塑料异型材挤出成型过程数值模拟及其模具设计优化

摘要

本文首先对挤出模头内塑料熔体三维流动过程的进行理论分析。针对壁面滑移问题，提出挤出流动分析时应施加边界滑移速度，给出了壁面滑移速度的测量方法，研制了一种在线式聚合物双毛细管挤出流变仪；针对复杂的模头三维型腔实体，提出一种适合于数值模拟的分步单元划分策略；采用更适用于聚合物挤出流动分析的Brid-Carreau流变方程，完成了塑料熔体在模头内三维流动的数值模拟。采用有限元数值分析和正交试验分析法，系统分析了模头结构参数对多流道挤出流动平衡的影响规律。 其次，在挤出流动分析的基础上，结合聚合物流变学理论和最优化方法，提出一种基于流动平衡的塑料异型材挤出模头结构设计优化方法。该方法以模头出口处各区域流动的平衡性为优化目标，对模头结构参数进行了设计优化。通过实例分析和实验，证明优化后挤出流动的平衡性显著提高，该方法具有较强的适应性和实用性。 然后，应用传热学原理系统地分析型材在定型模内冷却时的传热过程，给出了该过程的传热数学模型，对初始条件和边界条件进行了更接近生产实际的分析和计算，建立了型材与定型模内腔间对流换热系数的计算方法，完成了定型模内塑料型材冷却过程的数值模拟，获得了型材在定型模内不同时刻的瞬态温度场。 最后，基于定型模内型材冷却数值模拟结果，以冷却水道位置为优化设计变量，以定型模出口处型材冷却均匀性和冷却效率为优化目标，提出了一种基于瞬态温度场的定型模冷却水道设计优化方法。针对型材局部冷却不均匀的问题，给出了异型水道设计方案，通过实验和生产实践，证明水道经优化和异型设计后的定型模能够显著提高型材冷却的均匀性和冷却效率。利用基于有限变形理论的热力耦合基本方程，对定型模内塑料异型材冷却过程进行热力耦合计算，提出了一种新的定型模型腔反变形设计方法，可以直接将型材变形映射成型腔的轮廓，并通过实验验证了该方法的正确性和有效性。

目录

文摘

英文文摘

独创性说明及大连理工大学学位论文版权使用授权书

1绪论

1.1课题背景与研究意义

1.1.1课题背景

1.1.2课题研究意义

1.2国内外研究概况

1.2.1挤出流动分析及模具设计优化方面的研究

1.2.2冷却定型分析及模具设计优化方面的研究

1.2.3存在的问题

1.3本文研究内容

2考虑壁面滑移的模头内熔体流动过程的数值模拟

2.1引言

2.2挤出流动的控制方程与流变方程

2.2.1连续性方程

2.2.2运动方程

2.2.3能量方程

2.2.4流变方程

2.2.5三维流动控制方程

2.3聚合物挤出过程壁面滑移的实验研究

2.3.1聚合物挤出过程壁面滑移的研究概述

2.3.2测量壁面滑移速度的理论基础

2.3.3在线式聚合物双毛细管挤出流变仪的研制与应用

2.4模头内塑料熔体流动分析

2.4.1单元划分策略

2.4.2初始条件和边界条件

2.4.3计算结果与分析

2.4.4不考虑壁面滑移的结果与分析

2.5流道结构参数对挤出流动平衡性影响的研究

2.5.1多流道挤出流动的数值模拟

2.5.2基于正交试验的多流道挤出流动平衡研究

2.5.3结果分析

2.6本章小结

3模头流道结构的设计优化及其实验验证

3.1引言

3.2优化设计基本概念

3.2.1基本概念

3.2.2优化工具

3.2.3优化过程

3.3模头流道结构的设计优化

3.3.1模头流道设计优化过程

3.3.2设计变量的确定

3.3.3状态变量的确定

3.3.4目标函数的确定

3.4设计优化实例分析

3.4.1参数化建模

3.4.2单元划分

3.4.3初始条件与边界条件

3.4.4数值模拟结果

3.4.5设计变量的确定

3.4.6状态变量的确定

3.4.7流道结构的设计优化

3.5模头结构设计优化实验验证

3.6本章小结

4定型模内塑料异型材冷却过程的数值模拟

4.1引言

4.2定型模内塑料异型材的传热分析

4.2.1传热学基本方程

4.2.2定型模内型材冷却的传热分析

4.2.3初始条件和边界条件的确定

4.3定型模内塑料异型材冷却过程的数值模拟

4.3.1瞬态温度场的有限元法

4.3.2有限元法热分析的理论基础与过程

4.3.3型材冷却过程的数值模拟

4.4本章小结

5定型模冷却系统的设计优化及其实验验证

5.1引言

5.2定型模冷却系统设计优化过程

5.2.1参数化建模

5.2.2设计变量的确定

5.2.3状态变量的确定

5.2.4目标函数的确定

5.3设计优化实例分析

5.3.1设计优化实例

5.3.2分析结果讨论

5.4异型水道设计与数值模拟

5.4.1异型水道设计

5.4.2数值模拟结果

5.4.3结果分析

5.5定型模内型材冷却热应力分析与反变形设计

5.5.1热力耦合计算的基本方程

5.5.2塑料异型材冷却的热应力分析

5.5.3定型模型腔的反变形设计

5.6定型模冷却系统优化与反变形设计实验验证

5.7本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

附录A符号说明

创新点摘要

攻读博士学位期间发表学术论文情况

攻读博士学位期间申请专利情况

致 谢