n t a t i o na td i f f e r e n t p o i n t so nt h es p e c i m e n 实验结果表明f s j ，随着应变的增大，p e t 样品的微观结构发生了显著 变化，从各向同性的无定形p e t 变为典型的平行于拉伸方向的纤维结构， 这时应变硬化开始产生并不断增大。实验结果还发现，结晶度和应变硬 化之间没有直接的关系。应变硬化与晶核生成有关，而结晶度则依赖于 应变大小和冷却速率。 m a h e n d r a s i n g a m 等人m ”1 从1 9 9 5 年开始系统地对p e t 片材在不同条 件下的取向和结晶进行了实验分析。起初是利用具有时间分辨的广角x 一 射线散射仪( w a x s ) 对双向单轴拉伸下p e t 的取向和结晶进行了实时 的观测。之后m a h e n d r a s i n g a r n 等人在同步辐射光下运用w a x s 对快速拉 伸下的p e t 片材的结构变化进行观测。1 9 9 9 2 0 0 0 年m a h e n d r a s i n g a m 等人又在之前的实验基础上对影响拉伸过程中p e t 结构性能的三大因 素：拉伸速率( 取0 0 5 1 2 s 1 ) ，拉伸温度( 取9 0 一1 2 0 ) 和拉伸比进 行了理论和实验分析，并引入了一个新的参数：取向有序参数 。研究结果表明，结晶速率与温度和分子取向有很大关系，在高的 拉伸温度下如果链段收缩率高于拉伸速率，那么晶体链轴将会明显的偏 离拉伸方向，在结晶过程中晶体倾斜度和晶体反射半宽基本保持不变。 a j i i 等人 1 6 17 1 对8 0 时不同拉伸速率下的p e t 片材薄片进行了详尽 分析。傅立叶变换的红外( f t i r ) 光谱和x 一射线的测试结果表明，不同 相态( 反式构象体、左右式构象体及结晶相) 发生了很大的取向，尤其 4 第一蕈绪论 是在拉伸比大于3 时。通过f t i r 的实验取向结果可以看出，反式构象体 取向随拉伸比稳定增加而且快速达到饱和，在此过程中，左右式构象体 取向可以忽略不计。 通过拉伸实验，a j j i 等人r l g - 19 ，还发现，在拉伸比小于2 3 左右时，没 有显著的应变诱导结晶产生。利用偏振函数光谱，他们计算出了取向有 序参数 ： = 面d - 1 蟊忑2j ( 1 1 ) 式中，d 为二色性比。对于给定的谱带。二色性比定义为平行和垂直于 拉伸方向的偏振峰面积比( a 。a ) 。取向有序参数与拉伸轴有关。 取向有序参数也可由另一种方法求得： f ，：坠! ：! ! 一 ( 1 2 ) 0 6 5 7 + 0 5 2 8 r 7 式中，r 为在j 方向采用偏振器测得的光谱为1 2 4 3c m 。1 和1 7 17 c m 。时反 射峰的高度比；f c ，为与j 方向有关的链轴取向有序参数。采用上述方程， 可以求出全部的取向有序参数，不论是对单轴还是双轴取向的p e t 样品。 为了得到结晶度对p e t 松弛行为的影响，a j j i 等人采用双折射对两 种不同拉伸比( 五分别取2 和3 6 ) 下的形态结构进行了比较：五= 2 时， 已经有了显著的取向行为，但还没有应变诱导结晶产生：2 = 3 6 时，则有 了显著的取向和结晶。 2 平面拉伸 v i g n y 等人 2 0 1 1 9 9 9 年对平面应变拉伸作用下无定形态p e t 的粘塑性 行为进行了分析。p e t 的真实应力一真实应变的本构行为根据粘塑性和有 限链段的熵的高弹性理论模型来进行分析。模型中的参数，尤其是描述 最终拉伸形态的参数，都与p e t 样品在拉伸下的应变诱导结晶有关。