（计算机应用技术专业论文）浮法玻璃成形过程的计算机仿真模型研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 机制平板玻璃自问世以来，产生了诸多的生产方法，其中浮法工艺是目前 世界上最先进的生产方法。浮法成形工艺的普及率和发展水平已成为当今世界 上衡量一个国家平板玻璃技术水平的重要标志。数十年来，世界上许多国家和 机构投入大量入力和物力研究浮法工艺关键技术，并不断取得重大突破。由于 国外技术封锁等原因，国内浮法生产工艺水平与国际先进水平有不小差距。其 中浮法玻璃成形设备锡槽落后现象尤为突出，其结构参数与玻璃带在锡槽内成 形过程的工艺参数的控制还停留在经验和人工调整的水平上。通过生产实践， 逐渐加深对工艺特点的认识，利用计算机技术对复杂的玻璃成形过程进行模拟 仿真，实验研究成形过程关键工艺参数之间的联系具有重要现实意义。基于此， 本课题进行了相关工作。 在学习掌握浮法玻璃成形工艺的基础知识基础上，结合湖北省武汉市某玻璃 厂一条6 5 0 t d 级浮法线实际生产情况，建立锡槽内玻璃带仿真模型，利用有限 元分析工具a n s y s 对玻璃带温度场进行数值模拟，研究玻璃带流动形态及温度 分布变化。文中对不同厚度的玻璃进行了实验，分析数据结果得出成形过程关 键参数的规律，对比分析生产数据验证了该仿真模型的正确性，最后设计实现 浮法玻璃成形过程分析软件s s f f ( s i m u l a t i o ns y s t e mf o rf o r m i n gp r o c e s so f f l o a t g l a s s ) ，实现成形过程的计算机仿真及工艺参数优化，对实际生产有一定的 参考和指导意义。 浮法玻璃成形过程是一个复杂的粘塑性变形及传热过程，论文利用计算机数 值计算与仿真技术对该过程的模拟研究是在做了大量简化基础上进行的。今后 将结合锡液、保护气体、玻璃带组成整体锡槽模型进行研究，论文为建立熔窑、 锡槽及退火窑这一整套浮法玻璃生产模型分析系统奠定了基础，旨在将计算机 应用于浮法玻璃工艺研究，为推动中国浮法工艺发展做出一份贡献。 关键词：浮法玻璃；成形过程；a n s y s ；仿真模型 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f l o a t - g l a s st e c h n o l o g yh a sb e c o m et h em o s ta d v a n c e do n ew i t h i nm a n y p r o d u c t i o nm e t h o d ss i n c et h ee m e r g i n go fm e c h a n i s mf l a tg l a s s t h ep e n e t r a t i o na n d l e v e lo fd e v e l o p m e n to ft h ef l o a tf o r m i n gp r o c e s sh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ti n d i c a t o r t h a tm e a s u r e sac o u n t r y st e c h n o l o g i c a ll e v e lo ff l a tg l a s si nt h ew o r l d n o w a d a y s f o r d e c a d e s ，m a n yc o u n t r i e sa n do r g a n i z a t i o n sh a v ei n v e s t e dl a r g en u m b e r so fm a n p o w e r a n dm a t e r i a lr e s o u r c e si nr e s e a r c h i n gf l o a t g l a s st e c h n o l o g y , a n dh a v eg o tg r e a t s u c c e s s b u tb e c a u s eo ff o r e i g nt e c h n i c a lb l o c k a d ea n do t h e rr e a s o n s ，t h e r ei sg r e a t g a pb e t w e e nd o m e s t i cf l o a tg l a s st e c h n o l o g ya n di n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e l i ti s e s p e c i a l l yf o r t h et i nb a t hw h i c hi st h ek e ye q u i p m e n to ff l o a tf o r m i n gp r o c e s s t h e c o n t r o lo ft h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r si ns t i l lr e s to nt h el e v e lo f t h ee x p e r i e n c ea