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摘要 新型挤出机头熔体分配结构及理论分析 摘要 挤出机头是塑料挤出成型装备的重要组成部分，是挤出成型制品 的成型部件。挤出机头中的熔体分配方式是机头设计的关键，采用何 种熔体分配方式将直接影响机头性能的好坏。当前，在大多数主流机 头的熔体分配结构上，要么结构简单，但却难以保证熔体在机头内所 经路径一致，要么结构设计要求高且复杂，加工制造难度大，成本高。 另外，在机头的模拟优化设计上，大量的研究工作也主要集中在机头 中熔体分配流道上。 本文以熔体在机头内所经途径的一致性为切入点，设计了一种新 型的熔体分配流道结构。针对此种熔体分配结构，以吹塑薄膜机头内 的流场为例，建立了数学模型和有限元模型，并利用专用的c f d 软件 p o l y f l o w 进行了模拟计算，得到了不同参数下机头内熔体流动的压 力场、速度场和黏度场的分布，并对分配流道截面面积、倾斜角、扩 张部分扩张角、扩张比、扩张部分流道侧面结构、定型段长度等主要 几何参数进行了优化设计，得出了较为合理的参数组合。本文还就此 种机头中入口流量对流场的影响进行了讨论。 本文所设计的熔体分配流道机头的结构简单，易于加工制造，能 够达到良好的熔体分配效果，而且流道中无死角，压力损失小，生产 效率高。此种熔体分配流道结构与分配方式可应用于挤管、吹膜、挤 北京化工大学硕士学位论文 板、挤片、挤平膜等机头上。而且，无论从结构设计还是从加工制造 以及成本上讲，其特别适用于以上类型制品的复合挤出机头。 关键词：挤出机头，多流道分配，p o l y f l o w ，数值模拟 摘要 t h ed e s i g na n dt h e o r e t i c a l a n s a l y s i s o fa nn e wm el r r - d i s t i u b u t i o n s t r u c t u r ei ne x t r s i o nd i e a b s t r a c t p l a s t i ce x t r u s i o nd i ei sa l li m p o r t a n tp a r to fe x t r u s i o ne q u i p m e n t ， w h i c hm o d e l se x t r u d e dp r o d u c t s m e l t - d i s t r i b u t i o ns t r u c t u r ei st h ep i v o t a l p a r to fe x t r u s i o nd i e ，w h i c hi m p a c t so nt h eq u a l i t yo fe x t r u d e dp r o d u c t s d i r e c t l y m o s tm e l t d i s t r i b u t i o ns t r u c t u r eo fe x i s t i n gm a i n s t r e a me x t r u s i o n d i e sc a l ln o te n s u r et h ec o n s i s t e n c yo fm e l t f l o wp a t h sw i t hs i m p l e s t r u c t u r e t h eo t h e r sd i e sw h i c hc a ne n s u r et h ec o n s i s t e n c yo fm e l tf l o w p a t h sa l ed i f f i c u l tt od e s i g na n dm a n u f a c t u r ea n dc o s t l y a n d ，t h eo p t i m a l d e s i g no f t h ed i e si sa l m o s tf o c u s e do nt h ed e s i g no fm e l t - d i s t r i b u t i o n i nt h i ss t u d y , w i t ht h ee n t r yp o i n to ft h ec o n s i s t e n c yo fm e l tf l o w p a t h s ，an e wm e l t - d i s t r i b u t i o nc h a n n e ls t r u c t u r ei sd e s i g n e d i nt h i sp a p e r s ， d i r e c t e da g a i n s tt h i sm e l t - d i s t r i b u t i o ns t r u c t u r e ，ab l o w n - f i l md i ew a s d e s i g n e d a n dt h em a t h e m a t i c a l ，p h y s i c a la n df i n i t ee l e m e n tm o d e l so ft h e b l o w n f i l md i ew e r