所 有实验都是在加热速率为1 0 k m i n 。1 下进行的。基于一个两相模型，可以 估算出结晶速率x 。： x 。= ( a h 。一a h 。) ，胡： ( 1 3 ) 式中脯。为实验过程中释放的热焓；胡。为熔融时所需的热焓； 删：。1 4 0 j g 为p e t 单晶熔化时的平衡热。 平面拉伸下的变形表现为各向同性，应力一应变曲线可分为二个阶段： 一是粘弹阶段，从0 到r ( 真实应变) 一1 2 1 6 ；二是大应变下的应变 硬化阶段，至结束时s 可达1 4 1 8 。应力一应变曲线表现出的另一个特 征是在试验过程中，应力是单调递增的，而之前有文献，认为存在一个 稳定区，即在此区域应力保持不变。 5 华南理上大学硕十学位论文 3 双轴拉伸 v i g n y 等人1 2 2 1 1 9 9 9 年对逆向拉伸过程中保持拉力不变的纵向拉伸的 p e t 薄片进行了详尽分析。这种类型的拉伸在拉力作用下产生平衡的变 形，并随所施加力的增大而增大，随温度的增大而减小。p e t 的逆向双 轴拉伸包括三个阶段：第一个阶段是横向等速拉伸无定形薄片；第二个 阶段是将经过单一横向拉伸后的薄片在滚筒问、等压和等宽条件下进行 纵向拉伸；最后在高温下对双轴拉伸薄片进行热固化处理。逆向拉伸过 程和典型的“平衡”拉伸过程有很大的区别：“平衡”拉伸过程是先在等 拉力和等宽作用下纵向拉伸无定形薄片，再进行横向等速拉伸 2 3 1 。 m a r c o 等人 2 4 - 25 l 运用w a x d 对双轴拉伸下p e t 的诱导结晶和取向进 行了分析。通过对不同温度( 9 0 ，1 0 0 ) 和拉伸速度( 8 ，2 0 ，4 0 m m s ) 下的两种双轴拉伸( 等双轴拉伸和逐次双轴拉伸) 进行实验分析后得出： 在单轴拉伸下，只有当应变达到某一最小值后结晶才会产生；在双轴拉 伸下，通常只有在拉伸比a 2 时，才会出现应变硬化和结晶度增加。在 高应变下( 对应拉伸比五。3 ) ，最终结晶度随拉伸速度的增加而增大。随 着拉伸温度的升高，诱导结晶下降。对同时发生的双轴拉伸试验，图1 - 3 给出了样品不同区域肉眼可见的不同种类的位置和变形的微观测量结 果。在其它条件相同的情况下，相比等双轴拉伸，逐次双轴拉伸可以得 到更高的总结晶速率。在实验过程中为了减小静态结晶的影响，样品采 用红外线快速加热并对温度进行严格控制。 1 2 2 2 瞥状p e t 型坯的拉伸吹胀研究现状 m a r t i n 等人 2 6 1 对管状p e t 型坯在拉伸吹塑过程中再加热和拉伸吹胀 阶段进行了理论模拟和实验研究。文中将实验测得的温度分布和厚度方 向的热导率作为拉伸吹胀有限元模拟的输入，型坯的形变量则通过所用 压力和拉伸杆的位置来预测。设定在吹胀过程中预吹压力、预吹时间、 吹气压力、吹气时间、拉伸杆速度等参数为定值。m a r t i n 等人通过模拟 预测的容器壁厚分布在实验分散度范围之内，从而确证了o g d e n w l f 模 型适用于拉伸吹胀阶段非等温的型坯变形。该模型能预测型坯的温度分 布对容器的影响。o g d e n 模型为： ，r1 w = 艺j 等瞬+ 鸳+ 鸳一3 ) i ( t - 4 ) i = ll “ j 式中o t ，“为模型常数( 可通过拟合实验曲线而得到) ，丑、如和如为主 应变的形变梯度张量值。温度变化函数a ，由w l f 方程得到： ，f 下一下1 i n ( a t ) = 一l 二孚 1 5 ) 6 第一章绪论 式中c 和c ：为模型常数，t ，为嘶= 1 时的参考温度。 m e n a r y 等人”28 1 运用有限元软件a b a q u s 对容量3 3 0 m l 的p e t 瓶 的注射拉伸吹塑过程进行了模拟。