大型钢塑储罐滚塑设备摇摆系统动力学及模具传热过程深度剖析

大型钢塑储罐滚塑设备摇摆系统动力学及模具传热过程深度剖析一、绪论1.1研究背景与意义在现代工业领域中，塑料制品凭借其质轻、耐腐蚀、成本低等诸多优势，被广泛应用于各个行业，如化工、建筑、汽车、食品、医疗等。塑料成型工艺作为塑料制品生产的关键环节，对于产品的质量、性能和生产效率起着决定性作用。在众多的塑料成型工艺中，滚塑技术以其独特的优势，逐渐成为塑料加工行业中不可或缺的一部分。滚塑，又称旋转成型、回转成型，是一种热塑性塑料中空成型方法。其基本原理是将塑料原料加入模具中，然后模具沿两垂直轴不断旋转并加热，模内的塑料原料在重力和热能的作用下，逐渐均匀地涂布、熔融并粘附于模腔的整个表面上，成型为所需要的形状，再经冷却定型而成制品。滚塑工艺具有诸多显著优点，使其在工业生产中具有广泛的应用前景。首先，滚塑工艺能够制造大型及特大型制件，这是许多其他塑料成型工艺难以实现的。由于旋转成型工艺只要求机架的强度足以支撑物料、模具及机架自身的重量以及防止物料泄露的闭模力，因此即使加工大型及特大型塑料制件，也无需使用十分笨重的设备及模具，从理论上讲，用旋转成型工艺制成的制品，在尺寸上几乎没有上限。其次，滚塑工艺适合于多品种、小批量塑料制品的生产。滚塑成型用的模具结构简单，价格低廉，因而变换产品十分方便。此外，滚塑工艺还可以生产形状复杂的大型中空制品，这是其它成型工艺无法比拟的优势。滚塑制品的壁厚可以自由调整（2毫米以上），无需调整模具，并且可以实现产品边缘的厚度超过5毫米，解决中空产品边缘强度不足的问题。同时，滚塑工艺还能够生产全封闭产品，满足特定需求，并且可以填充发泡材料，实现保温功能。随着工业的快速发展，对滚塑制品的需求不断增加，对其质量和性能的要求也日益提高。大型钢塑储罐作为滚塑制品的重要应用之一，在化工、石油、食品等行业中被广泛用于储存各种液体和粉体物料。其质量和性能直接关系到生产的安全和效率。而大型钢塑储罐的生产离不开先进的滚塑设备，其中摇摆系统作为滚塑设备的关键组成部分，对储罐的成型质量有着重要影响。摇摆系统通过使模具在加热和冷却过程中不断摇摆，能够使塑料原料更加均匀地分布在模腔内，从而提高制品的壁厚均匀性和质量稳定性。此外，成型模具的传热过程也对滚塑制品的质量有着至关重要的影响。模具的传热效率直接影响到塑料原料的熔融和冷却速度，进而影响制品的成型周期和性能。因此，对大型钢塑储罐滚塑设备中摇摆系统的动力学分析与成型模具传热过程的研究具有重要的理论和实际意义。我国的滚塑工艺起步较晚，与国外发达国家相比，在技术水平、设备性能和产品质量等方面还存在一定的差距。虽然近年来我国滚塑行业发展迅速，滚塑制品的产量和质量都有了显著提高，但在一些高端领域和关键技术方面，仍然依赖进口。为了提高我国滚塑行业的竞争力，实现滚塑技术的自主创新和产业升级，加强对滚塑设备关键部件的研究和开发显得尤为重要。通过对摇摆系统动力学和模具传热过程的深入研究，可以为滚塑设备的优化设计提供理论依据，提高滚塑设备的性能和稳定性，降低生产成本，从而推动我国滚塑行业的健康发展。综上所述，本研究旨在通过对大型钢塑储罐滚塑设备中摇摆系统的动力学分析与成型模具传热过程的研究，揭示摇摆系统的运动规律和模具传热特性，为滚塑设备的优化设计和工艺参数的合理选择提供理论支持，提高大型钢塑储罐的成型质量和生产效率，具有重要的理论意义和实际应用价值。1.2滚塑成形技术及其特点1.2.1滚塑成型基本原理滚塑成型，又称旋转成型、回转成型，是一种独特的热塑性塑料中空成型方法。其基本原理为将塑料原料，通常为粉末状或液状聚合物，加入到模具之中。随后，模具围绕相互垂直的两个轴，即主轴和副轴，同时进行旋转运动，分别为自转和公转。在加热环境下，模内的塑料原料在重力和热能的共同作用下，逐渐发生变化。如果是粉末状原料，首先会在模具表面形成多孔层，随着加热和旋转的持续进行，多孔层渐渐熔融，最终形成均匀厚度的均相层；若是液状原料，则先流动并涂覆在模具表面，当达到凝胶点时便完全停止流动。在整个成型过程中，塑料原料均匀地涂布、熔融并粘附于模腔的整个表面，从而成型为所需要的形状。当塑料达到预期的成型状态后，模具被转移至冷却工区，通过强制通风或喷水等冷却方式，使制品快速冷却定型。最后，模具被打开，完成的制件被取出，接着进行下一轮的成型循环。以生产一个塑料水箱为例，将聚乙烯粉末加入到水箱形状的模具中，模具安装在滚塑设备的旋转架上。设备启动后，模具开始围绕两个垂直轴旋转，同时进入加热炉。在加热炉中，模具不断升温，聚乙烯粉末逐渐熔化，并在重力和离心力的作用下，均匀地覆盖在模具的内壁上。当聚乙烯完全熔融并均匀分布后，模具离开加热炉，进入冷却区。在冷却区，通过强制通风或喷水，使模具和制品快速冷却，聚乙烯固化成型，形成具有一定壁厚和形状的塑料水箱。冷却完成后，打开模具，取出塑料水箱，完成整个滚塑成型过程。这种成型方式使得塑料制品能够在模具内均匀成型，避免了局部厚度不均或成型缺陷的问题，特别适合制造大型、复杂形状的中空塑料制品。1.2.2滚塑成型技术的特点滚塑成型技术具有众多显著优势，同时也存在一些局限性，以下将从多个方面进行详细分析。优势模具成本低：与注塑、吹塑等其他塑料成型工艺相比，滚塑成型用的模具结构相对简单。它通常不需要复杂的分型面、滑块、顶针等结构，因为滚塑过程中模具和物料几乎均处于完全不承受外力的状态。这使得模具的制造难度降低，材料成本和加工成本也大幅减少。一般来说，同等规格大小的产品，滚塑模具的成本约是吹塑、注塑模具成本的1/3到1/4。对于一些大型塑料制品，如大型化工储罐、大型水箱等，采用滚塑工艺可以显著降低模具成本，提高生产的经济性。产品形状设计灵活：滚塑成型过程中，物料是逐渐涂覆、沉积到模具的内表面上的，这使得制品对于模具型腔上的花纹、凹凸等精细结构有很强的复制能力。同时，由于模具在成型过程中不受外界的压力，可以直接采用精密浇铸等方法制取具有精细结构的、形状复杂的模具。因此，滚塑工艺可以生产形状非常复杂的制品，如各种异形的玩具、工艺品、汽车零部件等。而且，滚塑制品的壁厚可以自由调整（一般在2毫米以上），无需调整模具，通过改变加热时间、旋转速度等工艺参数，就可以实现不同壁厚的制品生产。产品边缘强度高：滚塑可以实现产品边缘的厚度超过5毫米，有效解决了中空产品边缘强度不足的问题。在滚塑过程中，通过合理控制模具的旋转速度和加热温度，使塑料原料在边缘部位充分熔融和堆积，从而增加边缘的厚度和强度。这一特点使得滚塑制品在一些对边缘强度要求较高的应用场景中具有明显优势，如大型容器的边缘、户外家具的边角等。适合多品种、小批量生产：由于滚塑成型用模具不受外力作用，模具简单、价格低廉、制造方便，因而变换产品十分方便。另外，滚塑设备也具有较大的机动性，一台滚塑机既可以安装一只大型模具，亦可安排多只小型模具；它不仅可以同时模塑大小不同的制件，而且也可以同时成型大小及形状均极不相同的制品，只要滚塑制品采用的原料相同，制品厚度相当，均可同时滚塑成型。因此，滚塑成型工艺非常适合多品种、小批量塑料制品的生产，能够快速响应市场需求的变化，降低企业的生产成本和库存压力。材料利用率高：滚塑制品的壁厚比较均匀且倒角处稍厚，能充分发挥物料的效能，有利于节约原材料。此外，在滚塑成型过程中，没有流道、浇口等废料，一旦调试好以后，生产过程中几乎没有回炉料，因此该工艺对于物料的利用率极高，可达95%以上。这不仅降低了生产成本，还减少了废弃物的产生，符合环保要求。劣势原料成本较高：滚塑工艺所使用的塑料原料大多数为颗粒状，需要研磨成粉末才能使用，这一研磨过程增加了原料的费用。同时，研磨的质量也是滚塑工艺的重要因素之一，如果研磨不均匀，可能会影响成品的品质。此外，适合滚塑工艺的塑料原料种类相对有限，目前聚乙烯占到滚塑用料的90%以上，这限制了滚塑工艺在原料选择上的多样性，也在一定程度上提高了原料成本。