eb u i l t b yu s i n gt h ec f ds o f t w a r e ，p o l y f l o w , t h e f l o wf i e l di nt h eb l o w n f i l md i ew a ss i m u l a t e da n da n a l y z e d ，a n dt h e p r o f i l e so fp r e s s u r e ，v e l o c i t ya n ds h e a r r a t eo ff l o wf i e l di nt h ed i e sw i t h d i f f e r e n tg e o m e t r i cp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d i i i 北京化工大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h ef l o wf i e l d ，g e o m e t r i cp a r a m e t e r s ， i n c l u d i n gt h es e c t i o n a la r e ao fd i s t r i b u t i o nc h a n n e l ，t h ea n g l eo ft h e e x p a n s i o np a r t ，t h ea r e ar a t i oo ft h ee x p a n s i o np a r t ，t h el a t e r a ls t r u c t u r eo f t h ee x p a n s i o np a r t ，t h el e n g t ho fc a l i b r a t i n gs e g m e n ta n ds oo n ，w e r e i n v e s t i g a t e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，a n dt h e o p t i m i z e dg e o m e t r yp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d i nt h es t u d y , t h ef l o w r a t e s i np o p u l a t i o nw a sa l s od i s c u s s e d t h es t r u c t u r eo ft h ed i ew i 也t h em e l t - d i s t r i b u t i o ns t r u c t u r ed e s i g n e d i nt h i ss t u d yi ss i m p l ea n dm a n u f a c t u r e de a s i l y i tc a l la c h i e v eag o o de f f e c t o fm e l td i s t r i b u t i o na n df l o w si nt h en o n - d e a df l o wp a t h a n dt h ep r e s s u r e d r o po ft h ef l o wd o m a i ni nt h ed i ei sl i t t l e ，s ot h ee f f i c i e n c yo ft h ed i ei s h i g h s u c hm e l t d i s t r i b u t i o ns t y l ea n ds t r u c t u r ec a na l s ob eu s e di nt u b e d i e s ，b l o w n f i l md i e s ，s h e e to rf i l md i e s m o r e o v e r , i nt e r m so fs t r u c t u r a ld e s i g n i n g ，m a n u f a c t u r i n go rt h ec o s t ， i ti sv e r ys u i t a b l ef o rd i e sf o rc o m p o u n dt r i p l e l a y e r k e y w o r d s ：e x t r u s i o nd i e ，m u l t i f l o wc h a n n e l ，p o l y f l o w , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i v 符号说明 符号说明 a 吹胀比； w吹膜折径，m m d 口模直径，m m b 牵伸比 磊 口模间隙，m m s薄厚，m m l定型段长度，m m d 机头入料口直径，m m a 扩张角，o y 速度，m s 1 t 时间，s p 压力，p a f 剪切应力，p a 7 剪切速率，s 1 r 粘度，p a s a 松弛时间，s 拧非牛顿指数 q 流量，m 3 s - 1 x 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。 