n dm a n u a la d j u s t m e n t d e p e n do nt h ep r o d u c t i o np r a c t i c e ，t h i sp a p e r g r a d u a l l yd e e p e n i n gu n d e r s t a n dt h ec h a r a c t e d s t i c so ft h ef l o a t g l a s sp r o c e s s ，u s e c o m p u t e rt e c h n o l o g yt os i m u l a t et h ec o m p l e xg l a s sf o r m i n gp r o c e s s i th a si m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et of i n dt h er e g u l a rb e t w e e nt h ek e yp a r a m e t e r sw h i c h c a l la f f e c t t h ef o r m i n g b a s e do nt h es t u d yo ff l o a t g l a s sf o r m i n ga n dt h ea c t u a lp r o d u c t i o nl i n eo f 6 5 0 t di nag l a s sf a c t o r yf r o mw u h a n ，h u b e ip r o v i n c e ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e dam o d e l o fg l a s si n 血b a t h ，a n du s e da n s y st on u m e r i c a ls i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l do f g l a s s ，s t u d i e dt h ec h a n g eo ft h ef l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l do fg l a s s i nt h et h e s i si c a r r i e do u tm a n ye x p e r i m e n t so ng l a s sw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s ，a n da n a l y z e dt h e e x p e r i m e n td a t at os u m m a r i z et h er u l eo fk e yp a r a m e t e r so ft h ef o r m i n gp r o c e s sa n d v e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s so ft h es i m u l a t i o nm o d e l t oa c h i e v et h eo p t i m i z a t i o na n d v i s u a ls i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rf m a l l yd e s i g n e da n a l y s i ss o f t w a r es s f fo ff l o a tg l a s s f o r m i n gp r o c e s s ，a n dt h e s er e l a t i o n sw o u l db eu s e f u lt op r o d u c t i o n 。 t h ef o r m i n gp r o c e s so ff l o a t - g l a s sw a sac o m p l e xv i s c o p l a s t i cd e f o r m i n g p r o c e s sw i t ht h ec o u p l i n gb e t w e e nh e a ta n dm e c h a n i c s ，s oi o m i t t e ds o m ep e t i t f a c t o r sa n dc a u g h tt h em o s ti m p o r t a n to n e si nt h ef l o a t g l a s sf o r m i n gp r o c e s si nt h e 武汉理工大学硕士学位论文 a r t i c l e i nt h ef u t u r e ，t h es t u d yw i l lc o m b i n et h et i ns o l u t i o n ，s h i e l d i n gg a sa n dg l a s s t om a k eu pa l li n t e g e rt i nb a t hm o d e l t h i sp a p e rl a i dt h ef