文中采用了三种模型( 蠕变模型、高 弹模型和非线性黏弹模型即b u c k l e y 模型) 。结果发现使用b u c k l e y 模型 预测的制品壁厚与实际测量结果最为吻合。然后用b u c k l e y 模型预测容积 为2 l 的p e t 瓶制品的壁厚分布，结果表明预测值与实际值相当吻合。 ( a )( b ) 图1 4 通过红多 测温装置测得的( a ) 和有限元模拟所采用的( b ) 温度分布 f i g 1 4t e m p e r a t u r ed is t r i b u t i o i l sf r o m ( a ) i n f r a r e dc a m e r aa n d ( b ) f em o d e l 由于p e t 型坯是透明的，很难确定其发射率，通过红外测温装置测 得的温度的精确值，其真实性值得怀疑。因此在有限元模拟中，m e n a r y 等人把沿壁厚方向的温度场忽略不计，并假定沿型坯长度方向将型坯分 为三段，在各段内温度保持不变，如图1 4 所示。此外，为了得到瓶子在 成型后不同部分的材料的一些指标，在拉伸吹塑前，对其中的部分型坯 进行网格划分，沿长度方向每隔2 m m 划一个圆周，利用成型后瓶子上所 示的刻划线来定量得出瓶子肩部和侧壁的各项性能。 m c e v o y 等人1 2 9j 运用a b a q u s 软件对不同拉伸吹胀和吹塑模具下的 轴对称p e t 瓶进行了模拟，结果发现采用a b a q u s 预测的经过拉伸吹胀 成型瓶子的壁厚分布与实际生产条件下得到的厚度值相当吻合。m c e v o y 等人进行的拉伸吹胀模拟是基于碳酸软饮料瓶的实际生产线，并采用了2 种不同质量的型坯，分别为1 6 5 9 和4 8 9 。对型坯进行加热后，由于缺少 合适的材料参数，假定在模拟过程中温度分布为定值。在拉伸过程中， 7 一竺堕翌三查兰堡主堂垡笙兰 拉伸杆的速度为恒定值；而在吹塑过程中，吹气压力是变化着的，首先 是低压的预吹，然后再利用高压气吹胀成型。 1 3 人工神经网络在吹塑机理研究中的相关应用 人工神经网络理论是2 0 世纪8 0 年代在国际上迅速发展起来的一个 前沿研究领域，其运用已渗透到各个领域，并在智能控制、模式识别、 计算机视觉、自适应滤波和信号处理、非线性优化、自动目标识别等方 面取得了显著成效m ，。 在再加热阶段，制品的壁厚分布受到起始型坯厚度、加热电压、加 热灯管的布局、加热时间和调温时间等诸多因素的影响，而神经网络适 用于需要同时考虑许多因素和条件的、不确定的以及模糊的信息处理问 题。因此将神经网络理论应用于制品壁厚分布的预测，是种比较理想 的方法。 现阶段，人工神经网络在吹塑机理研究中的应用主要是在挤出吹塑 方面，在拉伸吹塑方面的应用还很少。 d i r a d d o 等人”- ，在1 9 9 3 年采用神经网络的方法对制品壁厚分布的在 线预测进行了研究，初步展示了神经网络在这一领域的可行性。其神经 网络的输入包括：起始型坯厚度、温度分布、模具的几何外形和材料的 有代表性的流变参数：输出为不同点的壁厚。即根据型坯的厚度分布预 测制品最终的壁厚分布。反过来，d i r a d d o 等人1 32 1 还运用神经网络的方法 做了根据制品最终的壁厚分布反向推导出起始所需的型坯的厚度分布的 研究。 由于不适当的成型条件是造成制品厚度分布不均的重要原因，c h y a n 等人1 33 1 在对塑料薄片的热成型问题进行研究的时候，通过建立一个反向 b p 神经网络模型的方法，推导出最佳的成型条件。网络的输入为6 个不 同位置的壁厚值，网络的输出由神经网络处理后得出。