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，在上年解密后适用本 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：缢必j 蓬 导师签名：塑丝幺 日期：- 型红f ! 埋 日期：丝芝彤 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 塑料作为与水泥、金属、木材并称的国民经济四大材料之一，在当今世界有 着不可替代的地位，它的身影几乎无处不在。塑料已经成为仪器仪表、交通运输、 无线电、电讯器材及日用品生产中不可缺少的材料，特别是在建筑行业中塑料的 应用更是潜力十足。据统计：2 0 0 7 年我国塑料产量已达3 0 7 3 5 5 万吨，同比增长 1 8 5 4 ；表观消费量4 5 7 8 0 4 万吨，同比增长1 2 0 9 蜊。从以上数据可以看出， 塑料在我国正在迅猛发展中，有着广阔的市场前景。 塑料制品主要的成型加工方法有挤出、注塑、压延等，其中挤出成型是塑料 加工中出现较早的- i j 技术。挤出成型较其他加工方法有着自己的优势，其具有 效率高、投资少、制造简便、可以连续化生产、占地面积小和环境清洁等优点， 尤其是其可连续化生产的特点，对于大型的工业化生产具有非常大的优势。在当 今的塑料加工领域，据统计，6 0 以上的塑料都要经过挤出加工的1 2 1 ，可见其在塑 料成型加工领域占有地位的重要性。 挤出机头是塑料挤出成型装备的重要组成部分，是挤出成型制品的成型部件， 对成型制品的质量有着直接的影响。其主要作用是，将挤出机提供的塑料熔体分 布于机头流道内，经分配流道后形成所需要的制品截面形状，并保持一定的压力， 以均匀的速度从机头口模挤出。人们在长期的生产实践中总结出影响塑料制品质 量的三大要素合理的挤出成型工艺、先进的挤出设备、高效先进的挤出模具 和定型装置，其中机头的好坏对制品的质量起着决定性的作用f 3 】。而机头的好坏很 大程度取决于其所采用的熔体分配方式。 1 2 典型机头及其熔体分配方式1 4 1 5 l 【6 j 挤出机头的种类有很多，如挤管机头、吹膜机头、狭缝机头( 挤板机头、片 材机头、平膜机头) 、吹塑机头、异型材机头、造粒机头、抽丝机头等等。在环形 口模和狭缝口模的机头中，其结构及熔体分配方式对制品质量有着至关重要的影 响。 1 2 1 管机头 常用于管材生产的机头有直通式管机头、直角式管机头、螺旋芯棒式管机头 和篮网式管机头，其典型结构如图1 1 、1 2 、1 3 、1 4 所示。 北京化工大学硕士学位论文 图1 - 1 直通式管机头 f i g 1 - 1s p i d e rp i p ed i e 图1 3 螺旋芯棒机头 f i g 1 - 3s p i r a lm a n d r e lp i p ed i e 图1 - 2 直角式管机头 f 迎1 - 2c r o s s h e a dp i p ed i e 图l - 4 篮网式管机头 f i g 1 - 4l a t t i c ee x t r u s i o np i p ed i e 在这四种机头中，直通式管机头和篮网式机头的熔体分配方式大致一样。熔 体都是通过圆形流道进入机头，经分流锥分流成环形熔体流，最终经过平直的定 型段流出机头。不同的是在直通式管机头中，熔体要流经分流锥支架，从而使其 生产的制品产生数条熔接线。熔接线不仅会影响制品尺寸精度，还会造成管材局 部机械性能的降低【_ 刀。而篮网式机头在流道中增设了篮网结构，在篮网上布满大量 的网孔，熔体在流经篮网段后，实现了很好的混合，从而消除了因分流支架引起 的熔接线【8 】。篮网式机头流通面积大，压力损失小。在直角机头中，熔体经入口段 到达芯棒后，分为两股熔体沿分流线流动，两股熔体在分流线末端尖处汇合，然 后沿机头定型段流出。若将直角机头的芯棒展开，可以发现熔体是沿着分料线所 构成的扇形型腔进行周向分配的。在螺旋芯棒机头中，熔体首先被芯棒入口端的 星形流道或环形流道分成几股独立的熔体流，然后进入芯棒上的螺旋形流道内， 随着螺旋流道逐渐变浅，熔体在圆周上均匀分布，最后经定型段由机头口模挤出。 螺旋芯棒机头的结构避免了熔接线的产生，并保证了熔体的温度及力学性能的均 匀性。 第一章绪论 1 1 2 吹膜机头 在吹塑薄膜的生产中，机头结构有芯棒式机头、十字形机头和螺旋芯棒式吹 膜机头，其典型结构如图1 5 、1 - 6 、1 - 7 所示。此外，莲花瓣机头也是一种很有特 色的吹膜机头，其结构如图1 8 所示。 图1 - 5 芯棒式机头 f i g 1 sm a n d r e le x t r u s i o nd i e 渊渊 划 巧 号菸泓凶 # 乙i )【_ 埘 翟7 z 夕l 萋蘑 u 7 、，v l给 吨测茸 图1 7 螺旋式吹膜机头 f i g 1 - 7s p i r a lm a n d r e lb l o w m - f i l md i e 图l - 6 十字形机头 f i g 1 - 6c r o s s h e a dd i e 图1 - 8 莲花瓣机头 f i g 1 8l o t u sf l o w e rp e t a ld i e 由于吹膜与挤管都是要生产环形制品，故它们所使用的机头的基本结构大致 也一样，这从图1 5 、1 - 6 、1 - 7 和图1 1 、1 2 、1 3 的对比中也可以看出。