o u n d a t i o nf o r t h e e s t a b l i s h m e n to fas e to ff l o a t - g l a s sm o d e la n a l y s i ss y s t e mw h i c hi n c l u d e st h ef u r n a c e ， t i nb a t ha n da n n e a l i n gf u r n a c e i th o p e dt or e s e a r c ht h ef l o a t g l a s st e c h n o l o g yw i t h t h eu s eo fc o m p u t e r , a n dm a k eac o n t r i b u t i o nt op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s e f l o a t - g l a s sp r o c e s s k e y w o r d s ：f l o a t - g l a s s ；f o r m i n gp r o c e s s ；a n s y s ；s i m u l a t i o nm o d e l i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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 武汉理工大学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 明并表示了谢意。 签名：扯 日期：塑坠兰万 学位论文使用授权书 僦徽，酗纛够伽万 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本课题受到武汉市科技攻关项目一“浮法玻璃质量控制与过程优化关键装 备研发与工程示范 资助。 论文主要是在学习了解浮法玻璃生产工艺理论的基础上，建立锡槽内浮法玻 璃成形过程仿真模型，通过计算机模拟玻璃带成形过程来研究影响玻璃成形质 量最为重要的因素玻璃带温度场分布，试图找出浮法玻璃锡槽内工艺参数 与温度场指标之间的关系，结合优化算法实现温度场指标单目标优化，期以能 为锡槽结构设计和工艺参数调整提供科学、数字化的指导意见。在此基础上设 计并实现相应的应用软件浮法玻璃成形过程仿真软件s s f f ( s i m u l a t i o n s y s t e mf o rf o r m i n gp r o c e s so ff l o a t g l a s s ) 。计算结果对比于生产数据证实了仿真 模型的基本正确性。 1 1 课题研究背景 玻璃由于其透明的特点，使得它在人民生活中获得十分广泛的用途。随着 国民经济的不断发展，人民生活水平逐渐的提高，对于玻璃的数量和质量也提 出了新越来越高的要求【l j 。 在公元前6 5 0 年以前，玻璃就生产了，但是一直到1 8 世纪，才研究出了冠 形制板法和圆筒法玻璃，也因此获得了大规模的生产。工业革命的发起也使平 板玻璃工业得到了极大的发展，2 0 世纪迎来了平板玻璃生产革命性的成果一浮 法玻璃生产技术。在1 9 5 9 年2 月英国的皮尔金顿公司宣布研究浮法工艺成功， 从此浮法工艺开始迅速的被推广。目前8 0 以上的平板玻璃都是由浮法工艺生 产。而浮法玻璃工艺也是目前玻璃生产技术中机械化和自动化生产规模最大的 生产技术。在平板玻璃原片制造技术上，目前国际上还没有新的更好的方法能 够取代浮法成形工艺，但浮法技术本身仍需继续完善和提高，国内外玻璃制造 者和学者一直为浮法工艺改进积极得工作。其中对浮法玻璃质量和产量起到非 常重要的影响因素是玻璃带在浮法工艺成形核心设备锡槽内的流动状态及温度 分布【2 。5 】。而随着计算机模拟仿真技术的发展，对浮法玻璃在锡槽内的成形过程 武汉理工大学硕士学位论文 进行仿真是具有理论意义和现实意义的，能为生产技术人员研究玻璃锡槽结构 的改进、改善作业条件、降低生产成本、调整生产作业制度等提供非常有效的 分析手段。因此论文基于这个基础上对浮法玻璃成形过程的仿真模型进行了研 究。 1 2 国内外研究现状 与传统的机械磨光玻璃相比，浮法玻璃具有很明显的优点：投资省、建设 快、产量高、质量好、成本低、品种多等。因此浮法玻璃生产技术的出现也引 起了世界各国的重视。美国、日本、德国、日本等发达国家为了建设各自的浮 法玻璃生产线，都纷纷向英国皮尔金顿公司购买技术专利。在浮法玻璃生产线 在各国进行普及的同时，浮法工艺在成形方法、自动控制、拉薄方法、锡槽结 构及生产规模方面也取得了很大的发展和改进。但是由于技术封锁原因，我国 的浮法玻璃没有与国际接轨，浮法工艺完全靠独立自主研发。所以与国际先进 水平相比，存在着很大的差距。随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的不 断提高，对于玻璃的需求也越来越大，要求越来越高，在这个良好的发展形势 下，我国的浮法玻璃产业也突飞猛进，不仅满足国内的生产需求，自2 0 世纪8 0 年代起，也同时向其他发展中国家进行出口，截止到去年底，我国建成的浮法 玻璃生产线已经约两百条，总量也达到了近六亿重量箱。 目前国际上研究浮法工艺主要有三种：现场实际测量、物理模拟试验和数 学模拟【6 】。