神经网络的训练 基于4 7 组训练样本和1 0 组检验样本。结果表明，通过神经网络预测的 结果和实验数据相当吻合，说明成型过程中的最佳参数可以通过神经网 络的方法来获得。 我们研究室利用神经网络方法对h d p e ( 高密度聚乙烯) 熔体在有垂 伸影响下的挤出吹塑中的型坯成型进行了预测和模拟 3 4 1 。神经网络模型 采用两个三层b p 神经网络，模型l 的输入为型坯从挤出开始的时间t ， 熔体温度t ，挤出流率q ，输出为t 时刻型坯长度l ，它与挤出流率q 和 熔体温度t 组成了模型2 的输入，模型2 的输出z = i s 。( z = 墨。】f s 。j ) 为型 8 第一章绪论 坯的膨胀率，s 。、s 。和s 。分别为型坯的面积膨胀率、直径膨胀率和壁厚 膨胀率。对于模型1 ，通过改变熔体温度t 、挤出流率q 和时间t ，共得 到6 0 组数据，每组数据包含一个输入和输出，选取其中的5 5 组作为训 练样本，其余5 组作为检验样本；对于模型2 ，通过对三种不同类型机头 的实验，共得到6 0 组数据，选取了其中的5 4 组作为训练样本，其余6 组作为检验样本。结果表明，在实验数据范围内，经训练后的模型能以 较高的精度预测一定挤出流率和熔体温度时，某一时刻h d p e 型坯的长 度，以及不同长度型坯的面积膨胀率、直径膨胀率和壁厚膨胀率。 1 4 本研究课题的来源及主要研究内容 本课题来源于黄汉雄教授主持的国家自然科学基金项目。再加热阶 段是拉伸吹塑过程中十分重要的一个阶段，随着吹塑制品的形状越来越 复杂以及对制品不同位置处的壁厚分布要求越来越高，研究拉伸吹塑中 再加热阶段主要参数对制品壁厚分布的影响，对获得所需的壁厚分布且 结构稳定的制品有着非常重要的意义，并能指导实际的生产。 本文以管状p e t 型坯为研究对象，主要研究再加热阶段参数对制品 壁厚分布的影响。p e t 管状型坯首先在远红外旋转式型坯加热装置上进 行加热，再利用两步法拉伸吹塑机进行拉伸吹塑，成型为制品，经切片 后测量制品各点的壁厚。在实验的基础上，再运用入工神经网络的方法 对拉伸吹塑中再加热阶段进行研究。在对管状p e t 型坯的再加热阶段研 究现状、期待解决的问题以及相关工程和理论进行详尽分析、研究的基 础上，提出本论文拟主要研究的内容： 1 对p e t 管状型坯进行网络划分，利用实验手段分析不同加热电压、 再加热时间和调温时间对制品壁厚分布的影响及拉伸吹胀前后网格线的 变化情况。 2 对拉伸吹胀成型后的p e t 制品，分析不同加热电压、再加热时间 和调温时间下的型坯温度场变化及其对制品壁厚分布的影响，并建立人 工神经网络模型进行预测。 3 ，利用实验数据对神经网络模型进行训练，并运用建立好的神经网络 模型预测有别于实验值的不同温度场分布和调温时间下的制品壁厚分 布；此外根据制品的不同壁厚分布，反向推导型坯的温度场分布和所需 的调温时间。 9 华南理工大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章在对大量文献进行分析的基础上，阐述了研究拉伸吹塑中再加 热阶段主要参数对制品壁厚分布影响的理论价值和实际工程意义；此外 对拉伸吹胀阶段的研究现状也作了简要阐述。虽后提出了本课题的研究 意义并确定了主要研究内容。 1 0 第二章理论和实验基础 2 1 引言 第二章理论和实验基础 在p e t 型坯的再加热和拉伸吹塑中，型坯被送入再加热拉伸吹塑机 械，在烘箱内既移动又连续地旋转( 即型坯既自转又公转) ，以将其均匀 地加热。型坯颈部用隔热屏保护，不被加热。 再加热时间和调温时间是p e t 再加热拉伸吹塑较重要的两个参数。 