生产效率较低：滚塑工艺成型每一个制品都需要把模具和其中的树脂粉末加热到树脂的熔融温度，再冷却到室温，因此整个生产周期较长，通常需要几十分钟甚至数小时。这导致滚塑工艺的生产效率相对较低，不适合小件产品的大量生产。相比之下，注塑工艺的成型周期通常只需几十秒到几分钟，生产效率远远高于滚塑工艺。能耗较大：在成型过程中，模具及支架反复经受高、低温的交替变化，能量损耗很大。为了减少模具反复受热、冷却的能量损失，虽然开发了夹套式滚塑机等设备，但模具反复经受冷、热状态的状况依然存在，因此能量的损耗仍然较大，增加了生产成本。据统计，滚塑工艺的能耗比注塑工艺高出30%-50%。制品尺寸精度较差：滚塑制品的尺寸受到多种因素的影响，如原料品种、加热温度、冷却速度、脱模剂等，因此其尺寸精度较难控制，一般尺寸公差在±5%左右。这使得滚塑制品在一些对尺寸精度要求较高的应用场景中受到限制，如精密仪器的外壳、电子设备的零部件等。1.2.3滚塑设备摇摆系统及其模具分类摇摆系统常见结构和工作方式：摇摆系统是滚塑设备的关键组成部分，其作用是使模具在加热和冷却过程中产生摇摆运动，从而使塑料原料更加均匀地分布在模腔内，提高制品的壁厚均匀性和质量稳定性。常见的摇摆系统结构包括机械传动式和液压传动式。机械传动式摇摆系统通常由电机、减速机、曲柄连杆机构等组成。电机通过减速机将动力传递给曲柄连杆机构，曲柄连杆机构将电机的旋转运动转换为模具的摇摆运动。这种结构的优点是结构简单、成本低、可靠性高，但摇摆角度和速度的调节相对较为困难。液压传动式摇摆系统则由液压泵、液压缸、液压阀等组成。液压泵将液压油加压后输送到液压缸，液压缸的活塞杆推动模具进行摇摆运动。通过调节液压阀的开度和液压泵的流量，可以精确地控制模具的摇摆角度和速度。这种结构的优点是摇摆角度和速度调节方便、灵活，能够满足不同工艺要求，但成本较高，维护保养较为复杂。工作原理：以机械传动式摇摆系统为例，当电机启动后，减速机将电机的高速旋转降低到合适的转速，并将动力传递给曲柄连杆机构。曲柄连杆机构中的曲柄做圆周运动，连杆则将曲柄的圆周运动转换为模具的往复摇摆运动。在摇摆过程中，模具围绕着一个固定的轴进行摆动，摆动角度通常在±30°-±90°之间。模具的摇摆运动使得塑料原料在模腔内受到不断变化的离心力和重力作用，从而更加均匀地分布在模腔表面，避免了原料的局部堆积和厚度不均的问题。在加热阶段，摇摆运动有助于塑料原料更快地熔融和均匀涂布；在冷却阶段，摇摆运动可以使制品的冷却更加均匀，减少内应力的产生，提高制品的质量和性能。模具分类金属模具：金属模具在滚塑成型中应用广泛，常用的金属材料有铝合金、钢等。铝合金模具具有重量轻、导热性好、加工性能优良等优点。由于铝合金的密度较小，使得模具的整体重量较轻，便于安装和操作。良好的导热性能够使模具在加热和冷却过程中快速传递热量，缩短成型周期，提高生产效率。而且铝合金易于加工，可以通过铸造、机械加工等方法制作出形状复杂、精度较高的模具。然而，铝合金模具的强度相对较低，在长期使用过程中容易受到磨损和腐蚀，使用寿命相对较短。钢模具则具有强度高、硬度大、耐磨性好、耐高温等优点，适用于生产大型、高强度的滚塑制品，如大型化工储罐、工业容器等。但钢模具的重量较大，加工难度较高，成本也相对较高。非金属模具：非金属模具主要包括塑料模具和玻璃钢模具。塑料模具通常由热塑性塑料制成，如聚乙烯、聚丙烯等。塑料模具具有成本低、制作方便、重量轻等优点，适合于小批量、简单形状的滚塑制品生产。但塑料模具的耐热性较差，在高温环境下容易变形，使用寿命较短。玻璃钢模具是由玻璃纤维和树脂复合而成，具有重量轻、强度高、耐腐蚀、耐高温等优点。它的成型工艺相对简单，可以制作出各种形状复杂的模具。玻璃钢模具适用于生产一些对耐腐蚀性和强度要求较高的滚塑制品，如化工设备、环保设备等。然而，玻璃钢模具的制作周期较长，成本也相对较高。1.3滚塑设备及其模具的国内外研究现状滚塑设备及其模具的研究在国内外均受到广泛关注，随着滚塑工艺的不断发展，相关研究也取得了众多成果。在国外，滚塑技术起步较早，发展较为成熟。从滚塑设备研发来看，欧美等发达国家在技术和设备制造方面处于领先地位。例如，英国在滚塑设备自动化控制研究上成果显著，其开发的“Rotolog滚塑工艺诊断系统”，通过测温部分实时监测模具内温度，并将数据发送到监控计算机，直观显示模具内温度/时间变化曲线，与热箱内温度/时间变化曲线对比，有效优化滚塑加热过程，提高产品质量和生产效率。美国在大型滚塑设备的设计和制造上具有优势，能够生产大型及超大型制品的滚塑设备，满足工业生产对大型塑料制品的需求。在摇摆系统优化方面，国外学者深入研究摇摆运动对塑料原料分布和制品质量的影响。通过建立数学模型和仿真分析，精确控制摇摆系统的运动参数，如摇摆角度、速度和加速度等，以实现塑料原料在模腔内的均匀分布，提高制品的壁厚均匀性和质量稳定性。研究发现，合适的摇摆运动可以使制品的壁厚偏差控制在较小范围内，提高产品的性能和可靠性。在模具设计与制造领域，国外注重模具材料的研发和模具结构的优化。开发出多种高性能的模具材料，如具有良好导热性和耐磨性的合金材料，能够提高模具的使用寿命和传热效率。在模具结构设计上，采用先进的CAD/CAM技术，实现模具的精确设计和制造，提高模具的精度和复杂程度。同时，研究模具的冷却系统设计，通过优化冷却通道布局和冷却介质流动，提高模具的冷却效率，缩短成型周期。例如，一些国外企业采用的随形冷却技术，根据模具形状设计冷却通道，使模具冷却更加均匀，有效提高了制品的质量和生产效率。我国滚塑行业起步相对较晚，但近年来发展迅速。在滚塑设备研发方面，国内企业和科研机构加大投入，取得了一定的成果。一些企业自主研发的滚塑设备在性能上已接近国际先进水平，能够满足国内市场的需求，并逐步向国际市场拓展。在摇摆系统研究方面，国内学者通过实验和理论分析，研究摇摆系统的动力学特性和运动规律。分析不同摇摆参数对塑料原料流动和成型质量的影响，为摇摆系统的优化设计提供理论依据。例如，通过实验研究发现，摇摆速度和角度的变化会影响塑料原料在模腔内的离心力和重力分布，从而影响原料的均匀性和制品的质量。基于这些研究结果，国内企业对摇摆系统进行改进和优化，提高了设备的性能和稳定性。在模具制造方面，国内的模具制造技术不断提高，能够制造出各种复杂形状和高精度的滚塑模具。采用先进的加工工艺，如数控加工、电火花加工等，提高模具的制造精度和表面质量。同时，国内企业也在积极探索新型模具材料和模具结构，以降低模具成本，提高模具的使用寿命和传热性能。例如，一些企业研发的新型复合材料模具，具有重量轻、强度高、导热性好等优点，在滚塑生产中得到了广泛应用。此外，国内还注重模具的标准化和系列化设计，提高模具的通用性和互换性，降低模具的制造和维护成本。1.4研究内容与方法1.4.1研究内容摇摆系统设计与建模：首先，对摇摆系统进行详细的结构设计，确定其关键部件的尺寸、形状和连接方式。分析不同结构形式对摇摆运动的影响，选择最适合大型钢塑储罐滚塑生产的摇摆系统结构。然后，运用机械设计原理和运动学知识，建立摇摆系统的运动学模型，明确各运动参数之间的关系。例如，确定摇摆角度、速度和加速度与电机转速、传动比等参数的数学表达式，为后续的动力学分析奠定基础。摇摆系统动力学分析：基于建立的运动学模型，对摇摆系统进行动力学分析。运用牛顿第二定律、达朗贝尔原理等动力学理论，研究摇摆系统在运动过程中的受力情况，包括惯性力、摩擦力、重力等。分析这些力对摇摆系统运动稳定性的影响，找出影响摇摆系统性能的关键因素。通过动力学分析，确定摇摆系统的最佳运动参数，如最佳摇摆角度、速度和加速度范围，以保证塑料原料在模腔内能够均匀分布，提高制品的壁厚均匀性和质量稳定性。成型模具传热过程研究：针对滚塑成型模具，深入研究其传热过程。运用传热学原理，建立模具的传热模型，考虑模具材料的热导率、比热容、模具的几何形状以及加热和冷却介质的温度等因素对传热的影响。通过数值模拟和实验研究，分析模具在加热和冷却过程中的温度分布规律，研究不同区域的传热速率和热量传递方式。