因此， 它们的熔体分配方式大部分也是相似的。例如，吹膜机头中的芯棒式机头、十字 形机头和螺旋芯棒式机头的熔体分配方式分别与直角式管机头、直通式管机头、 螺旋芯棒式管机头的熔体分配方式相似。莲花瓣机头则是一种用于宽幅薄膜生产 的机头【9 】。在莲花瓣机头中，熔体由机头的中心位置进入，然后沿着支流道向圆周 缝隙流动，流到缓冲区时熔体汇合，再经机头定型段挤出。 芯棒式吹膜机头在挤出过程中易出现偏中现象，且分流线设计的成败直接影 萝糍 北京化工大学硕士学位论文 响熔体分配的效果，制品中也会存留熔接线。十字形吹膜机头虽然结构简单，但 是制品中存留的多条熔接线是其最大的软肋所在。螺旋芯棒式吹膜机头熔体分配 均匀，制品中无熔接线，是当前应用最为广泛的机头。但是它的设计较为复杂， 加工制造难度较大，成本较高。莲花瓣吹膜机头的设计加工较为复杂，已经很少 应用。 1 1 3 狭缝机头 与前两类机头不同，板材、片材、平膜挤出机头具有宽而薄的口模，统称为 狭缝机头。其流道由圆形渐变为狭缝，熔体经分配流道沿机头宽度方向均匀分布 后，经机头定型段挤出成型。其分配流道按几何形状分为t 形、鱼尾式、衣架式 三种，其典型结构如图1 - 9 、1 1 0 、1 1 1 所示。 图1 - 9t 形机头 f i g 1 - 9td i e 图1 1 0 鱼尾式机头 f i g 1 - 1 0f i s h t a i ls h e e td i e 图1 1 1 衣架式机头 f i g 1 1 1c o a th a n g e rd i e t 形机头是由一个带有纵向切口的圆管形型腔构成。熔体由岐管中部进入，充 满岐管后，再由岐管缝隙经定型段挤出。t 形机头结构简单，但熔体分配效果差， 制品幅宽小，故很少应用。 鱼尾式机头的流道具有一定的流线型，熔体分配效果大为提高，但是制品幅 宽受到限制，否则机头轴向长度会很长，机头大而重，故应用也受到一定限制。 衣架式机头是当前应用最为广泛的狭缝机头。其独特的衣架式分配流道使得 熔体分配更加均匀。但是，其设计、加工制造的难度和复杂性也就在于此。 i i a 熔体分配流道类型 从以上分析可知，上述挤出机头内的熔体分配方式可以归类为以下几种类型： 1 、环形分配，如直通式管机头及十字形吹膜机头。这种分配方式，熔体由中 心进料，依靠分流锥的作用将其分成环绕分流锥的料流，在流经分流锥支架时熔 体被分为几股，然后再汇合流出。此种分配方式结构简单、但不可避免地形成熔 4 第一章绪论 接线。 2 、扇形分配，如芯棒式机头、鱼尾式机头和衣架式机头。这种分配方式，熔 体由扇形的顶点进入，然后按扇形型腔放射性分布。此种分配方式对扇形区的设 计有很高的要求，设计较复杂，加工制造难度大。 3 、螺旋分配，如螺旋芯棒机头。此种分配方式是，先将熔体分为几股独立的 料流，然后在芯棒和机头体之间，形成既有沿各自的螺旋流道的周向流动，也有 沿机头轴向的流动，在流动的过程中逐渐汇合。螺旋分配结构较复杂，设计和加 工制造的难度相对较大，熔体在机头内停留时间相对较长。 4 、多流道分配，如莲花瓣机头。此种分配方式是将熔体分为多股独立的料流， 直到汇合区熔体才汇合在一起。此种分配流道的结构仅适用于径向尺寸较大的机 头。 5 、横向分配，如t 形机头。这种分配方式，熔体首先在歧管内横向分配，然 后再纵向挤出。虽然结构简单，但在口模处很难达到熔体的均匀一致，故应用极 少。 1 2 挤出机头的研究历史与现状 由于机头在生产中的重要地位，有关机头研究工作的文章很多。近年来，机 头的研究主要集中在应用数值模拟的方法，对机头内流动状态的模拟与仿真以及 对机头设计的优化上。这是由于相对于传统的“t r i a la n de r r o r 方法，采用计算 机数值模拟来完善机头设计，更能节约开发成本和开发周期。 1 2 1 机头内熔体流动的研究 对机头内熔体流动的研究是现今机头研究的热点之一。这一方面的研究主要 是通过对机头内流场的模拟，分析压力场、速度场、剪切速率场及黏度场的变化， 以分析机头参数变化对流道内熔体流动状态的影响。 1 9 9 4 年，a p r i n b 1 0 】等采用解析法和数值法模拟了衣架板材机头的二维流动， 根据模拟结果得到了衣架机头的速度场和压力场，并利用有限差分法计算了熔体 的三维温度分布。 1 9 9 8 年，j a y 【j 等人利用p o l y f l o w 有限元流体分析软件分析了在模拟分析中滑 移边界条件对聚合物挤出胀大现象的影响。通过在口模内壁设置不同长度的滑移 区，发现使用滑移边界条件后能够减小挤出应力和挤出胀大现象。 1 9 9 9 年，k i h a r as ，g o u d at ，m a t s u n a g ek 【1 2 1 等人研究了收缩口模中的粘弹性流 动，模拟和比较了p t t 粘弹性流体和c a r r e a u 型纯粘性流体两种模型在收缩口模 北京化工大学硕士学位论文 中的三维流动，并指出使用p t t 模型可以预测到显著的粘弹性效应。 2 0 0 0 年，李宏生，贾裂b 】采用m a t l a b 软件编程，模拟了广义牛顿流体在口模 中的等温流动状态，得到了塑料熔体在口模中的速度分布，他们提出通过对口模 形状的修正，以消除挤出胀大现象。 