第一种现场实际测量是最直接的一种研究方法，优点是简单，易于操 作，但是也具有较大的局限性，如不能随意更改生产条件，设备的结构尺寸固 定后无法改变，而且由于玻璃锡槽等设备处于高温封闭的状态，常规的一些测 试方法也无法得到运用，对于设备的内部运行情况无法进行全面细致的观察和 测试。因此，这种方法后来逐渐被其他方法所代替。物理模型法是依据流体流 动和传热中的相似原理，选用与玻璃液相似的液体进行模拟，在缩小的模型上 进行实验，在外部施加相同的温度及速度条件。这种方法虽然能够进行相似模 拟，但由于客观因素的干扰，得到的结果往往会有比较大的误差。在上世纪六 十年代后期，计算机技术不断的高速发展，利用计算机对模拟玻璃液流动规律 的偏微分方程进行数值求解成为了可能，也出现了数学模拟这一技术，这种技 术最早被用来模拟熔窑【7 - 9 】。最早的数学模拟比较局限于二维的温度场、速度场， 2 武汉理工大学硕士学位论文 并且需要考虑料溶化、电熔以及其他实际应用方面的问题，最常用的方法一般 有速度势函数涡量差分方法和有限元法掣1 0 j 。而到了上世纪八十年代，玻璃熔 窑的数学模拟技术有了更大的发展，由二维发展到可以模拟三维，也使得其模 拟价值得到更大的提高【l 。 虽然模拟技术有了更大的发展，但对玻璃成形过程的数值模拟技术却不是 很理想。普通的玻璃成形工艺中可以应用到弹性力学、流动分析、塑性力学和 热传导等基本概念，但由于一些条件如边界的流动性、与时间和温度有关以及 材料的高度非线性关系，大的变形率等，使得对平衡方程的解析很难进行求解。 多年来，国内外的许多学者、工程技术人员通过大量的研究，利用许多数值方 法来模拟玻璃成形，其中有限元分析技术在玻璃成形模拟中正得到广泛的应用 【1 2 2 2 1 。在玻璃成形方面发表的文章基本集中在成形工艺的二维分析上【矧。到目 前为止，在文献中有关玻璃成形的三维模拟的报道很少。在国内对浮法玻璃拉 边过程的模拟研究也非常稀缺。这一方面是因为国内外浮法玻璃生产厂家对锡 槽成形过程的参数严格保密，另一方面是因为浮法玻璃生产过程比较复杂，其 中涉及到化学、力学、热力学、摩擦学等各种知识。 近年来，国内外在浮法玻璃工艺及设备的研究上取得了一些突破，特别是 对玻璃池窑的计算机仿真模拟研究，不仅能够建立计算机仿真模型，其研究对 象也从二维发展到三维了，在实际生产过程中也能够得到应用。但是玻璃锡槽 技术相比熔窑技术还是要落后得多【2 4 l ，相关课题的科技查新报告的查新结论为 “探讨建立浮法玻璃锡槽的数学模型，三维数值模拟锡槽模拟并予以优化，达到 提高浮法玻璃产量质量的目标，研究开发出综合的锡槽计算机仿真模型的整体 研究思想，在国内文献、专利及科技成果中未见密切相关报道。”( 教育部武汉 理工大学科技查新工作站，报告编号：2 0 0 9 5 2 0 3 i x 1 8 a ) 1 3 本课题研究的意义及内容 1 3 1 课题研究的意义 浮法工艺是目前国内外使用最广泛也是最先进的生产平板玻璃的工艺方 法。因此，浮法成形工艺的普及率和发展水平也成为了衡量一个国家生产平板 玻璃技术水平的个重要标志。虽然我国的浮法玻璃工艺发展得比较晚，也比 3 武汉理工大学硕士学位论文 较落后，但近几年，我国通过引进大量的先进技术，国内浮法工艺机械设备及 控制水平都已经接近了国际先进水平。但在基础理论等软技术方面，我国生产 的浮法玻璃质量与国外先进技术相比还有比较大的差距，主要是因为在设计与 操作上更多地依靠经验。因此，建立一个合理高效的数学模型，研究出玻璃在 锡槽内的成形规则，对工艺参数进行合理优化是非常有必要和有意义的。随着 对玻璃质量和数量的需求不断增大，竞争也随之剧烈，因此浮法玻璃厂家也需 要将现有的浮法工艺参数进行优化调整，以达到降低生产成本，提高生产质量， 减少事故发生率，最终占有市场，在竞争中取胜。 同时中国节能技术政策大纲( 2 0 0 5 年修订，征求意见稿) 明确提出了“完 善中国洛阳浮法玻璃生产技术，如熔化技术、成形技术和生产优质浮法玻璃的 软件技术等”，大纲中明确提出了“成形技术”“软件技术”等概念。本课题所研究 的内容从政策层面上体现了其重要性，从技术层面上体现了其迫切性；目前浮 法工艺研究中对锡槽的数值模拟仅限于二维，且各模型间处于弱耦合，从实践 指导上体现了其必要性。我国“十一五”规划纲要提出了工业生产“节能减排”的重 大战略举措，为响应国家号召，严格控制热交换、设备配置标准化、准确调节 锡槽热工制度以及节省锡液、合理利用锡槽等都是浮法玻璃生产的必然趋势， 因此从节能角度来看，也体现了本课题研究的重要性【2 5 1 。 由于成形过程中涉及到很多的学科，如硅酸盐，传热学、基础流体力学、 流变学和固体力学等，其复杂性使得对浮法玻璃拉边过程进行数值模拟的研究 还比较少。但是数值模拟有着非常优越的特点，它能够在计算机上以程序的形 式将模拟表现出来，对物理参数和几何结构数据的设定十分的方法，而且变换 参数值也非常容易，运算结果不会受到外部条件的干扰，可视性也非常好【2 6 1 。 所以，利用数值模拟能够为生产技术人员了解成形过程规律和指导生产操作， 提高玻璃生产工艺的整体水平打下非常坚实的基础。 通过本课题的研究，为玻璃锡槽的结构设计、生产工艺的调整提供更快捷、 更科学的依据；同时为生产质量更高的玻璃产品提供质量控制平台，为建立一 整套功能强大的建模、仿真、分析浮法玻璃生产过程的专用软件奠定基础。 