首先分析一下拓宽型坯再加热加工范围的方法。“加工范围”是指能保证 成型性能与透明度要求的p e t 瓶的再加热时间范围。在该范围的左端( 即 再加热时间较短时) ，瓶子会出现应力发白现象；在该范围的右端( 即再 加热时间较长时) ，结晶雾度会较高。在该范围中部，可保证瓶子有满意 的透明度。型坯再加热加工范围与再加热的方法( 常用的有红外线加热 和石英管加热两种) 、p e t 树脂的性能及其改性、型坯及瓶子的设计等有 关。 在p e t 的再加热拉伸吹塑中，型坯被再加热后，沿其壁厚方向的温 度分布是不均匀的：外壁温度较高，内壁温度较低。这对型坯的拉伸、 吹塑是不利的，会使瓶壁内出现球晶、空隙或脱层面等缺陷，影响瓶子 性能( 如明显降低阻渗性能) 。因此，拉伸、吹塑型坯前应对其作温度调 节，即通过型坯壁内的导热，使积聚在靠近外壁的热量传至内壁，同时 外壁因与外界空气接触而得到适当冷却，这可保证型坯壁厚方向有较均 匀的温度分布。此外，型坯内壁的周向拉伸比要比外壁的大，为有利于 拉伸吹塑，型坯内壁温度要比外壁的高些。前人的一些实验结果表明： 适当减少型坯的再加热时间、增大型坯的调温时间对瓶子的成型是有利 的。 图2 1 为典型的两步法注射拉伸吹塑示意图，由图可以看出，在拉伸 杆还没到达模具底部时即开始吹气。 2 2 再加热阶段的理论和实验基础 v e n k a t e s w a r a n 等人分析了型坯壁厚方向的不均匀温度分布对再加 热拉伸吹塑p e t 容器的取向和性能的影响。在这里，v e n k a t e s w a r a n 等人 兰堕堡王盔兰堡圭兰堡笙兰 图2 1典型的两步法注射拉伸吹塑示意图 f i g2 1t y p i c a ls c h e m a t i cd i a g r a mo fi n j e c t i o ns t r e t c h - b l o wm o l d i n g 着重讨论了调温时间对型坯在加热过程中的温度场的变化情况( 如图2 2 所示) 以及型坯内、外表面温度置换( 即考虑内表面温度高于外表面温 度和外表面温度高于内表面温度两种情况) 对制品壁厚的影响。由图2 2 可以看出，起始时外表面温度比内表面温度高很多，随着调温时间的增 大，壁厚方向的温度趋于均衡，而且在一个更长的调温时间下，由于外 表面的空气流动更大，使得内表面温度比外表面还高。此外通过对比内 表面温度高于外表面温度和外表面温度高于内表面温度两种情况对制品 壁厚的影响，发现前一种情况比后种情况得到的制品壁厚更符合实际。 m a r t i n 等人1 2 6 1 对拉伸吹塑过程中再加热和拉伸吹胀阶段进行了理论 模拟和实验研究。对再加热阶段，考虑了加热管的布置和辐射热的分布， 并将预测的温度分布与实际测量的温度分布进行对比。这里采用的加热 炉安装有1 0 支双层钨丝加热灯管，对于管状型坯，有9 支灯管对其提供 热量，型坯不同区域的温度因不同位置灯管的加热功率不同而有差异。 型坯通过在加热灯管和反射镜之间旋转而使周向温度基本一致，此外为 了防止外表面温度过高，同时内表面温度得到充分的加热，在支撑座旁 边安装了通风扇，通过反射镜的狭槽对型坯的外表面进行冷却，灯管布 茎三兰墨笙塑窒壁茎型 局图见图2 3 所示。加热后的型坯快速放入吹塑模内，合模后拉伸杆对其 进行拉伸，与此同时吹入低压预吹空气。最后吹入高压空气成型制品。 假定在拉伸吹胀过程中，预吹压力、预吹时间、吹气压力、吹气时间、 拉伸杆速度等参数为定值。 