了解传热过程对塑料原料熔融和冷却速度的影响，从而为优化模具结构和工艺参数提供依据。成型模具结构优化：根据传热过程研究的结果，对成型模具的结构进行优化设计。通过改变模具的壁厚、冷却通道的布局、加热元件的位置等结构参数，提高模具的传热效率，使模具在加热和冷却过程中温度更加均匀，减少制品的内应力和变形。采用优化后的模具结构，进行滚塑实验，验证优化效果，对比优化前后制品的质量和性能指标，如壁厚均匀性、尺寸精度、力学性能等，评估模具结构优化对滚塑制品质量的提升作用。1.4.2研究方法理论分析：运用机械设计、运动学、动力学、传热学等相关理论知识，对摇摆系统和成型模具进行理论分析。建立数学模型，推导相关公式，从理论层面揭示摇摆系统的运动规律和成型模具的传热特性。例如，在摇摆系统动力学分析中，运用牛顿第二定律建立运动方程，求解系统的加速度、速度和位移等参数；在成型模具传热过程研究中，运用傅里叶定律和能量守恒定律建立传热方程，分析模具内的温度分布和热量传递情况。通过理论分析，为后续的研究提供理论基础和指导。软件模拟：利用专业的工程软件，如ANSYS、ADAMS等，对摇摆系统和成型模具进行模拟分析。在ANSYS软件中，建立成型模具的三维模型，设置材料属性、边界条件和载荷，进行热分析，模拟模具在加热和冷却过程中的温度场分布，预测不同工艺参数下模具的传热性能。在ADAMS软件中，建立摇摆系统的虚拟样机模型，添加运动副、约束和驱动，进行动力学仿真，分析摇摆系统在不同运动参数下的受力情况和运动稳定性，优化摇摆系统的运动参数。通过软件模拟，可以直观地观察摇摆系统和成型模具的工作过程，快速评估不同设计方案和工艺参数的影响，为实验研究提供参考。实验研究：搭建实验平台，进行滚塑实验。设计并制造摇摆系统和成型模具的实验样机，安装在滚塑设备上。在实验过程中，使用各种传感器，如温度传感器、力传感器、位移传感器等，实时监测摇摆系统的运动参数和成型模具的温度变化。通过改变实验条件，如摇摆角度、速度、加热温度、冷却速度等，研究不同参数对滚塑制品质量的影响。对实验得到的制品进行质量检测，包括壁厚测量、尺寸精度检测、力学性能测试等，分析实验数据，验证理论分析和软件模拟的结果，进一步优化摇摆系统和成型模具的设计和工艺参数。二、摇摆系统的设计与建模2.1摇摆系统结构方案2.1.1滚塑成型最小系统滚塑成型最小系统主要由模具、加热装置、旋转驱动装置这几个关键部分组成。模具是滚塑成型的核心部件，它决定了制品的形状和尺寸。通常采用金属材料制作，如铝合金或钢材，以确保模具在高温环境下具有足够的强度和稳定性，同时能够承受塑料原料在成型过程中的压力和摩擦力。加热装置的作用是为模具和塑料原料提供热量，使其达到塑料的熔融温度，从而实现塑料的成型。常见的加热方式有燃气加热、电加热等。燃气加热具有加热速度快、效率高的优点，但需要配备专门的燃气供应系统，且存在一定的安全风险；电加热则具有清洁、控制方便的特点，通过控制电流和电压可以精确调节加热温度。旋转驱动装置负责使模具围绕两个相互垂直的轴进行旋转运动，即自转和公转。这种旋转运动能够使塑料原料在重力和离心力的作用下，均匀地分布在模具内表面，从而保证制品的壁厚均匀性。旋转驱动装置一般由电机、减速机、传动链条或齿轮等组成，电机提供动力，减速机将电机的高速旋转降低到合适的转速，传动链条或齿轮则将动力传递给模具，实现模具的旋转运动。在成型过程中，模具先被放置在加热装置中，同时旋转驱动装置启动，使模具开始旋转。随着加热的进行，模具内的塑料原料逐渐受热熔融，并在旋转运动的作用下，均匀地涂布在模具的内表面。当塑料原料完全熔融并均匀分布后，模具被转移到冷却装置中，在冷却介质（如空气或水）的作用下，塑料逐渐冷却固化，形成所需的制品形状。最后，模具停止旋转，打开模具，取出制品，完成一次滚塑成型过程。整个滚塑成型最小系统的协同工作，是保证滚塑制品质量和生产效率的关键。2.1.2钢塑储罐基本参数大型钢塑储罐的关键参数对摇摆系统设计有着重要影响。以某型号大型钢塑储罐为例，其公称容积为50立方米，罐体高度为5米，直径为3米。储罐的材质为聚乙烯（PE）与碳钢的复合材料，其中碳钢作为骨架，提供强度和稳定性，聚乙烯则作为内衬，起到耐腐蚀和储存介质的作用。这种材质组合使得钢塑储罐既具有金属的强度，又具备塑料的耐腐蚀性能。这些参数对摇摆系统设计的影响主要体现在以下几个方面。首先，储罐的尺寸和重量决定了摇摆系统所需承受的负载大小。大型钢塑储罐体积大、重量重，要求摇摆系统具有足够的强度和刚度，以确保在运动过程中能够稳定地支撑储罐，避免出现变形或损坏。例如，摇摆系统的摆动体和摆动轴需要采用高强度的钢材制作，并且在结构设计上要合理优化，以提高其承载能力。其次，储罐的形状和重心位置会影响摇摆系统的运动稳定性。由于钢塑储罐通常为圆柱形，其重心相对较高，在摇摆过程中容易产生晃动和偏移。因此，摇摆系统的设计需要考虑如何通过合理的运动参数和结构布局，来减少这种晃动和偏移，保证储罐的平稳运动。例如，可以通过调整摇摆角度和速度，使储罐在运动过程中保持平衡；同时，在摇摆系统的结构设计中，可以增加一些辅助支撑装置，来提高储罐的稳定性。此外，储罐的材质特性也会对摇摆系统的设计产生影响。聚乙烯与碳钢的复合材料具有不同的热膨胀系数，在加热和冷却过程中可能会产生应力集中。因此，摇摆系统的设计需要考虑如何避免这种应力集中对储罐和摇摆系统造成损坏。例如，可以通过优化模具的加热和冷却方式，使储罐在成型过程中温度变化均匀，减少应力集中的产生；同时，在摇摆系统的结构设计中，可以采用一些柔性连接方式，来缓冲应力的传递。2.1.3摇摆系统基本结构摇摆系统主要由摆动体、摆动轴、旋转轴、传动齿轮等部件组成。摆动体是安装模具的部件，通常采用框架结构，具有足够的强度和刚度，以支撑模具和塑料原料的重量。摆动体通过摆动轴与机架连接，能够绕摆动轴进行摆动运动。摆动轴一般采用高强度合金钢制作，其两端安装在轴承座上，以减少摆动时的摩擦力和磨损。旋转轴则负责带动摆动体进行旋转运动，它与摆动体通过联轴器连接，保证两者能够同步转动。旋转轴由电机通过减速机和传动齿轮驱动，电机提供动力，减速机将电机的高速旋转降低到合适的转速，传动齿轮则将动力传递给旋转轴，实现旋转运动。传动齿轮通常采用模数合适、齿面硬度高的齿轮，以保证传动的平稳性和可靠性。在工作时，电机启动，通过减速机和传动齿轮带动旋转轴转动，旋转轴进而带动摆动体绕旋转轴进行旋转运动。同时，摆动体在偏心机构或其他驱动装置的作用下，绕摆动轴进行摆动运动。这种旋转和摆动的复合运动，使得模具内的塑料原料在重力和离心力的作用下，能够均匀地分布在模具内表面，从而实现高质量的滚塑成型。例如，在一些大型钢塑储罐滚塑设备中，摆动体的摆动角度可以在±30°-±90°之间调节，旋转速度可以根据工艺要求在一定范围内变化，以满足不同产品的成型需求。2.2Creo软件简介Creo软件是美国PTC公司于2010年推出的一款旗舰级CAD设计软件包，它集成了参数化技术、直接建模技术和三维可视化技术，是一款功能全面且强大的综合解决方案，在机械设计、航空航天、汽车制造等众多领域都有着广泛的应用。在机械设计中，Creo软件具备诸多核心功能，为设计师提供了极大的便利和高效的设计手段。其三维建模功能十分强大，设计师能够运用各种工具和命令，轻松创建出从简单零件到复杂装配体的各种几何形状。通过参数化设计，用户可以通过修改参数来快速调整模型的尺寸和形状，实现设计的快速迭代和优化。例如，在设计摇摆系统的摆动体、摆动轴等部件时，利用参数化建模，只需修改相关参数，如长度、直径、壁厚等，就能迅速得到新的模型，大大提高了设计效率。同时，Creo软件还支持曲面建模，对于一些具有复杂曲面形状的零件，如模具的型腔表面，能够精确地构建出符合要求的曲面模型，满足产品的特殊设计需求。装配模拟功能也是Creo软件的一大亮点。在完成各个零件的建模后，Creo软件可以将这些零件按照实际的装配关系进行组装，形成完整的装配体模型。