集成生命周期环境影响评估的塑料管材挤出模具轻量化设计方法

摘要

随着工业的发展，挤出模具已广泛应用于塑料管材的生产制造。塑料管材挤出模具通常依据设计者的经验设计，为了保证挤出模具具有足够的强度和刚度，往往会在一定程度上增加挤出模具的尺寸，这种不合理的设计方式会导致挤出模具质量过重，造成原材料的浪费。轻量化设计方法是在保证设计产品强度和刚度的情况下减少产品的重量，通过减少原材料的使用来减少对环境造成的影响。然而，轻量化设计之后的产品从全生命周期角度并不总是能够减少产品的环境影响。轻量化在设计阶段对产品结构、材料等的优化，有可能会影响产品在生命周期其它阶段的环境影响，不合理的轻量化设计方法甚至会增加产品全生命周期阶段的环境负荷。而现有的轻量化设计方法仅仅考虑以产品重量为目标，并没有考虑轻量化设计对产品全生命周期内环境的影响。因此，本文针对塑料管材挤出模具提出了一种集成生命周期环境影响评估的轻量化设计方法，用于减少塑料管材挤出模具的重量，同时优化挤出模具生命周期内的环境性能。
　　首先，分析了塑料管材挤出模具的特点，阐述了现有挤出模具及轻量化设计存在的问题。在此基础上，提出了一种面向塑料管材挤出模具轻量化设计方法的框架。该框架集成了生命周期环境影响评估和结构优化方法，以塑料管材挤出模具的重量和挤出模具生命周期内的环境影响为目标函数进行结构优化，选取挤出模具各个零件的形状参数为设计变量，以挤出模具结构的强度和刚度为约束条件。
　　其次，进一步对塑料管材挤出模具结构优化过程中目标函数和约束条件的获取进行研究。为了获得挤出模具的强度和刚度的约束条件，基于有限元法和流体力学原理对熔融塑料进行流体仿真，对塑料管材挤出模具进行热力耦合分析。为了获得挤出模具环境影响的目标函数，基于生命周期评估的原理和方法，评估塑料管材挤出模具生命周期内的环境影响。
　　最后，基于上述的研究，选取塑料管材挤出模具不同零件的形状参数作为设计变量，结合结构优化方法，建立挤出模具轻量化设计的数学模型，并将本文的轻量化设计方法应用于一种塑料管材挤出模具。对比分析原始模型、现有的轻量化设计方法以及本文所提出的轻量化设计方法获得的挤出模具生命周期内的环境影响，验证本文提出的轻量化设计方法的有效性。

目录

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3论文研究的意义及课题来源

1.4论文的主要研究内容

2 集成生命周期环境影响评估塑料管材挤出模具的轻量化设

2.1塑料管材挤出模具的结构特点

2.2集成生命周期环境影响评估的目的

2.3轻量化设计方法框架

2.4本章小结

3 基于有限元分析的塑料管材挤出模具轻量化设计约束条件

3.1有限元分析流程概述

3.2塑料管材挤出模具流体仿真

3.3塑料管材模具的结构有限元分析

3.4本章小结

4 塑料管材挤出模具的生命周期环境影响评估

4.1塑料管材挤出模具生命周期环境影响评估概述

4.2塑料管材挤出模具的生命周期环境影响评估过程

4.3本章小结

5 集成生命周期环境影响评估的塑料管材挤出模具轻量化结

5.1结构优化方法概述

5.2塑料管材挤出模具的结构优化数学模型

5.3塑料管材挤出模具的结构优化及结果分析

5.4本章小结

6 结论和展望

6.1结论

6.2后续研究工作及展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读硕士期间发表的论文

B.作者在攻读硕士期间从事的主要研究工作

C作者在攻读硕士期间所获奖励