2 0 0 2 年，h u a n gy 等【1 4 】利用f i d a p 软件采用c a r r e a u 模型模拟了含星形支架 结构的篮网式管机头中的流场，预测了机头中的滞流区，并解释了熔结线产生的 原因。 2 0 0 3 年，f e t h i ”】在考虑重力和惯性力影响的情况下，采用p o w e r - l a w 模型模 拟了单流道平缝口模中板材的挤出过程，并建议使用此种方法预测流道的几何形 状以及模头出口板材的变形，指导口模设计。 2 0 0 4 年，l i n 等人【1 6 】采用微分型非等温b i r d c a r r e a u 模型模拟了非牛顿聚合物 流体圆柱绕流问题，获得了二维区域内熔体的流动速度和温度分布场。 2 0 0 5 年，周秀民等旧利用m a t h c a d 软件，采用高聚物黏弹性流体模型模拟 了机头中熔体的二维流场。他们指出，机头压力、材料的松弛时间以及机头口模 的几何尺寸对熔体在机头中应力张量的变化影响较大，适当地调整机头口模尺寸 有利于提高熔体的挤出稳定性。 2 0 0 6 年，麻向军等【i8 】利用有限元数值模拟软件p o l y i l o w ，模拟了一种t 型机 头内熔体的三维流动，并分析了熔体在机头中的速度场和压力场。经对解析解与 模拟计算结果比较发现，流动均匀性指数十分接近。 2 0 0 7 年，邹武等【l9 1 提出了以挤出口模壁面附近的剪切速率、壁面附近的熔体 流动速度与管中心熔体速度的比值来描述速度变化，用压力梯度来描述压力变化 的观点。利用a n s y s 、m a t l a b 软件对芯棒式管材机头中挤出h d p e 薄壁管的成型 过程进行了模拟，并系统地描述、分析了上述因素对成型段上的速度分布和压力 分布的影响，得到了成型段长厚比与入口压力的优化值。 2 0 0 7 年，耿麒先等【2 0 】采用a n s y s 软件和三维有限元法对螺杆分配机头流道 内的压力场和速度场进行三维模拟分析。结果表明：分配螺杆转速越高，其入口 和末端的压力越大，且增大分配螺杆转速有助于机头内压力分布均匀，同时挤出 速度也随着螺杆转速的增大而增大。一 目前，机头流道的模拟计算主要采用三维数值模拟的方法。这种方法较以前 的解析法能够更完全地考虑机头几何形状的影响，更确切地反映了机头中熔融聚 合物流动的本质。对机头内熔体流动的模拟研究可以归纳为解决熔接线、挤出胀 大、入口压力等问题以及分析机头结构对功能的影响。 6 第一章绪论 1 2 2 机头结构的设计与优化 1 9 9 5 年，c a m e i r o 2 1 】提出了一种设计、优化及评估挤管机头的方法。主要是通 过流动过程中的总压力降、挤出胀大现象及可能出现的制品表面缺陷等，对机头 进行分析和优化。通过对模拟结果与实验数据的比较发现，误差在3 6 间。 1 9 9 5 年，w e ns h u h c n g 掣2 2 l 以非牛顿幂律流体为模型，分别通过润滑近似理 论和三维有限元法，对衣架机头和t 型机头挤条过程进行数值模拟。研究发现， 对于t 型机头，当模具中加入薄垫片时，不管挤出条的数目、宽度和幂律指数如 何取值，t 型机头挤出条的均匀性均得到了改善。而对于衣架型机头而言，相较t 型机头，挤出条的均匀性要差一些，但可以通过在衣架型机头模具上加歧管来改 善挤出条的均匀性。 1 9 9 7 年，p a nj i n g - p i n i 冽在慢速反应的条件下，采用润滑近似理论，分析了t 形、线性收缩的衣架式和曲线收缩的衣架式机头中的挤出流动和停留时间分布后 指出：t 型机头不能得到均匀的液层及停留时间分布，不适合反应型物料的挤出； 线性收缩的衣架式机头可以通过插入一种特制的节流棒来改善流动均匀性；曲线 收缩的衣架式机头可以得到均匀的流动与时间分布，适于挤出任何慢速反应物料， 但压降较大。 1 9 9 8 年，h u 锄吕c h u n g - c l l i n 毋2 4 1 提出了螺旋式机头口模流道最优化设计的方 法。他首先采用幂律模型利用t a g i l c k 方法获得几组口模的几何参数，并对这几组 几何参数的口模进行模拟，迸一步根据总压降、混合度及停留时间的分布，优化 选择了一组较好的几何参数。 1 9 9 9 年，e v a n 2 5 】利用e l l w o o dr j 的流面流线有限元方法，分别对牛顿流 体、b i n g h a m 模型的黏塑性流体和c e f 模型黏弹性流体在圆环、正方形和十字形 截面长口模流出的挤出胀大行为进行了三维模拟，并对正方形口模和十字形口模 的设计进行了研究。 2 0 0 1 年，张冰掣2 6 】人对泪滴形歧管衣架机头的流道几何参数进行优化计算。 以挤出均匀性为目标函数，以歧管始端半径、歧管末端半径、扇形区域厚度和歧 管中心线的夹角作为优化设计的变量进行优化设计。 2 0 0 5 年，刘斌等【2 。7 】人在构建流道三维参数化模型的基础上，将有限元数值分 析和优化技术相结合，以口模出口处型材截面上各个子区域平均流速相等为优化 目标，以压缩段入口壁厚和平直段长度为设计变量，对挤出机头进行了研究。并 以实例说明了优化设计的具体过程，验证了所用方法的正确性和有效性。 