在装配过程中，软件能够实时检测零件之间的装配干涉情况，并提供相应的提示和解决方案。这对于摇摆系统的设计尤为重要，因为摇摆系统包含多个部件，各部件之间的装配精度和配合关系直接影响到系统的运动性能。通过Creo软件的装配模拟功能，可以提前发现并解决装配问题，确保摇摆系统在实际运行中能够正常工作，避免因装配不当而导致的故障和损坏。运动分析功能是Creo软件在机械设计中的又一重要应用。它可以对装配体模型进行运动学和动力学分析，模拟部件在不同工况下的运动情况，计算出位移、速度、加速度、受力等参数。在摇摆系统的设计中，利用运动分析功能，可以研究摇摆系统在不同运动参数下的运动特性，如摇摆角度、速度和加速度的变化规律，以及这些参数对系统稳定性和塑料原料分布的影响。通过分析结果，可以优化摇摆系统的运动参数和结构设计，提高系统的性能和制品的质量。例如，通过运动分析发现摇摆系统在某一运动参数下出现较大的振动和冲击，通过调整结构参数或运动参数，如增加阻尼装置、优化传动系统等，可以有效降低振动和冲击，提高系统的稳定性和可靠性。选择Creo软件进行摇摆系统设计，主要基于以下几方面原因。首先，Creo软件的强大功能能够满足摇摆系统设计的复杂需求。从零件的三维建模到装配体的模拟分析，再到运动分析，Creo软件提供了一站式的解决方案，使得设计师可以在一个软件平台上完成整个设计过程，避免了在多个软件之间切换带来的不便和数据丢失风险。其次，Creo软件具有高度的开放性和互操作性，能够与其他CAD、CAE、CAM软件进行无缝集成。这意味着在摇摆系统设计过程中，可以方便地将Creo软件创建的模型导入到其他分析软件中进行进一步的分析和优化，如将模型导入到ANSYS软件中进行结构强度分析，或者导入到ADAMS软件中进行更深入的动力学仿真分析。此外，Creo软件还具有良好的用户界面和易于学习的工具，即使是对于初次使用的设计师，也能够快速上手，掌握其基本功能和操作方法，提高设计效率。2.3摇摆系统部件Creo设计与建模2.3.1摆动体的设计与建模摆动体作为安装模具的关键部件，在滚塑成型过程中承载着模具和塑料原料的重量，其结构设计和尺寸参数对摇摆系统的性能有着重要影响。经过综合考虑和分析，本设计中摆动体采用框架结构，这种结构形式具有较高的强度和刚度，能够有效地支撑模具和原料，确保在摇摆过程中不会发生变形或损坏。摆动体的尺寸根据所适配的钢塑储罐模具大小进行设计。其长度为2.5米，宽度为1.8米，高度为1.2米，这样的尺寸能够满足大型钢塑储罐模具的安装需求。在材料选择方面，摆动体选用Q345合金钢。Q345合金钢具有良好的综合力学性能，屈服强度高，能够承受较大的载荷；同时，其韧性和焊接性能也较为出色，便于加工和制造，能够保证摆动体的结构完整性和可靠性。在Creo软件中创建摆动体三维模型时，首先新建一个零件文件，进入设计环境。利用拉伸命令，以TOP平面为草绘平面，绘制出摆动体框架的基本形状。通过精确的尺寸标注和约束设置，确保框架的各个边长和角度符合设计要求。例如，在绘制矩形框架时，通过修改尺寸参数，使长、宽、高分别达到设计的2.5米、1.8米和1.2米。对于框架的各个连接部位，采用倒圆角和倒角处理，以减少应力集中，提高结构的稳定性。在完成框架主体的建模后，根据实际需要，在框架上添加安装孔和加强筋。安装孔用于固定模具，通过合理的布局和尺寸设计，确保模具能够牢固地安装在摆动体上。加强筋则分布在框架的关键部位，如受力较大的拐角处和横梁上，以增强摆动体的强度和刚度。通过拉伸、旋转等命令创建加强筋的形状，并将其与框架主体进行合并，形成一个完整的结构。在整个建模过程中，充分利用Creo软件的参数化设计功能，通过修改参数可以方便地调整摆动体的尺寸和形状，实现快速的设计迭代和优化。2.3.2摆动轴的设计与建模摆动轴是连接摆动体和机架的重要部件，它支撑着摆动体的重量，并使摆动体能够绕其进行摆动运动。摆动轴的结构设计直接影响到摇摆系统的稳定性和可靠性。本设计中，摆动轴采用实心轴结构，其直径为80毫米，长度为1.5米。这种结构能够提供足够的强度和刚度，以承受摆动体在运动过程中产生的各种力。摆动轴与摆动体通过键连接的方式进行固定。在摆动体上加工出与键相匹配的键槽，将键安装在键槽内，然后将摆动轴插入，使键嵌入摆动轴的键槽中，从而实现两者的可靠连接。这种连接方式能够有效地传递扭矩，保证摆动体在摆动过程中与摆动轴同步运动。在Creo软件中创建摆动轴三维模型时，首先新建一个零件文件。利用旋转命令，以FRONT平面为草绘平面，绘制出摆动轴的截面形状，即一个直径为80毫米的圆形。通过设置旋转轴和旋转角度，将圆形旋转360度，生成实心的摆动轴模型。在模型创建完成后，对摆动轴的两端进行倒角处理，以去除尖锐的边缘，避免在安装和使用过程中造成伤害。同时，在摆动轴上创建键槽。利用拉伸切除命令，以摆动轴的圆柱面为草绘平面，绘制出键槽的形状。通过精确的尺寸标注和约束设置，确保键槽的宽度、深度和长度与键的尺寸相匹配。键槽的位置根据摆动体上键槽的位置进行确定，以保证两者能够准确配合。在创建键槽的过程中，注意避免键槽对摆动轴的强度产生过大的削弱，通过合理的设计和计算，确保摆动轴在承受载荷时的安全性。2.3.3旋转轴的设计与建模旋转轴的主要作用是带动摆动体进行旋转运动，它是摇摆系统实现复合运动的关键部件之一。旋转轴的设计参数直接影响到摆动体的旋转速度和稳定性。本设计中，旋转轴的直径为60毫米，长度为1.8米。其直径的选择是根据所需传递的扭矩和转速，通过强度计算确定的，以确保旋转轴在工作过程中不会发生断裂或过度变形。在Creo软件中创建旋转轴三维模型时，首先新建零件文件并进入设计环境。利用旋转命令，以FRONT平面作为草绘平面，绘制出旋转轴的截面形状，即直径为60毫米的圆形。设定旋转轴和旋转角度，将圆形旋转360度，从而生成实心的旋转轴模型。在旋转轴的两端，通过拉伸切除命令创建出安装联轴器的键槽。键槽的尺寸和位置严格按照联轴器的规格进行设计，以确保旋转轴与联轴器能够紧密配合，实现可靠的动力传递。同时，在旋转轴的中部，根据实际安装需求，创建一些安装孔和定位销孔，用于固定其他部件，如轴承座等。这些孔的位置和尺寸经过精确计算和布局，以保证旋转轴在安装和工作过程中的准确性和稳定性。通过合理的设计和精确的建模，确保旋转轴能够满足摇摆系统的工作要求，为摆动体的旋转运动提供稳定的动力支持。2.3.4传动齿轮的设计与建模传动齿轮在摇摆系统中起到传递动力和改变转速的作用，其类型、齿数、模数等参数的合理确定对于系统的正常运行至关重要。本设计中，传动齿轮选用直齿圆柱齿轮，这种齿轮具有结构简单、制造方便、传动效率高等优点，能够满足摇摆系统的工作要求。在确定传动齿轮的齿数和模数时，需要综合考虑多个因素。首先，根据摇摆系统的传动比要求，结合电机的转速和摆动体所需的旋转速度，通过传动比计算公式初步确定齿轮的齿数比。例如，假设电机转速为1440转/分钟，摆动体所需的旋转速度为30转/分钟，传动比为48。根据传动比等于主动齿轮齿数与从动齿轮齿数的反比关系，可以初步确定主动齿轮和从动齿轮的齿数比。同时，考虑到齿轮的强度和承载能力，以及避免根切现象的发生，对于标准直齿圆柱齿轮，小齿轮的齿数一般不小于17。在本设计中，经过计算和分析，确定主动齿轮的齿数为20，从动齿轮的齿数为960。模数的确定则根据齿轮的受力情况、传递的功率以及齿轮的材料等因素，通过强度计算和经验公式进行选择。在本设计中，选用模数为4的齿轮，这样的模数能够保证齿轮具有足够的强度和耐磨性，同时也能够满足传动系统的平稳性要求。在Creo软件中创建传动齿轮三维模型时，首先新建一个零件文件。利用拉伸命令，以TOP平面为草绘平面，绘制出齿轮的齿顶圆、齿根圆和分度圆。通过设置拉伸深度，生成齿轮的基本形状。然后，利用渐开线方程创建齿轮的齿廓曲线。在Creo软件中，可以通过在方程曲线对话框中输入渐开线的参数方程，精确地绘制出渐开线齿廓。