1 3 2 课题研究的内容 本论文在查阅大量浮法工艺及计算机仿真技术理论的基础上，以湖北省武 汉市某日产6 5 0 吨级浮法玻璃实际生产线为背景，探索计算机仿真方法在浮法 4 武汉理工大学硕士学位论文 玻璃成形过程领域的应用。论文共五章，文章结构安排如下： 第1 章绪论。本章提出了课题的来源以及研究背景，阐述了该课题领域内 的国内外发展现状，并介绍了课题研究的意义和内容，最后简述了全文的总体 框架结构。 第2 章相关基础理论。本章首先概述了浮法玻璃生产工艺的流程和特点， 介绍了玻璃带在锡槽内的成形过程，列出了课题研究中用到的数值模拟方法和 计算机仿真技术，最后简要介绍了有限元分析工具a n s y s 的功能特点。 第3 章浮法玻璃成形过程的仿真模型建立。基于工艺理论和生产实践建立 锡槽内浮法玻璃带的三维数学模型，简化几何模型利用a n s y s 软件进行有限元 建模并数值计算玻璃带温度场分布。分析仿真结果并予以优化。 第4 章浮法玻璃成形过程仿真系统设计。基于v c 6 0 和a n s y s ，构建了 锡槽内浮法玻璃成形过程仿真系统s s f f ，包括根据输入工艺数据参数化实体建 模、网格剖分及有限元计算温度场、温度场优化等功能。 第5 章总结与展望。总结课题研究工作，并提出后续工作方向。 论文各章节的结构关系如图1 - 1 所示。 技术路线 图1 - 1 全文总体框架 5 问题的提出 模型验证 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章浮法工艺及计算机仿真基础理论 2 1 浮法工艺概述 平板玻璃与人类的日常生产生活息息相关，平板玻璃及其制品广泛应用于 建筑、交通运输等部门。平板玻璃成形方法主要有手工成形、压延法、浇注法、 轧制法、机械拉制法等。手工成形法中又分为冠冕法、手筒法、机筒法，这些 都是平板玻璃的原始成形方法，现在只有某些生产量很少的玻璃品种还是用这 种方法。机械拉制法是平板玻璃的现代成形法，又可以分为水平拉引法和垂直 引上法，前者包括浮法、平拉法，后者分为有槽垂直引上法、无槽垂直引上法 和对辊引上法。传统的机械拉制法和磨光法都因其成形方法固有的原因带来的 玻璃缺陷显著、成本高等状况极大的限制了自身的推广使用。这种情况下，浮 法玻璃生产技术应运而生l z 。 浮法玻璃也是因为玻璃液漂浮在熔融的金属表面获得抛光成形而得名的。 熔窑中熔化好的玻璃液，在1 1 0 0 左右的温度下，沿流道流入锡槽。玻璃带成 形时的作用力有两种，即表面张力和自身重力。其中表面张力阻止玻璃液无限 摊开，决定了玻璃表面的光洁度，而自身重力又促使玻璃液摊开。玻璃液在重 力和表面张力共同作用下，逐渐摊开展平，便能形成表面平整、光洁如镜的玻 璃带。如果没有其他外力的作用，大概经过一分钟的时间，当表面张力与自身 重力平衡时，漂浮在锡液面上的玻璃带就获得自然厚度。玻璃带的自然厚度与 玻璃带化学组成相关，普通浮法玻璃的自然厚度约为7 m m 。生产更薄或者更厚 的玻璃，需要借助于外力。调整施加于玻璃带上外力的方向及大小，可以获得 所需要厚度的浮法玻璃。刚刚成形后的玻璃带，温度在7 5 0 以上，仍处于可塑 性状态，这时不宜对玻璃带进行机械传送，否则玻璃带会产生严重的机械擦伤。 因此，必须将玻璃带在锡槽内进一步冷却到6 0 0 左右，才能离开锡槽，进入过 渡辊台和退火窑。玻璃带在经过过渡辊台时，一般要经过s 0 2 气体处理以提高玻 璃的深加工产品质量。在退火窑消除应力。再经质量检测，纵横切割，装箱入 库。为了防止锡液在高温下的氧化，通常通入弱还原性的保护气体，以提高玻 璃质量1 2 7 1 2 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 浮法玻璃生产过程 玻璃是熔融、冷却、固化的非晶态无机物，能够用多种成形和加工方法制 成各种形状和大小的制品；可以通过调整化学组成改变其性质，以适应不同的 使用要求。平板玻璃具有良好的光学和电学性能，被广泛应用于社会生产生活 各领域，成为与国民经济和人民生活息息相关的原材料和生活材料。 自机制平板玻璃问世以来，产生了很多生产方法，比如：有槽法、无槽法、 平拉法、对辊法和格拉威伯尔法等，这些被称之为传统工艺。采用这些方法制 成的平板玻璃统称为普通平板玻璃。这种玻璃具有自然光泽的表面，但由于成 形方法固有的原因，使得制成的玻璃很难避免波筋和条纹等缺陷。与传统工艺 相对的是浮法工艺，由英国皮尔金顿平板玻璃有限公司于2 0 世纪5 0 年代发明， 因玻璃液漂浮在熔融金属表面获得抛光成形而得名。制得的玻璃表面平整而无 波筋，称为浮法玻璃。 玻璃热工设备是玻璃生产的关键设备，浮法玻璃生产过程中使用到三大热 工设备熔窑、锡槽及退火窑。这三大设备分工合作成为浮法玻璃生产工艺 流程的重要部分： ( 1 ) 熔窑：配合料( 根据玻璃品种，按一定比例配制好的原料) 经高温加热和 一系列复杂的物理、化学过程，形成符合成形要求的玻璃液的过程称为玻璃的 熔制。玻璃的熔制过程是在熔窑中进行的，其中包括五个阶段：硅酸盐形成阶 段、玻璃液形成阶段、玻璃液澄清阶段、玻璃液均化阶段和玻璃液冷却阶段。 ( 2 ) 锡槽：优质的熔融玻璃液由熔窑末端经流液道和流槽，然后进入锡槽。 玻璃液在锡槽中完成关键的成形过程，因此锡槽也成为浮法玻璃成形设备。流 入锡槽时的玻璃液温度约1 0 5 0 。c ，在重力和表面张力共同作用下，逐渐摊开展 平成表面平整的玻璃带。设置并调整拉边机的角度和转速，给予玻璃带外力， 将玻璃带拉薄或增厚，获得需要厚度的浮法玻璃。