2 0 0 7 年，辛业波等【2 8 】运用p l o y f l o w 对螺旋芯棒机头流场进行模拟计算和 优化设计，提出了轴流周向角的概念，将其作为衡量机头混合性能的指标，用正 交设计方法对结果进行分析，得出了机头几何参数芯捧锥角、螺旋消退角、螺旋 北京化工大学硕士学位论文 升角和螺槽深度等对机头混合性能的影响，并对机头参数进行优化，得到了机头 设计的最优几何参数组合。 综上所述，对于机头的优化，多以能够反映熔体在宽度方向上流量的一致性 或熔体在机头内的停留时间一致性的函数作为目标函数，以机头主要设计参数为 优化变量，再给出相应的约束条件，建立优化模型，通过求解计算获得较佳的机 头设计参数。 1 3 计算机辅助工程 1 3 1c a e 技术简介 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 是一个涉及面广、集多种科学与工程技术 于一体的综合型、知识密集型产品。通常认为，c a e 是包含数值计算技术、数据 库、计算机图形学、工程分析与仿真等在内的一个综合型软件系统，其核心技术 是工程问题的模型化和数值计算方法。c a e 技术主要用来求解复杂工程和产品结 构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学 性能的分析计算以及结构性能优化设计等问题。 c a e 系统的核心思想是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则 单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体模型进行分析，得出满足工 程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解 决而理论分析又无法解决的复杂问题。其基本过程是将一个形状复杂的连续体求 解区域分解为有限的形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组 合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量( 应力、位移、压 力和温度等) 问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值，此时得到的基本方程 是一个代数方程组，而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组。求解后得 到近似的数值解，其近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值 函数。 c a e 技术始于1 9 4 3 年，经历了五十多年的发展，c a e 技术的理论和算法都 已经达到成熟，成为工程和产品结构( 航空、航天、机械、土木结构等领域) 分 析中必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。 与传统的设计方法相比，c a e 技术具有以下几方面的优势【2 9 l ： ( 1 ) 能够显著提高工作效率，缩短设计周期，降低成本并提高设计质量。据 统计，在机械产品设计中，利用c a e 技术可提高设计速度3 - 5 倍。 ( 2 ) 能够对产品进行精确的计算分析，通过应用c a e 软件的强大数据处理功 能不断改进产品设计，逐步达到优化设计的要求。 第一章绪论 ( 3 ) 能够提供三维结构分析和仿真功能，运用形象化设计手段对参数设定、 运动现象予以分析，并能对运动系统的不同状态进行模拟，从而为设计者提供直 观的、可仿真的交互式设计技术。 总之，现行的c a e 技术已经成熟，其在实现创新的同时，可提高设计质量， 降低研究开发成本，缩短研究开发周期。通过对工程和产品进行加工及性能与安 全可靠性的模拟，及早发现设计缺陷，并预测工程、产品的可用性与可靠性，为 工程实施、产品创新提供技术保障。 1 3 2 塑料模具c a e 技术的发展现状及趋势 ( 1 ) 塑料模具c a e 技术的发展现状 塑料模具c a e 技术主要是利用高分子材料学、流变学、传热学、计算力学和 计算机图形学等基本理论，建立塑料成型过程的数学和物理模型，构造有效的数 值计算方法，实现成型过程的动态仿真分析，使人们对塑料成型过程的认识从宏 观进入微观、从定性进入定量、从静态进入动态，为优化模具设计和控制制品成 型过程，获得理想的最终产品，提供科学依据和设计分析手段。通过塑料模具c a e 技术的运用，设计人员能够避免设计中的盲目性，使工程技术人员在模具加工前 完成试模工作，也可使生产操作人员预测工艺参数对制品外观和性能的影响，有 目的地修正设计方案和工艺条件，克服因经验少、工作疏漏而造成的不良后果， 多快好省地进行新产品、新工艺的研究开发，以适应日益激烈的竞争环境。 早在上世纪7 0 年代初期，国外就出现了商业化的塑化挤出模拟软件e x t r u d 。 自上世纪8 0 年代以后，又推出了关于聚合物流动的有限元分析软件f i d a p 、 p o l y f l o w 、n e k t o n 和p o l y c a d 等。上世纪8 0 年代中期，为了对各种成型 加工过程进行更精确的模拟，国内开始重视塑料模具c a e 技术的研究与应用，经 过l o 余年的研究和开发，现在已有一些大学和研究院所推出了一些实用的商品化 软件。 