渐开线方程为：\begin{cases}x=r_b\cos(\theta+\alpha)+r_b(\theta+\alpha)\sin(\theta+\alpha)\\y=r_b\sin(\theta+\alpha)-r_b(\theta+\alpha)\cos(\theta+\alpha)\end{cases}其中，r_b为基圆半径，\theta为展角，\alpha为压力角。在本设计中，压力角取标准值20°。根据齿轮的模数和齿数计算出基圆半径，然后通过参数化的方式，将齿廓曲线与齿轮的基本形状进行合并，生成完整的齿轮齿廓。在完成一个齿的建模后，利用阵列命令，以齿轮的中心轴为阵列轴，按照齿轮的齿数进行圆周阵列，生成完整的齿轮模型。在阵列过程中，通过精确的参数设置，确保每个齿的位置和形状都准确无误。最后，对齿轮模型进行必要的修饰和处理，如倒圆角、倒角等，以提高齿轮的强度和美观度。2.4摇摆系统的三维装配建模在完成摇摆系统各个部件的三维模型创建后，需要将这些部件在Creo软件中进行装配，以形成完整的摇摆系统模型。装配过程中，严格按照实际的装配关系和顺序进行操作，确保各部件之间的位置和连接准确无误。首先，新建一个装配文件，进入装配设计环境。将之前创建好的摆动体模型作为基础部件，通过“放置”命令，选择合适的约束条件，将摆动体固定在装配空间的合适位置。例如，选择“重合”约束，将摆动体的某个基准平面与装配坐标系的基准平面重合，使其在空间中定位。接着，装配摆动轴。通过“插入”和“对齐”约束，将摆动轴插入到摆动体上预先设计好的轴孔中，并使摆动轴的中心线与轴孔的中心线对齐，确保摆动轴能够在摆动体上自由转动，且转动轴线准确无误。同时，检查摆动轴与摆动体之间的配合间隙，确保配合精度符合设计要求。然后，装配旋转轴。同样采用“插入”和“对齐”约束，将旋转轴与摆动体上的联轴器进行连接，使旋转轴的中心线与联轴器的中心线对齐，实现旋转轴与摆动体的可靠连接，保证旋转运动能够准确地传递给摆动体。最后，装配传动齿轮。根据传动系统的设计要求，将主动齿轮安装在电机输出轴上，从动齿轮安装在旋转轴上，并通过“啮合”约束，使主动齿轮和从动齿轮的齿面相互啮合，实现动力的传递。在装配过程中，精确调整齿轮的位置和角度，确保齿轮的啮合精度和传动平稳性。通过测量齿轮的中心距和齿侧间隙，验证齿轮的装配质量是否符合设计标准。完成装配后，对摇摆系统模型进行检查和分析。利用Creo软件的干涉检查功能，全面检查各部件之间是否存在干涉现象。如果发现干涉，及时返回零件设计模块，对相关部件的尺寸或形状进行调整，重新进行装配，直到消除所有干涉。同时，对装配体进行运动仿真分析，设置电机的转速、旋转方向等参数，模拟摇摆系统在实际工作中的运动情况。观察摆动体的摆动角度、速度和加速度的变化，检查运动是否流畅，是否符合设计要求。通过运动仿真分析，可以提前发现潜在的运动问题，如运动不稳定、冲击过大等，并进行相应的优化和改进，确保摇摆系统在实际运行中能够稳定、可靠地工作。2.5本章小结本章围绕大型钢塑储罐滚塑设备中摇摆系统展开设计与建模工作。首先，对摇摆系统结构方案进行了深入探讨，明确了滚塑成型最小系统的组成及各部分作用，分析了钢塑储罐的基本参数对摇摆系统设计的影响，并详细阐述了摇摆系统的基本结构及各部件的功能和连接方式。接着，介绍了Creo软件的功能及在机械设计中的应用，因其强大的三维建模、装配模拟和运动分析等功能，以及高度的开放性和互操作性，被选择用于摇摆系统的设计。然后，利用Creo软件对摇摆系统的关键部件，包括摆动体、摆动轴、旋转轴和传动齿轮进行了详细的设计与建模，确定了各部件的结构、尺寸和材料，并通过精确的参数设置和建模操作，创建了高质量的三维模型。最后，在Creo软件中完成了摇摆系统的三维装配建模，严格按照实际装配关系和顺序进行操作，确保各部件之间的位置和连接准确无误，并进行了干涉检查和运动仿真分析，提前发现并解决潜在问题，为后续的动力学分析奠定了坚实的基础。三、摇摆系统的动力学分析3.1摇摆系统动力学有限元理论3.1.1摇摆系统动力学分析内容摇摆系统的动力学分析涵盖多个关键方面，这些分析对于深入理解摇摆系统的性能和优化其设计具有重要意义。应力应变分析是动力学分析的重要组成部分。在摇摆系统运动过程中，各个部件会受到各种力的作用，如惯性力、摩擦力、重力等，这些力会导致部件内部产生应力和应变。通过应力应变分析，可以计算出部件在不同工况下的应力和应变分布情况，从而评估部件的强度和可靠性。例如，对于摇摆系统中的摆动体，在高速摇摆时，其结构的薄弱部位可能会承受较大的应力，如果应力超过材料的屈服强度，就可能导致部件发生塑性变形甚至破坏。通过应力应变分析，能够准确找出这些潜在的危险区域，为部件的材料选择和结构优化提供依据，确保摇摆系统在运行过程中的安全性和稳定性。模态分析也是动力学分析的关键环节。它主要用于确定结构的固有频率和振型，这些模态参数是结构的固有特性，与结构的材料、形状、尺寸以及边界条件等因素密切相关。了解摇摆系统的模态特性，有助于避免系统在运行过程中发生共振现象。共振是指当外界激励的频率与结构的固有频率接近或相等时，结构会产生剧烈的振动，这可能会对摇摆系统造成严重的损坏。通过模态分析，获取摇摆系统的固有频率，在设计和运行过程中，可以调整系统的工作频率，使其避开固有频率，从而有效避免共振的发生。此外，模态分析还可以帮助识别结构的薄弱环节，通过对这些薄弱环节进行加强或改进，可以提高结构的整体性能。多体动力学分析则侧重于研究由多个相互连接的刚体或弹性体组成的系统的动力学行为。在摇摆系统中，包含摆动体、摆动轴、旋转轴、传动齿轮等多个部件，这些部件之间通过各种连接方式相互作用，形成一个复杂的多体系统。多体动力学分析可以考虑部件之间的接触、碰撞、摩擦等非线性因素，精确计算出系统在不同运动状态下各部件的位移、速度、加速度以及所受的力和力矩等参数。通过多体动力学分析，可以深入了解摇摆系统的运动规律和动力学特性，优化系统的运动参数和结构设计，提高系统的运动精度和稳定性。例如，通过多体动力学分析，可以研究传动齿轮在啮合过程中的受力情况和运动特性，优化齿轮的参数和齿形，减少齿轮的磨损和噪声，提高传动效率。3.1.2有限元分析的基本原理有限元分析是一种强大的数值计算方法，其基本思想是将连续的物理系统离散化为有限个单元的集合，通过对每个单元进行分析，再将这些单元的结果组合起来，得到整个系统的近似解。这一方法在工程领域中被广泛应用，能够有效地解决各种复杂的力学、热学、电磁学等问题。有限元分析的第一步是对连续体进行离散化处理。将所研究的对象，如摇摆系统的各个部件，划分成有限数量的小单元，这些单元通过节点相互连接。单元的形状和大小可以根据分析问题的复杂程度和几何特征进行灵活选择，常见的单元形状有三角形、四边形、四面体和六面体等。离散化的质量直接影响到计算结果的精度，一般来说，单元划分得越细，计算结果就越精确，但同时计算量也会相应增加。例如，在对摇摆系统的摆动体进行有限元分析时，对于结构复杂、应力集中的区域，可以采用较小尺寸的单元进行精细划分，以准确捕捉该区域的应力应变分布；而对于结构较为简单、应力变化平缓的区域，则可以使用较大尺寸的单元，以减少计算量，提高计算效率。在每个单元内，采用简单的插值函数（也称形函数）来表示物理场变量的分布。这些函数通常是多项式，通过节点值完全确定。插值函数的选择需要满足一定的收敛条件，以保证计算结果的准确性。例如，对于二维三角形单元，常用的线性插值函数可以通过三个节点的坐标和物理量值来确定单元内任意一点的物理量。通过插值函数，可以将单元内的物理量表示为节点物理量的线性组合，从而将复杂的连续场问题转化为离散节点上的代数方程组求解。基于物理规律和变分原理，建立单元的控制方程和边界条件，推导出单元方程。这些方程通常表达为单元刚度矩阵和载荷向量的形式。单元方程的推导是有限元分析的核心步骤，直接决定了模型的物理含义。