成形后的玻璃带( 7 5 0 。c ) 仍 处于可塑性状态，须在锡槽内进一步冷却到6 0 0 0 c 左右，才能离开锡槽，进入 过渡辊台。 ( 3 ) 退火窑：成形后的玻璃带经过渡辊台进入退火窑完成退火过程。退火 的目的是消除玻璃带中的残余应力和光学不均匀性，稳定玻璃内部的结构，保 证玻璃制品的机械强度、热稳定性、光学均匀性以及其他各种性质。 退火后的玻璃带进入浮法玻璃冷端设备，经过各种检测、切裁掰断、表面 7 武汉理工大学硕士学位论文 保护、堆垛装箱，最终成为平板玻璃成品。浮法玻璃生产工艺流程图如图2 - 1 所 示。 图2 - 1 浮法玻璃生产工艺流程图 2 3 计算机仿真技术基础 计算机仿真技术是利用计算机技术建立被仿真的系统的模型，并在某些实 验条件下对模型进行动态实验的- i - j 综合性技术【殍3 1 】。它具有高效、安全、受 环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、 评价、培训系统( 尤其是复杂系统) 的重要工具。 计算机仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿试验。人们利用这样 的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次 的问题做出辅助决策。仿真是个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实 系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题， 8 武汉理工大学硕士学位论文 又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。 仿真系统通常建立在一个多维的信息空间上，在一个定量和定性相结合、 感性认识和理性认识相结合的综合集成环境中，形成人机和谐的仿真环境。仿 真技术力求形成一个时间和空间上相互耦合的虚拟场景环境。把分散在不同地 点的子系统、新技术开发试验人员、使用人员以及决策人员联系在一起，使系 统各对象能有效地进行信息交互。 浮法玻璃生产过程的计算机仿真就是将仿真技术运用于浮法工艺研究，建 立整个系统及其子系统的仿真模型，并利用计算机和设计好的仿真系统，对已 有或设想的机场系统和管理决策进行模拟试验，输出统计和决策信息，从而， 对现行系统出现的问题或设计方案的优缺点进行分析和判断。 经过半个多世纪的发展，计算机仿真技术已经成为对人类社会发展进步具 有重要影响的一门综合性技术学科。仿真技术应用的领域不再局限于某些尖端 学科技术研究领域，而成为一项被众多学科领域广泛采用的通用性技术。在我 国，建模与仿真方法是随着应用需求的发展不断的进步，近十年来仿真技术发 展是沿着以应用需求牵引建模与仿真系统开发、以建模与仿真系统带动建模与 仿真技术突破、以建模与仿真技术促进建模与仿真系统发展、建模与仿真系统 又服务于应用良性循环的道路向前发展。仿真技术研究人员一方面不断地扩展 仿真应用领域，另一方面，其他领域研究的丰富成果与不断促使仿真技术人员 从新的角度、新的高度、新的广度认识建模与仿真。 下面对仿真技术进行简单概述【3 2 3 5 1 。 ( 1 ) 仿真模型的分类 仿真模型的种类随着被仿真对象的丰富而日益广泛。从最简单运动方程描 述的模型到描述复杂大系统发展变化规律的仿真模型，仿真模型的种类涵盖了 仿真所涉及的各个领域。 仿真模型可以按照其模拟的对象不同而加以分类，如功能有机材料热湿传 递过程模型，也可以根据仿真模型建立的方法进行分类，又可以依据其仿真中 不同阶段加以分类，如概念模型、数学模型、计算机实现模型等。随着仿真研 究对象的扩展，对仿真模型的分类研究应成为仿真概念研究的一个重要课题， 这是进一步发展仿真理论的需要。 ( 2 ) 仿真建模方法 仿真技术的需求不断变化，对建模方法论提出新的要求，主要有以下几点： 9 武汉理工大学硕士学位论文 仿真研究对象越来越复杂，需要研究复杂系统建模的方法； 仿真的精度和可信度要求越来越高，需要研究提高所建立模型的精度方 法： 同样的仿真研究对象，在不同仿真系统中要反映出不同的属性，需要在建 模时考虑具体的要求，并研究仿真模型简化、细化、聚合、解聚的方法； 仿真模型建立要反映仿真工程性越来越强的变化趋势，强调仿真建模及其 使用工具的标准化； 仿真建模人员不仅要考虑建立模型本身的要求，同样需要考虑验证模型的 要求： 总之，仿真技术的发展变化对作为基础的建模方法学提出了更高要求，这 种变化既反映在建模方法的技术层面，同样更高地反映到对建模过程和模型配 置管理的要求。 ( 3 ) 仿真模型互操作性 通过建立相对简单的仿真模型集，并通过一定的交互性协议，来构建相对 复杂的仿真系统实现对复杂的过程或现象进行研究，这是一种比较经济有效的 开发仿真系统的方法，这种思想已经被众多分布式交互仿真系统的成功应用所 证明。 ( 4 ) 仿真模型重用性 仿真模型实现中采用模块化和面向对象的设计与实现，使新的仿真应用开 发可以部分地应用前面研究开发的成果，一定程度上减轻了新的仿真应用开发 的压力，但这种较低层次上的重用性带有很大的随意性和不确定性。为了真正 实现仿真模型的可重用性，必须对模型设计、实现、验证和管理的各个角度建 立相应标准，来保证仿真模型重用性的实现。