图2 2 调温时间对型坯壁厚方向的温度 分布的影响 f i g 2 - 2e v o l u t i o no ft e m p e r a t u r ep r o f i l e t h r o u g hd i m e n s i o n l e s st h i c k n es sa sa f u n c t i o no ft i m e 圈 矗 图2 - 3 加热炉中的型坯尺寸和灯 管布局 f i g 2 - 3p r e f o r mg e o m e t r ya n dl a m p c o n f i g u r a t i o ni nt h eo v e n 2 3 再加热阶段参数与温度场的关系 在再加热阶段，前人大多只考虑了加热时间和( 或) 调温时间对制品壁 厚分布的影响，而对加热电压则很少提及 4 - e t 27 m ，。事实上由于对制品壁厚 的要求越来越高，对同一制品不同位置有不同的厚度要求，如果在再加 热过程中不考虑加热电压的影响( 即加热灯管的电压值设为一致) ，其得 到的型坯温度只能在很小的一个范围内变化，而且基本是颈部温度高， 之后沿底部逐渐降低。因此为了满足不同的壁厚要求，就必须使型坯的 温度场能够随意变化，而且变化的幅度也应尽量的大。为此本文考虑了 加热电压、再加热时间和调温时间三个参数对型坯温度场的影响，而制 品的壁厚分布与型坯的温度场有着直接密切的关系。 在本实验中，采用远红外旋转式型坯加热装置对型坯进行加热。这 套加热装置分为七个区，每个区都安装有8 支灯管，其电压值通过1 5 个 电压表来进行设定。由于灯管是通过辐射作用对型坯进行加热的，因此 电压的高低就直接影响到此时的温度，根据s h e i b y 等人的理论：灯管温 1 3 华南理_ 丁大学硕士学位论文 度对p e t 的再加热光谱吸收特性有显著的影响，较高的灯管温度可以产 生更多的热能，而且热能也会更深入地渗透到型坯的内部，从而提高p e t 的再加热速率，因此应尽可能地加大电压值。此外改变不同灯管的加 热电压，可使型坯不同位置的温度发生变化，从而影响制品的壁厚分布， 而这正是我们所要研究的。 加热时闯也与型坯的温度场有着密切的关系，加热时间越长，型坯 的温度越商，但这会降低生产效率。因此在效果相同的情况下，可以采 用适当增加加热电压，减小加热时间的方法。 调温时间主要与型坯厚度方向的温度分布有关m 。文献【1 】的理论表 明，调温时间短，型坯外表面温度比内表面温度高，这不利于制品的拉 伸吹塑；为有利于拉伸吹塑，型坯内表面温度要比外表面的高些。 2 4 本章小结 本章主要论述了再加热阶段的理论和实验基础，此外还讨论了加热 电压、再加热时间和调温时间与型坯温度场之间的关系。主要内容包括： 1 拉伸吹塑中再加热阶段的理论基础； 2 相关理论和实验基础； 3 加热电压、再加热时间和调温时间与型坯温度场的关系。 1 4 第三章实验研究 3 1 实验目的 第三章实验研究 本实验的目的是通过改变拉伸吹塑中再加热阶段的加热参数( 包括 加热电压、再加热时间和调温时间) ，得出不同的型坯轴向及壁厚方向的 温度场，并对各温度场下的型坯进行拉伸吹胀，进而分析制品的壁厚分 布。利用本实验得到的数据对神经网络模型进行正向及反向训练，训练 后的正向模型可以在实验数据范围内预测不同轴向温度场和调温时间下 的制品壁厚分布；而反向模型则可根据制品的壁厚分布推导出所需要的 加热条件。 3 2 实验材料 本实验中，用于成型管状型坯的p e t 的主要性能指标有：特性黏度 ( i v ) 为8 0 m l g ，密度为1 3 3 5 9 c m 3 ，拉伸强度为1 6 5 m p a ，玻璃化温度( t g ) 为7 5 ，熔点为2 6 5 。型坯质量为5 5 9 ，总长为1 4 3 m m ，壁厚为4 3 2 m m 。 型坯的尺寸如图3 1 所示。 