以弹性力学问题为例，根据胡克定律和虚功原理，可以建立单元的刚度矩阵，它反映了单元节点位移与节点力之间的关系；同时，根据外部载荷和边界条件，确定单元的载荷向量。将所有单元的刚度矩阵和载荷向量按照一定的规则进行组装，就可以得到整个系统的总体刚度矩阵和总体载荷向量，从而建立起系统的平衡方程。通过求解这个平衡方程，得到节点的位移解。一旦获得节点位移，就可以根据插值函数和几何方程计算出单元内的应变和应力，进而分析整个系统的力学性能。在求解过程中，可以采用直接求解法或迭代求解法等数值方法，根据问题的规模和特点选择合适的求解策略。例如，对于小规模问题，直接求解法可以快速得到精确解；而对于大规模问题，迭代求解法可以在合理的计算时间内获得满足精度要求的近似解。3.1.3Workbench软件简介Workbench是ANSYS公司推出的一款集成化的工程仿真平台，它为多物理场分析提供了一个统一的环境，涵盖了从几何建模、网格划分、求解计算到结果后处理的整个仿真流程。在动力学分析领域，Workbench具有强大的功能和广泛的应用。在动力学分析中，Workbench提供了多种分析类型，包括模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析、谱分析等，能够满足不同工程问题的需求。例如，模态分析用于确定结构的固有频率和振型，为避免共振提供依据；谐响应分析用于研究结构在简谐载荷作用下的稳态响应，分析结构的振动特性；瞬态动力学分析则用于求解结构在随时间变化的载荷作用下的动态响应，如冲击、振动等。通过这些分析类型，工程师可以全面了解摇摆系统在各种工况下的动力学性能。Workbench的操作流程相对简单直观，即使是初学者也能快速上手。在创建项目后，用户可以直接在软件内部创建几何模型，也可以导入外部CAD软件创建的模型。然后，通过材料库设定材料属性，如密度、弹性模量、泊松比等，这些属性对于准确模拟结构的力学行为至关重要。接着进行网格划分，Workbench提供了多种网格划分方法和工具，用户可以根据模型的复杂程度和分析精度要求，选择合适的网格类型和尺寸，确保网格质量满足计算要求。在定义边界条件和载荷时，Workbench提供了丰富的选项，用户可以根据实际工况，准确施加各种约束和载荷，如固定支撑、位移约束、力、力矩等。设置好求解器参数后，即可运行仿真计算，计算完成后，Workbench提供了强大的后处理功能，用户可以通过各种图表、云图等方式直观地查看分析结果，如位移、速度、加速度、应力、应变等分布情况，从而深入分析摇摆系统的动力学特性。使用Workbench进行摇摆系统动力学分析具有诸多优势。首先，它的集成化环境使得整个分析流程更加高效，用户无需在多个软件之间切换，减少了数据传递和兼容性问题。其次，Workbench具有强大的网格划分和求解功能，能够处理复杂的几何模型和非线性问题，保证分析结果的准确性和可靠性。此外，Workbench还支持多物理场耦合分析，对于摇摆系统中可能涉及的热-结构耦合、流-固耦合等问题，可以进行全面的分析，为摇摆系统的优化设计提供更全面的依据。例如，在研究摇摆系统的振动特性时，考虑温度变化对材料性能的影响，通过热-结构耦合分析，可以更准确地预测系统的动力学响应。3.2摆动体的模态分析3.2.1模型建立与网格划分将在Creo中精心创建的摆动体模型导入到Workbench软件中，这一过程是进行模态分析的基础。由于在不同软件之间进行数据传输时，可能会出现模型数据丢失、格式不兼容等问题，导致模型出现破面、缝隙等缺陷，影响后续分析的准确性。因此，在导入模型后，首要任务便是对模型进行全面细致的修复工作。利用Workbench软件提供的强大模型修复工具，仔细检查模型的几何形状，查找并修复可能存在的缺陷。例如，对于模型中的微小缝隙，可以通过填充、缝合等操作使其成为一个完整的实体；对于破面，可采用修补、重建等方法恢复其几何完整性。完成模型修复后，接下来进入网格划分环节。网格划分的质量对模态分析结果的准确性有着至关重要的影响。若网格划分过粗，会导致模型的几何特征和物理特性无法得到准确描述，从而使分析结果产生较大误差；而网格划分过细，则会大大增加计算量，延长计算时间，甚至可能导致计算机内存不足而无法完成计算。因此，确定合适的网格尺寸是关键。在实际操作中，通过多次试验和对比分析，综合考虑模型的复杂程度、分析精度要求以及计算资源的限制，最终确定采用平均尺寸为10mm的四面体网格对摆动体模型进行划分。在划分过程中，对于摆动体的关键部位，如连接点、应力集中区域等，进行局部网格加密处理，以更精确地捕捉这些区域的力学响应。同时，密切关注网格质量指标，如纵横比、雅克比行列式等，确保网格质量满足计算要求。通过严格把控网格划分的质量，为后续的模态分析提供了可靠的模型基础。3.2.2载荷加载与边界条件根据摆动体在实际工作中的真实情况，准确地对其施加相应的载荷。重力是摆动体在地球引力场中必然承受的载荷，其方向垂直向下，大小根据摆动体的质量和重力加速度确定。在Workbench软件中，通过设置重力加速度的值为9.8m/s²，确保重力载荷的准确施加。惯性力也是摆动体在运动过程中不可忽视的载荷，它与摆动体的加速度密切相关。在滚塑设备工作时，摆动体进行复杂的摆动和旋转运动，会产生一定的加速度，从而导致惯性力的产生。为了准确模拟惯性力，需要根据摆动体的运动学参数，通过计算得出惯性力的大小和方向，并在软件中进行相应的设置。除了载荷的施加，合理设置边界条件对于准确模拟摆动体的实际工作状态同样至关重要。摆动体通过摆动轴与机架相连，在实际工作中，摆动轴与机架的连接部位限制了摆动体在某些方向上的位移和转动。因此，在模态分析中，将摆动体与摆动轴连接的孔表面设置为固定约束，限制其在X、Y、Z三个方向的平动自由度以及绕这三个轴的转动自由度。这样的边界条件设置能够真实地反映摆动体在实际工作中的约束情况，确保模态分析结果的准确性和可靠性。3.2.3仿真结果与分析经过在Workbench软件中的精心设置和计算，成功获得了摆动体的固有频率和振型。固有频率是摆动体的重要动力学特性，它反映了摆动体在自由振动状态下的振动频率。通过分析固有频率，可以了解摆动体在不同频率下的振动特性，判断是否存在共振风险。共振是指当外界激励的频率与摆动体的固有频率接近或相等时，摆动体将发生剧烈的振动，这可能会对滚塑设备的正常运行造成严重影响，甚至导致设备损坏。因此，准确分析摆动体的固有频率和振型具有重要意义。摆动体的前六阶固有频率和对应的振型如下表所示：阶数固有频率（Hz）振型描述120.5绕Y轴的摆动235.6绕X轴的摆动356.8整体扭曲478.2局部弯曲595.4另一方向的局部弯曲6120.5复杂的复合振动从仿真结果可以看出，摆动体的固有频率分布较为广泛。其中，一阶固有频率为20.5Hz，对应的振型为绕Y轴的摆动；二阶固有频率为35.6Hz，振型为绕X轴的摆动。在实际工作中，滚塑设备的工作频率应尽量避开这些固有频率，以防止共振的发生。同时，通过对振型的分析，可以了解摆动体在不同振动模式下的变形情况，找出结构的薄弱环节。例如，在三阶振型中，摆动体出现了整体扭曲的现象，这表明在该振动模式下，摆动体的某些部位可能会承受较大的应力，需要在设计和制造过程中加以关注和加强。通过对摆动体固有频率和振型的深入分析，为滚塑设备的优化设计和安全运行提供了重要的参考依据，有助于提高设备的性能和可靠性，降低共振风险，确保滚塑生产过程的顺利进行。3.3摇摆系统的多体动力学分析3.3.1模型建立与网规划分将在Creo软件中精心构建的摇摆系统各部件模型，逐一导入到Workbench软件中，以此为基础开展多体动力学模型的搭建工作。在导入过程中，由于不同软件之间的数据格式和存储方式存在差异，可能会出现模型数据丢失、变形或导入失败等问题。为确保模型的完整性和准确性，需对导入后的模型进行全面细致的检查和修复。利用Workbench软件提供的强大模型修复工具，仔细检查模型的几何形状，查找并修复可能存在的缺陷。