仿真是针对不同的应用目标的， 应用目标的不同直接反映到仿真模型的设计和实现中，因此为一个仿真应用所 开发的仿真模型很难原封不动地放到另一个仿真应用中，必须认真考虑被重用 的仿真模型与新的仿真应用目标的一致性程度，这种比较是仿真模型重用性研 究需要解决的关键问题。 2 4 计算机数值模拟方法 数学模拟技术是随着计算机的发展产生的一种研究方法。它通过计算机对 1 0 武汉理_ t 大学硕士学位论文 描述特定过程的数学模型进行求解，从而获得其变化规律及特性。人们利用计 算机对设备内部过程方程组进行数值计算求解，获得设备内部温度场及流场。 这种方法优点在于试验周期短、费用低、适应性强，而且能很高程度上逼近真 实工况。计算机问世以来数值模拟技术得到了迅速的发展，以成为数学中的一 个重要分支。数学模拟技术也在各种科学技术领域得到了广泛的应用【3 6 郴】。 数值计算方法发展至今，对于各种不同的微分方程和偏微分方程，产生了 多种形式的计算方法。数值计算方法是一种离散化近似的求解方法，只能求得 某些代表性点( 称为节点) 上的近似值。为了用计算机解出节点上的未知量的近以 值。首先需要从给定的微分方程或物理定律出发建立起关于这些节点上未知量 近似值之间关系的代数方程( 称为离散化方程) ，然后对之进行求解。 数值模拟的，优点在于可以使用计算机来直观地表示最终结果，根据所求量的 不同，可以有流体的速度矢量图、流线图、压力等值线图、等温线、等浓度线等 图形和动画，而且数值模拟方法灵活多变、速度快、费用小，可以方便的改变参数， 最终达到优化设计的目的。目前普遍采用的计算方法主要有有限元法和有限差 分法【3 9 1 。下面就这两种计算方法最简要对比介绍。 2 4 1 有限元法 在工程技术领域内，经常会遇到两类典型的问题。第一类问题，可以归结 为有限个已知单元体的组合。第二类问题，通常可以建立它们应遵循的基本方 程，即微分方程和相应的边界条件。例如弹性力学问题，热传导问题，电磁场 问题等。由于建立基本方程所研究的对象通常是无限小的单元，这类问题称为 连续系统，或场问题。场问题的一般描述为微分方程+ 边界条件【删。 实际上有限元分析方法就是工程技术领域常用的一种离散数值模拟方法， 原理是将原结构划分为许多小块( 单元) ，用近似函数表示单元内的真实场变量， 给出离散模型的数值解。有限元法是利用计算机进行的一种数值近似计算分析 方法，它是通过对连续问题进行有限数目的单元离散来近似的，是分析复杂结 构和复杂问题的一种强有力的分析工具。目前，有限元法在技术领域中的应用 十分广泛，几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可用它求得满意的数 值近似结果。 武汉理工大学硕士学位论文 有限元法的优点： 概念浅显，容易掌握，可以在不同层次上理解该方法； 有很强的适用性，应用范围极为广泛； 采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序。 有限元分析的目的如下： 单元数目 土 近似解b 精确解 应用有限元法来求解物理问题时的步骤大致如下： 写出所求解的控制方程及其边界条件的表达式； 将g a l e r k i n 加权余量法的表达式作一次分部积分，得出降维后的积分表 达式； 区域离散化，剖分单元，确定节点及其编号； 选定单元插值函数，导出单元形状函数； 单元分析，用所选定的近似函数降维后的积分表达式，导出单元矩阵； 总体合成，将单元矩阵的元素按一定方式叠加形成总体有限元方程； 处理边界条件。 有限元法适合于求解椭圆型方程，如二维稳态温度场计算；对于非稳态导热 问题所提出的抛物线型方程的初值问题，其发展前景也是很宽广的。不足的是， 目前有限元法的研究还不如有限差分法那样成熟，特别是在误差分析方面。 2 4 2 有限差分法 锡槽内浮法玻璃带成形过程模拟过程中，对于控制方程和边界条件的处理， 一般都是以偏微分方程表示，直接求得精确解是非常困难的，需要首先把偏微 分方程组转变为代数方程组来求近似数值解。有限差分法通过用差商代替微商， 用差分方程逼近微分方程，并根据原问题的初边值条件合理地给出离散化代数 方程的初边值条件，从而实现离散化、代数化这一过程【4 。 目前常用的有限差分法主要是泰勒展开法和控制容积积分法。泰勒展开法 侧重于从数学角度进行推导，把控制方程中的各级导数用相应的差分表达式来 代替；控制容积积分法侧重于从物理观点进行分析，每个离散化方程都是小区域 1 2 武汉理工大学硕七学位论文 上某种物理量守恒的表达式。 2 4 3 两种方法的比较 有限元法和有限差分法对物理问题进行数值求解的区别，主要在于区域离 散化的方式不同，建立代数方程所依据的原则或方式不同，以及由此而引起的 代数求解方法上的区别。有限元法和有限差分法的主要区别如下表： 表2 1 有限元法和有限差分法的比较 有限元法有限差分法 1 、为求解微分方程描述的闩题的近1 为求解微分方程描述的问题的近 似方法似方法 2 ，包含求解大型稀疏方程组2 、包含求解大型稀疏方程组 3 、能够包含有相当多的输入和输出3 ，输入和输出少时建立比较简单 4 、单元类型、形状及大小可以有相4 ，通常使用规则形状的网格难于 当多的选择方案找到经济的网格类型 5 ，边界能够很好的符合实际情况5 ，边界常常不能很好的符合实际情 况 6 、可以用于非均一及各向异性的问6 、不能很好地适用于非均一及各向 题异。