目前各国学者都将研究集中在新模型、新算法以及新成型模拟系统的开发与 应用上，并将模拟软件与制品设计、模具设计及制造紧密结合，使得塑料模具c a e 技术与实际生产设计的结合更为紧密。可以预见，塑料模具c a e 技术将被广泛采 用，成为解决塑料成型加工和模具设计中各类问题的标准工具和手段【3 0 】 ( 2 ) 塑料模具c a e 技术的发展趋势 为了对各种成型加工过程进行更加精确的模拟，需要加强c a d 、c a e 、c a m 、 c a p p 等技术软件的渗透、协调能力，使计算机模拟技术呈现智能化、集成化的趋 势。随着科学技术的迅速发展，互联网技术的普及和全球信息化，塑料模具c a e 技术的功能进一步扩充，呈现出如下的发展趋势【3 0 】： 9 北京化工大学硕士学位论文 数学模型、数值算法逐步完善，理论向纵深方向发展 塑料模具c a e 技术的准确性和实用性，取决于数学模型的准确性及数值算法 的精确性。随着相关领域的技术进步，数学模型对成型过程的描述将更准确、真 实。如在聚合物三维复杂区域中的流动过程、传热过程以及挤出胀大的分析，其 所用的本构关系越来越复杂，对模型的简化与理想化假设越来越少，数值算法也 由二维、二维半发展为三维，计算结果更为精确。因此，完善数学模型已成为模 具c a e 技术发展的必然趋势。 应用优化理论、人工智能理论，实现自动优化设计 现有的c a e 技术仅仅是校验设计方案的合理性，“优化仅是反复的校验、 试凑，最终的设计方案仍需设计者的经验和技巧。通过对多个方案的反复计算、 比较、分析和判断来确定，使得设计和分析过程仍带有盲目性和随机性。利用现 有的模拟结果，借助于优化理论构造有效的反问题算法，给出明确的改进方向和 尺度将是c a e 技术的主要发展趋势。 ( 9 发展耦合分析 聚合物挤出成型是属于多相态、多介质、多物理场耦合的成型过程。从材料 的组成与构造特征来说，其存在着从微观到宏观的多尺度现象。由于不同的尺度 要服从于不同的物理、力学模型，故存在多尺度模型的耦合问题。目前，该问题 的研究尚处于基础研究阶段，属于塑料模c a e 技术研究的热点与难点之一。因此， 多相态、多介质、多物理场、多尺度的耦合分析将是挤出模具c a e 技术发展的趋 势之一。 1 4 3 计算流体动力学及f l u e n t 软件简介 计算流体力学( c f d ) 是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物， 它是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现 象的系统所做的分析来解决各种实际问题的流体分析软件。 计算流体力学的基本原理是利用数值方法求解非线性联立的质量、动量、能 量和自定义的标量的微分方程组，来模拟流动、传热等过程，为过程装置的设计 和优化提供理论指导。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从 基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科 学研究和工程技术中产生了巨大的影响。 自从1 6 8 7 年牛顿定律公布以来，直到上世纪5 0 年代初，研究流体运动规律 的主要方法有两种：一是以地面试验为手段的试验研究；另一种是利用简单流动 模型理论给出所研究问题的解析解的分析方法。然而，这两种方法有着设备及计 算量的限制，均不能很好地分析研究复杂的非线性流动现象。c f d 方法恰好克服 1 0 第章绪论 了试验方法和理论分析方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计算，就好像在 计算机上做了一次物理实验。c f d 可以看作是在流动基本方程控制下对流动的数 值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本 物理量( 如压力、速度、温度、剪切黏度、剪切速率等) 的分布情况，及这些物 理量随时间的变化情况等。 为了进行c f d 计算，用户可借助商用软件来完成所需要的任务，也可以自己 直接编写计算程序，这两种方法的基本工作过程是相同的，c f d 的基本求解过程 是：确定总体计算流程；建立控制方程，确定边界条件与初始条件；划分计算网 格；建立离散方程，离散初始条件和边界条件；给定求解控制参数；求解离散方 程；判断解的收敛性；显示和输出计算结果。 目前比较常用的c f d 商用软件有许多，f l u e n t 是目前国际上比较流行的商 用c f d 软件包，在美国的市场占有率为6 0 。只要涉及流体、热传递及化学反应 等的工程问题，都可以用f l u e n t 软件进行计算。它具有丰富的物理模型、先进 的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮 机设计等方面都有着广泛的应用。f l u e n t 的软件设计基于c f d 软件群的思想， 从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，f l u e n t 软件采用不同的 离散格式和数值方法，以便在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达 到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。 