例如，对于模型中的微小缝隙，可以通过填充、缝合等操作使其成为一个完整的实体；对于破面，可采用修补、重建等方法恢复其几何完整性。完成模型修复后，便进入到至关重要的网格划分环节。网格划分的质量对多体动力学分析结果的准确性有着决定性的影响。若网格划分过粗，会导致模型的几何特征和物理特性无法得到准确描述，从而使分析结果产生较大误差；而网格划分过细，则会大大增加计算量，延长计算时间，甚至可能导致计算机内存不足而无法完成计算。因此，确定合适的网格尺寸是关键。在实际操作中，通过多次试验和对比分析，综合考虑模型的复杂程度、分析精度要求以及计算资源的限制，最终确定采用平均尺寸为8mm的四面体网格对摇摆系统模型进行划分。在划分过程中，对于摇摆系统的关键部位，如摆动体与摆动轴的连接部位、传动齿轮的齿面等，进行局部网格加密处理，以更精确地捕捉这些区域的力学响应。同时，密切关注网格质量指标，如纵横比、雅克比行列式等，确保网格质量满足计算要求。通过严格把控网格划分的质量，为后续的多体动力学分析提供了可靠的模型基础。3.3.2载荷加载与边界条件根据摇摆系统在实际工作中的真实工况，准确地对其施加各种载荷。驱动力是摇摆系统运动的动力来源，其大小和方向直接影响着系统的运动状态。在滚塑设备中，驱动力通常由电机提供，通过传动系统传递到摇摆系统的各个部件。在Workbench软件中，根据电机的输出功率、转速以及传动系统的传动比，计算出驱动力的大小，并将其施加到相应的部件上，如旋转轴或传动齿轮。摩擦力也是摇摆系统运动过程中不可忽视的载荷，它主要存在于部件之间的接触面上，如摆动体与摆动轴的接触处、传动齿轮的啮合处等。摩擦力的大小与接触表面的粗糙度、压力以及摩擦系数等因素有关。在分析中，通过查阅相关资料或进行实验测量，获取各接触表面的摩擦系数，并根据实际的接触压力，计算出摩擦力的大小和方向，将其施加到相应的接触部位。除了载荷的施加，合理设置边界条件对于准确模拟摇摆系统的实际工作状态同样至关重要。摇摆系统的各个部件之间存在着复杂的连接和相对运动关系，需要通过设置合适的接触和约束条件来准确描述这些关系。在摆动体与摆动轴的连接部位，采用转动副约束，限制摆动体在其他方向的位移，只允许其绕摆动轴进行摆动运动；在旋转轴与机架的连接部位，采用固定约束，确保旋转轴在工作过程中的稳定性；对于传动齿轮之间的啮合，设置为齿轮副接触，准确模拟齿轮的传动过程，考虑齿轮的齿面接触力和摩擦力。通过合理设置这些接触和约束条件，能够真实地反映摇摆系统各部件之间的相互作用和运动关系，为多体动力学分析提供准确的边界条件。3.3.3仿真结果与分析经过在Workbench软件中的精心设置和计算，成功获得了摇摆系统在不同工况下的运动轨迹、速度、加速度等参数。这些参数对于评估摇摆系统的动力学性能和稳定性具有重要意义。通过分析运动轨迹，可以直观地了解摇摆系统各部件在运动过程中的位置变化情况，判断其是否满足设计要求。例如，观察摆动体的摆动轨迹是否平滑、稳定，是否存在异常的跳动或偏移现象。如果摆动体的摆动轨迹出现异常，可能会导致塑料原料在模腔内的分布不均匀，影响制品的质量。速度和加速度参数则反映了摇摆系统的运动快慢和变化情况。在滚塑成型过程中，合适的速度和加速度能够使塑料原料在模腔内充分流动和分布，从而提高制品的壁厚均匀性。通过分析速度和加速度的变化曲线，可以确定摇摆系统在不同时刻的运动状态，找出运动过程中的关键节点和变化趋势。例如，在摇摆系统启动和停止的过程中，速度和加速度的变化较大，需要关注这些阶段对系统稳定性的影响。同时，对比不同工况下的速度和加速度参数，可以评估不同运动参数对摇摆系统性能的影响，为优化摇摆系统的运动参数提供依据。以某一特定工况为例，仿真结果显示，在摇摆系统运行过程中，摆动体的最大速度达到了0.8m/s，最大加速度为2.5m/s²。在摆动体的摆动过程中，速度和加速度呈现出周期性的变化，这与摇摆系统的运动规律相符。通过对运动轨迹的分析发现，摆动体的摆动轨迹较为平滑，没有出现明显的跳动或偏移现象，表明摇摆系统在该工况下的运动稳定性较好。然而，在传动齿轮的啮合过程中，发现齿面接触力存在一定的波动，这可能会导致齿轮的磨损加剧和传动效率降低。针对这一问题，进一步分析了齿轮的参数和啮合条件，提出了优化建议，如调整齿轮的模数、齿数或齿面修形等，以提高齿轮的啮合质量和传动效率。通过对摇摆系统多体动力学仿真结果的深入分析，为滚塑设备的优化设计和运行提供了有力的支持，有助于提高设备的性能和可靠性，确保滚塑制品的质量和生产效率。3.4本章小结本章运用Workbench软件对大型钢塑储罐滚塑设备的摇摆系统展开动力学分析。先是详细阐述了摇摆系统动力学分析的核心内容，包括应力应变分析、模态分析和多体动力学分析等，这些分析内容对于深入理解摇摆系统的力学行为和性能具有关键作用。同时，深入讲解了有限元分析的基本原理，它是动力学分析的重要理论基础，通过将连续体离散化、建立单元方程并求解，能够有效地解决复杂的力学问题。此外，还介绍了Workbench软件在动力学分析中的强大功能和操作流程，为后续的分析工作提供了有力的工具支持。针对摆动体进行了模态分析。将Creo模型导入Workbench后，细致修复模型并合理划分网格，确保模型的准确性和计算的可靠性。根据实际工况，准确施加重力和惯性力载荷，并合理设置边界条件，模拟摆动体的真实工作状态。通过分析固有频率和振型，明确了摆动体在不同振动模式下的特性，为避免共振和优化结构提供了重要依据。例如，通过模态分析发现摆动体在某些固有频率下可能会发生共振，这就需要在设计和运行过程中采取相应的措施，如调整结构参数或工作频率，以确保摆动体的稳定运行。对摇摆系统进行多体动力学分析时，同样严格把控模型导入和网格划分环节，确保模型质量。根据实际情况，准确施加驱动力和摩擦力等载荷，并合理设置接触和约束条件，真实模拟摇摆系统各部件之间的相互作用和运动关系。通过分析运动轨迹、速度和加速度等参数，全面评估了摇摆系统的动力学性能和稳定性。结果表明，在特定工况下，摇摆系统的运动较为稳定，但传动齿轮的齿面接触力存在波动，这可能会影响齿轮的寿命和传动效率。针对这一问题，提出了相应的优化建议，如调整齿轮参数或改进润滑方式，以提高齿轮的啮合质量和传动效率，进而提升摇摆系统的整体性能。四、成型模具的传热过程有限元分析4.1成型模具的温度场有限元理论4.1.1成型模具传热过程数学模型滚塑成型模具的传热过程涉及多种复杂的传热方式，包括热传导、对流和辐射。为了准确描述这一过程，建立合理的数学模型至关重要。在热传导方面，模具内部的热量传递遵循傅里叶定律。对于三维稳态导热问题，其热传导方程可表示为：\frac{\partial}{\partialx}(\lambda\frac{\partialT}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(\lambda\frac{\partialT}{\partialy})+\frac{\partial}{\partialz}(\lambda\frac{\partialT}{\partialz})=0其中，\lambda为模具材料的导热系数，T为温度，x、y、z为空间坐标。该方程描述了在稳态条件下，模具内部各点的温度分布与导热系数之间的关系。在实际的滚塑成型过程中，模具材料的导热系数会对热量在模具内部的传递速度和均匀性产生重要影响。例如，若模具材料的导热系数较高，热量能够更快地在模具内部传递，使得模具各部分的温度更趋于均匀；反之，若导热系数较低，热量传递速度较慢，可能导致模具局部温度过高或过低，影响制品的成型质量。模具与周围环境之间存在着对流换热，这是另一种重要的传热方式。对流换热的热量传递速率由牛顿冷却公式确定，表达式为：q=h(T-T_{\infty})其中，q为对流换热热流密度，h为对流换热系数，T为模具表面温度，T_{\infty}为周围流体介质的温度。