图3 15 5 9 p e t 管状型坯( 尺寸单位：r a m ) f i g 3 - i s k e t c ho f5 5 9p e tp r e f o r m 1 5 华南理t 大学硕士学位论文 3 3 实验设备 本实验的实验装置主要由远红外旋转式型坯加热装置、两步法拉伸 吹塑机、啤酒瓶模具及冷却系统、压缩空气油水分离过滤器、低压空气 压缩机与高压空气压缩机以及气动系统和测温系统组成。 ( 1 ) 远红外旋转式型坯加热装置 本实验采用佛山伟力公司生产的型号为w l a p 0 3 的远红外旋转式型 坯加热装置，此加热装置适用于内径为中1 2 4 0 m m 的型坯，一次可加热 4 2 4 6 个型坯，远红外灯管排列为8 支7 区，加热时间为9 0 3 0 0 s ， 额定电压为3 8 0 v ( 三相) ，加热总功率为6 k w ，加热区外观及示意图如 图3 2 所示。 a 、 1 6 第三章实验研究 b 1 图3 2w l a p 0 3 远红外旋转式型坯加热装置加热区外观a ) 及示意图b ) f i g 3 - 2a p p e a r a n c ea ) a n ds c h e m a t i cd i a g r a mb ) o fh e a t i n gd e v i c e 远红外旋转式型坯加热装置分为七个区，每个区都安装有8 支灯管， 其电压值通过1 5 个电压表来进行设定，其中1 3 区从下往上数的第一 支灯管的电压通过第一个电压表来设定，第二支灯管的电压通过第二个 电压表来设定，以此类推，第七、八两支灯管的电压通过第七个电压表 来设定；4 7 区的每一组灯管的电压由一个电压表来设定，比如4 7 区从下往上数的第一支灯管的电压通过第八个电压表来设定，以此类推。 ( 2 ) 两步法拉伸吹塑机 本实验采用的是佛山伟力公司生产的型号为w l a p 0 3 的半自动两步 法拉伸吹塑机( 标准型) ，每台拉吹装置有2 个模腔，模腔标准间距为 1 3 0 m m ，模具标准厚度为1 6 0 m m ，最大开模间距为1 4 0 m m ，吹气气压为 l 2 5 m p a ，额定动作气压为0 8 0 9m p a ，额定电压为2 2 0 v 。 ( 3 ) 啤酒瓶模具及冷却系统 本实验采用的啤酒瓶模具是由黄汉雄教授设计的吹塑模具，外形图 如图3 3 所示。 1 7 一一一 兰要翌三盔兰翌主兰堡笙兰 图3 3实验用模具 f i g 3 - 3m o l du s e di 1 1t h ee x p e r i m e n t ( 4 ) 压缩空气油水分离过滤器 本实验采用的是南京赛格净化设备有限公司生产的型号为l j 3 3 2 h p 的油水分离器，其最高工作压力为4 0 m p a ，额定处理气量为2 0 m 3 r a i n ， 压力降0 0 7 m p a ，最大粒子直径5um 。 ( 5 ) 低压空气压缩机与高压空气压缩机 本实验采用的高压空气压缩机是天津埃斯福林空压机有限公司生产 的2 v f 1 2 3 0 型三级压缩、风冷、移动式空气压缩机。此空压机的额定 排气压力为3 o m p a ，额定排气量为i 2 m 3 r a i n ，主机转速为8 3 0 r p m ，储 气罐容积为0 3r n 3 ，电机电压为3 8 0 v ，电机功率为1 8 5 k w ，噪声1 0 3 d b ( a ) 。低压空气压缩机的额定排气压力为1 6 m p a 。 ( 6 ) 气动系统及其工作原理 本实验所用气动系统的功能包括执行功能( 低压气) 和吹塑功能( 高 压气) 。对低压气：经过冷却过滤排水、调压和润滑油气化后的气体推 动开合模气缸的活塞下降，中模