f l u e n t 软件包由以下几部分组成：( 1 ) 前处理器：g a m b i t 用于网格的生成， 它是具有超强组合建构模型的专用的c f d 前置处理器。另外，还有t g r i d 软件可 以进行从现有的边界网格生成体网格和f i l t e r s 软件转换网格以便f l u e n t 软 件使用；( 2 ) 求解器：它是流体计算的核心，根据专业领域的不同，其求解器的 选择也不同，见表卜l 。( 3 ) 后处理器：f l u e n t 本身就附带有比较强大的后处理 功能。另外，t e c p l o t 和f i e l d v i e w 软件也是比较专业的后处理软件。 表1 - 1f l u e n t 求解器类型 t a b l e l - 1s o l v e r so ff l u e a t 求解器应用范围 f l u e n t 4 、5 基于结构化网格的通用c f d 求解器 f l u e n t 6 2 1 6基于非结构化网格的通用c f d 求解器 f i d a p 基于有限元方法，主要用于流固耦合的通用c f d 求解器 p o 【y f l o w 基于有限元方法，针对粘弹性流动的专用c f d 求解器 m l x s i m针对搅拌混合问题的专用c f d 软件 i c e p a k 专用的热控分析c f d 软件 北京化工大学硕士学位论文 1 4 4p o l y f l o w 有限元计算软件介绍 f l u e n t 求解器中，p o l y f l o w 模块主要是针对黏弹性流体的专用求解器。 本课题研究的内容主要涉及的是高分子材料粘弹性流体，因此选用p o l y f l o w 作 为模拟计算软件。 p o l y f l o w 于1 9 8 2 年由比利时l o u v a i n 大学研发成功，后被f l u e n t 公司 收购，成为f l u e n t 软件的一种求解器。p o l y f l o w 是针对黏性和黏弹性的流体 进行流动问题模拟的c f d 软件，其基本的程序结构如图1 1 1 所示。作为f l u e n t 的一个组件，它具有强大的解决非牛顿流体及非线性问题的能力，且具有多种流 动模型，可以解决塑料、橡胶等高分子材料在挤出成型、吹塑成型、拉丝、层流 混合、涂层过程中的流动及传热和化学反应的等温非等温、两维三维、稳态 非稳态的流动问题。 g a m b i t 建立几何模型 划分网格 材料参数 o r i g i n 图形显 示分析 p o l y f u s e 修改网格文件 p o l y m a y 实验数据参数 拟合曲线 f i e l d v ie w 速度场分析 压力场分析 稻度场分析 剪切速率场 其他c a d 软件 建立几何模型 p o l y d a t a 导入网格 设置物理模型 设置材料参数 设置边界条件 p ot y f l o w 计算求解 p o l y s t a t 混合任务 数据处理 图1 1 1p o l y f l o w 软件结构及分析步骤 f i g 1 - 1 1b a s i cs k e t c hf r a m eo fp o l y f l o w c a d 软件 显示i g e s 几何文件 采用p o l y f l o w 进行分析模拟的主要分析过程如下： ( 1 ) 有限元网格的生成 p o l y f l o w 所需要建立的有限元网格，通常用其前处理器g a m b i t 建立。 对于几何形状简单的模型可以直接在g a m b i t 中建立其几何模型，并对其进行网 第一章绪论 格划分。对于几何形状复杂的模型可以先用c a d 建模软件( 如p r o e 、 s o l i d w o r k s 、i n v e n t o r 、u g 等) 来建立几何模型，然后将其存为一定格式的文 件，再将其导入g a m b i t 中对其进行修改和网格划分。划分完模型网格后，将其 存为m e s h 文件，并导入p o l y d a t a 中。 ( 2 ) 任务的选择 在p o l y d a t a 中任务的选择包括，任务性质的选择、几何模型的选择和模拟 类型的选择。其中，任务的性质分为有限元任务和混合任务。除了分析流体轨迹、 进行流动的统计分析的任务选用混合任务外，其它任务一般选为有限元任务。几 何模型分为在直角坐标系和柱坐标系下的二维模型、准三维模型及三维模型六种。 模拟的类型分为稳定状态型、时间依赖型和渐变型三种。 ( 3 ) 子任务的选择 子任务的选择包括子任务模型的选择、子任务区域的选定、材料参数的设定、 边界条件的设置、重新生网格设置等模块。p o l y d a t a 中可用的子任务模型包括 广义牛顿流动问题、达西流动问题( 多孔介质) 、热传导问题和黏弹性流动问题。 根据相应的流体和要解决的问题，选择相应的模型。材料参数常用的选项包括黏 度对剪切速率的依赖关系、黏度对温度的依赖关系、多孔介质和流动黏度、微分 黏弹性模型、积分黏弹性模型、密度、惯性项、热膨胀系数、热传导、单位质量 热容、黏性发热、重力和平均温度等。常用的边界类型包括接触面、施加