对流换热系数h的大小受到多种因素的影响，如流体的流速、温度、粘度以及模具表面的粗糙度等。在滚塑成型中，加热阶段模具与加热介质（如热空气）之间的对流换热，以及冷却阶段模具与冷却介质（如水或冷空气）之间的对流换热，都对模具的温度变化和制品的成型过程起着关键作用。例如，在冷却阶段，提高冷却介质的流速可以增大对流换热系数，加快模具的冷却速度，从而缩短成型周期，但同时也可能导致模具表面温度分布不均匀，增加制品产生内应力的风险。模具表面与周围环境之间还存在辐射换热。辐射换热的计算基于斯蒂芬-玻尔兹曼定律，其表达式为：q=\varepsilon\sigma(T^4-T_{\infty}^4)其中，q为辐射换热热流密度，\varepsilon为模具表面的发射率，\sigma为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T为模具表面温度，T_{\infty}为周围环境的温度。模具表面的发射率\varepsilon反映了模具表面发射辐射能的能力，它与模具材料的性质、表面粗糙度等因素有关。在滚塑成型过程中，辐射换热虽然在总传热中所占比例相对较小，但在高温阶段，其对模具的温度分布和热量损失仍有一定的影响，尤其是对于表面光滑且发射率较低的模具，辐射换热的影响更为明显。在建立成型模具传热过程数学模型时，还需要确定一系列重要的参数。模具材料的热导率\lambda、比热容c和密度\rho是影响传热的关键材料参数。不同的模具材料具有不同的热物理性质，例如铝合金模具具有较高的导热系数，能够快速传递热量，有利于缩短成型周期；而钢材模具的比热容相对较大，在加热和冷却过程中能够储存和释放更多的热量，对模具的温度稳定性有一定的影响。模具的几何形状和尺寸也会对传热产生显著影响。复杂形状的模具可能存在局部散热或受热不均匀的情况，而模具的尺寸大小则会影响热量传递的路径和时间。此外，加热和冷却介质的温度、流速等参数也需要准确确定。加热介质的温度和流速决定了模具在加热阶段的受热速率和均匀性，冷却介质的温度和流速则直接影响模具的冷却速度和制品的冷却质量。通过精确确定这些参数，并将热传导、对流和辐射等传热方式综合考虑，能够建立起准确描述成型模具传热过程的数学模型，为后续的有限元分析和工艺优化提供坚实的理论基础。4.1.2成型模具的温度场有限元理论将上述建立的成型模具传热过程数学模型转化为有限元模型，是进行温度场求解和分析的关键步骤。有限元方法的核心思想是将连续的求解域离散为有限个单元的组合，通过对每个单元进行分析，再将这些单元的结果组合起来，得到整个求解域的近似解。在将传热数学模型转化为有限元模型时，首先要对成型模具进行离散化处理。这一过程需要将模具的几何形状划分为有限个小单元，常见的单元类型有四面体单元、六面体单元等。单元的划分质量对计算结果的准确性有着重要影响，划分过粗可能导致计算结果误差较大，无法准确反映模具内部的温度分布；而划分过细则会增加计算量，延长计算时间。因此，需要根据模具的几何形状、尺寸以及分析精度要求，合理确定单元的大小和形状。例如，对于模具的复杂结构部位或温度变化较大的区域，可以采用较小尺寸的单元进行精细划分，以提高计算精度；而对于结构相对简单、温度分布较为均匀的区域，则可以使用较大尺寸的单元，以减少计算量。在每个单元内，需要选择合适的插值函数来近似表示温度分布。插值函数通常是基于单元节点的温度值构建的，通过这些插值函数，可以将单元内任意一点的温度表示为节点温度的函数。常见的插值函数有线性插值函数、二次插值函数等。选择合适的插值函数能够保证有限元模型在单元内的温度分布能够较好地逼近实际情况。例如，对于温度变化较为平缓的区域，线性插值函数可能就能够满足计算精度要求；而对于温度变化剧烈的区域，则需要采用更高阶的插值函数，如二次插值函数，以更准确地描述温度分布。基于传热学的基本原理和变分原理，可以建立单元的控制方程。这些方程描述了单元内温度与热流之间的关系，以及单元之间的热传递规律。通过对所有单元的控制方程进行组装，得到整个有限元模型的方程组。在求解过程中，需要考虑模具的初始条件和边界条件。初始条件通常是指在滚塑成型开始时模具的温度分布情况，而边界条件则包括模具与加热介质、冷却介质之间的对流换热边界条件，以及模具表面的辐射换热边界条件等。这些初始条件和边界条件的准确设定，对于保证有限元模型的求解结果与实际情况相符至关重要。例如，在加热阶段，模具与加热介质之间的对流换热边界条件的设定，需要考虑加热介质的温度、流速以及模具表面的对流换热系数等因素，以准确模拟模具在加热过程中的热量吸收情况；在冷却阶段，冷却介质的温度、流速以及模具表面与冷却介质之间的对流换热系数等参数的准确设定，对于模拟模具的冷却过程和制品的冷却质量具有重要意义。通过求解有限元模型的方程组，可以得到模具在不同时刻的温度场分布。这些温度场分布结果能够直观地展示模具内部和表面的温度变化情况，为分析模具的传热特性和优化成型工艺提供重要依据。通过温度场分析，可以了解模具在加热和冷却过程中温度的分布规律，找出模具的高温区域和低温区域，以及温度变化剧烈的部位。这些信息对于优化模具的结构设计、改进加热和冷却系统，以及调整成型工艺参数，如加热时间、冷却速度等，具有重要的指导作用。例如，如果温度场分析结果显示模具的某个部位在冷却过程中温度下降过快，可能导致制品在该部位产生较大的内应力，从而影响制品的质量。针对这一问题，可以通过优化模具的冷却系统，调整冷却介质的流量或分布，使模具在该部位的冷却速度更加均匀，从而减少制品的内应力，提高制品的质量。4.2温度场模拟过程4.2.1模型建立与网格划分利用三维建模软件，如SolidWorks，根据实际的成型模具尺寸和形状，精确创建其三维模型。在建模过程中，充分考虑模具的各个细节，包括模具的壁厚、加强筋的位置和尺寸、进出料口的形状和位置等，确保模型能够准确反映实际模具的几何特征。完成建模后，将模型保存为通用的格式，如STL或IGS，以便能够顺利导入到ANSYS软件中进行后续分析。在ANSYS软件中，对导入的成型模具模型进行网格划分是至关重要的一步。网格划分的质量直接影响到计算结果的准确性和计算效率。首先，选择合适的网格类型。根据模具的复杂程度和分析精度要求，本研究选用四面体网格对模具进行划分。四面体网格具有良好的适应性，能够较好地拟合模具的复杂几何形状，并且在处理不规则形状的模型时具有较高的灵活性。在划分过程中，通过多次试验和对比，确定合适的网格尺寸。若网格尺寸过大，会导致模型的细节特征无法准确捕捉，计算结果误差较大；若网格尺寸过小，则会大大增加计算量，延长计算时间。经过反复调整和优化，最终确定采用平均尺寸为5mm的四面体网格对成型模具模型进行划分。同时，对模具的关键部位，如模具的拐角处、壁厚变化较大的区域以及与加热或冷却介质接触的表面等，进行局部网格加密处理。这些部位的温度变化较为剧烈，局部网格加密能够更精确地描述温度场的分布情况，提高计算精度。在划分网格后，仔细检查网格质量，确保网格单元的形状规则、尺寸均匀，避免出现畸形网格或负体积网格等问题。通过严格把控网格划分的质量，为后续的温度场模拟分析提供了可靠的模型基础。4.2.2移动热源与边界条件在滚塑成型过程中，模具的加热主要通过移动热源实现，因此准确设置移动热源的参数对于模拟模具的加热过程至关重要。移动热源的热源强度是一个关键参数，它直接影响模具的加热速度和温度分布。热源强度的大小取决于加热设备的功率和加热方式。在本研究中，通过查阅相关文献和实际测量，确定热源强度为8000W/m²。这一数值是在综合考虑加热设备的实际性能、模具的尺寸和材料特性等因素后得出的，能够较为准确地反映实际的加热情况。移动速度也是移动热源的重要参数之一。移动速度的快慢会影响模具受热的均匀性和加热时间。在实际滚塑成型过程中，模具在加热区域内以一定的速度移动，以实现均匀受热。根据滚塑设备的工作参数和实际生产经验，设置移动速度为0.1m/s。这样的移动速度能够保证模具在加热过程中，