陛的问题 7 、能够标准化因而可以使用许多现7 ，各种问题各不相同 成的计算机程序 8 、求解过程需要技巧和判断8 、求解简单容易 9 、边界条件容易描述9 、特征边界条件难于描述 有限元法和有限差分法是目前非常流行的两种数值模拟方法，它们的基本 原理不同，这就导致这两种方法适用的领域有所不同。前者是基于变分原理和 部分插值的，适合于解决几何、物理条件比较复杂的问题，并且适应能力比较 强。它反应了节点参数随网格单元的变化情况，使用了有限差分法离散处理的 内核。而且有限元法以统一的形式对区域内节点及边界节点列出计算式，能把 一般的边界条件吸收进去，当然是除了给定的边界条件，使得各节点在准确度 上都比较协调。 基于以上对比分析，在仿真模拟浮法玻璃成形问题时采用有限元法更为适宜。 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 有限元分析工具a n s y s 2 5 1a n s y s 简介 以计算机模拟手段为基础的计算流体力学在对涉及流体流动等相关现象以 及在几何模型和网格生成、数值算法、湍流模型、流态显示等方面都取得了重 大进展。以计算流体力学为学科基础的c f d 技术有强大的模拟能力，在工程及 非工程领域有着广泛的应用 4 2 - 4 3 。 在众多的c f d 分析软件中，a n s y s 有限元分析软件和f l u e n t 软件是较为突 出的流场分析软件。a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型 通用有限元分析软件，软件程序中的f l o t r a nc f d 分析功能是一个用于二维 及三维流体流场的先进工具，它集计算、前处理、后处理为一体。f l u e n t 软件可 以解算涉及流体、热传递及化学反应等的工程问题，它具有丰富的物理模型、 先进的数值方法以及强大的前后处理功能。 通过比较可知这两个软件在建模及求解中都具有相似之处，f l u e n t 利用其前 置模块g a m b i t 在网格划分时较为容易。但a n s y s 软件是基于有限元法( f e m ) ， 有限元法是将一个连续的求解区域任意分成适当形状的微小单元，并于各小单 元分片上构造插值函数，然后根据极值原理将问题的控制方程转化为所有单元 上的有限元方程，把各单元极值之和即为总体的极值，也即将局部单元总体合 成，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组，求解该方程组就得到各节点上待 求的函数值【4 4 1 。而f l u e n t 软件则是基于有限体积法( f v m ) 。有限体积法采用单 元的离散而不同于有限差分法，它具有有限元法的网格剖分的灵活性，能逼近 复杂的几何区域；它又不同于有限元法，避免了在单元上构造插值函数，具有 有限差分法在格式构造上的多样性，可以利用所有几乎所有差分方法的技术和 理论结果。有限元法适合处理复杂区域，精度可选，其缺点是内存和计算量大， 不如f v m 直观。有限体积法适用于流体计算，应用于不规则网格，适于并行， 但精度较低。 美国a n s y s 公司成立于1 9 7 0 年，创始人是j o h ns w a n s o n 博士。a n s y s 程序是一个通用设计分析软件【4 5 j ，早期的产品只提供热分析和线性结构分析功 能，只能运行在大型计算机上，必须通过编写分析代码按照批处理方式执行。 2 0 世纪7 0 年代后，逐步增加了非线性计算功能、更多的单元类型以及子结构等 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 技术。随着小型机和p c 机的出现，操作系统进入图形交互方式后，a n s y s 程 序建立了交互式操作菜单环境，极大地简化了分析过程的操作性，使设计分析 更加直观和可视化，程序不再仅仅是求解器，同时提供前后处理器，对模型的 创建和结果的处理更加方便。 随着分析技术的进步，许多新的设计分析概念和方法不断充实到a n s y s 程 序中，a n s y s 程序推出微机版程序，使得a n s y s 普及应用取得巨大的成功， 经历了4 x ，5 x ，6 x 到a n s y s l l 0 ，a n s y s 程序的功能不断丰富，更加完善， 求解的速度和规模也越来越大，操作也越来越方便，便于学习和掌握，受到国 内外工程技术人员的极大欢迎。长期以来a n s y s 公司紧跟世界最新的计算方法 和计算机技术，领导着有限元界发展的趋势，形成强大的分析功能。a n s y s 程 序能够同时分析结构、热、流体、电磁、声学的高级多物理场耦合分析功能， 先进的多物理场耦合分析技术现在世界首屈一指。各独立物理场的分析功能包 括各种结构的静动力线性或非线性分析、温度场的稳态或瞬态分析以及相变、 计算流体动力学分析，声学分析和电磁分析。另外，还提供目标设计优化、拓 扑优化、概率有限元设计、二次开发技术( 参数设计语言a p d l 、用户图形界面 设计语言u i d l 以及用户可编程特性u p f s ) 、子结构、子模型、单元生死、疲劳 断裂计算等先进技术。 a n s y s 作为分析软件于1 9 9 5 年5 月第一次通过了i s 0 9 0 0 1 质量认证，现在 已经通过i s 0 9 0 0 12 0 0 0 质量认证。在中国，a n s y s 有专门的办事处，在销售和 技术支持等方面提供