快速换径管材新型结构及挤出成型研究

摘要

随着计算机技术、高分子材料成型技术、机械制造技术的飞速发展，CAD/CAM、CAE技术已逐渐应用到工业生产中，高分子材料由于其优越的使用性能也已经渗透到各个应用领域。在高分子材料成型加工中，怎样利用CAE技术提高高分子材料的使用水平、高分子材料产品质量以及生产率仍然是工程师当前的首要任务。本课题围绕快速换径管材新型结构及挤出成型研究这一主题，以高分子材料加工工程学、聚合物熔体流变学、聚合物加工传热学等多学科理论为基础，在计算机模拟分析与实验研究基础上，研究分析了塑料管材挤出的成型规律，从理论到实验全面研究分析了快速换径新型结构的可行性，为提高管材的生产效率和高分子材料的使用水平做了探索性的研究。 本研究首先从理论上分析了熔体在管材口模模腔中的各物理量的分布规律，然后以这些理论为依据设计了一套符合适合快速变换要求的管材口模，并对此口模的结构进行了优化设计和严格的校核。随后用ANSYS软件的CFD fluid模块，对熔体在口模流道内的流动情况进行计算机流动分析和动态流动模拟，直观和形象地描述了管材挤出模流道内的熔体压力场、速度场、粘度场、壁面剪切应力场的分布情况，在模具投入生产之前预测口模流道内熔体流动行为。该分析确定了挤出管材口模成型段关键的几何参数、不同的边界条件对熔体挤出速度、质量的影响规律，为口模结构优化设计以及工艺参数的控制提供理论和实验指导，并在此基础上修正调整了模具设计参数与流道不同的入口参数条件，确定了实验条件下合理的模具几何结构，也为选择实验研究的参数提供了参考。最后，以理论设计和模拟分析为依据，设计并加工了管材挤出口模，并对HDPE进行了试验，由所得实验数据进一步分析了螺杆转速、口模成型段壁厚、机头温度对挤出产量、机头压力和挤出胀大的影响。 本研究以计算机模拟与结构设计、试验研究相结合，不但提高了结构设计的效率、减少了实验的盲目性，而且对比分析了模拟分析结构与试验结果，以实验数据验证了该新型结构可行性与合理性，使研究结果具有重要理论及实际工程意义。

目录

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声明

第一章绪论

1.1本课题的研究背景

1.2国内外聚合物管材挤出成型加工技术的研究概况

1.2.1微型管和大直径管成型技术

1.2.2管材尺寸精度控制

1.2.3管材的挤出改良性能

1.2.4管材的快速换径技术

1.2.5其它管材成型技术

1.3管材挤出口模结构设计的研究概况

1.4计算机辅助技术在挤出成型研究中的应用概况

1.4.1计算机模拟技术在挤出成型设计中的应用

1.4.2有限元法模拟在挤出成型研究中应用

1.5研究中存在的问题

1.6本课题研究目的和意义

1.7本课题的研究内容及方法和步骤

1.7.1本课题的研究内容

1.7.2本课题的研究方法和步骤

1.8本章小结

第二章挤出口模方案选择

2.1典型的中心进料管材挤出机头

2.1.1滤网式挤管机头

2.1.2内定径挤管机头

2.1.3小管挤出机头

2.1.4芯棒调节式挤管机头

2.1.5熔接痕产生原因及减轻熔接痕措施

2.2本课题实验用挤管机头

2.3本章小结

第三章熔体在挤出模中流动的理论分析

3.1挤出加工流变学

3.1.1粘度与本构方程

3.1.2影响聚合物粘度的因素

3.1.3挤出胀大现象

3.1.4熔体破裂现象

3.2熔体挤出流动的守恒方程

3.2.1连续性方程

3.2.2动量方程

3.2.3能量守恒方程

3.3挤出模典型流道非等温流动理论模拟分析

3.3.1矩形流道流动理论模拟分析

3.3.2圆柱形流道流动理论模拟分析

3.3.3圆环形流道流动理论模拟分析

3.4挤出模典型截面流道中等温流动的压力降和流量分析

3.4.1熔体在圆形截面流道中等温流动时的压力降和流量分析

3.4.2熔体在截顶锥流道中等温流动时的压力降和流量分析

3.4.3熔体在矩形截面流道中等温流动时的压力降和流量分析

3.4.4熔体在圆环形截面流道中等温流动时的压力降和流量分析

3.5熔体在挤出模典型截面流道中的停留时间的计算

3.5.1停留时间的数学模型

3.5.2熔体在截顶锥形流道中停留时间的计算

3.5.3熔体在矩形变截面流道中停留时间的计算

3.5.4熔体在双锥形面流道中停留时间的计算

3.5.5熔体在模腔流道中停留时间的通式

3.6挤出模压缩段流道型腔设计理论分析

3.6.1双直线型压缩流道压缩率变化理论分析

3.6.2流线型线性收缩压缩段流道压缩率变化理论分析

3.7本章小结

第四章挤出口模结构设计

4.1挤管模设计要点

4.1.1挤管模设计原则

4.1.2管材模具整体设计原则

4.1.3管口模设计计算

4.2挤出口模结构的热学设计

4.2.1热学设计的基本假设

4.2.2热学设计的约束

4.2.3热学设计的一般标准

4.3管材挤出模头设计的基本程序

4.4新型结构中心供料管材挤出模的设计与校核

4.4.1新型管材挤出模设计与校核的已知条件

4.4.2阻流板的机械设计及校核

4.4.3新型压缩段结构设计及分析

4.4.4分流支架结构设计及校核

4.4.5分流锥的设计

4.4.6成型段长度的选取

4.4.7熔体在挤出模模腔中的停留时间的计算

4.4.8联接螺钉选择及校核

4.5本章小结

第五章熔体在挤出模中流动的分析及动态模拟

5.1管材口模模拟分析过程

5.1.1求解模块和单元的选择

5.1.2 HDPE的物性参数

5.1.3流动分析的基本假设

5.1.4口模流道物理模型的建立

5.1.5口模网格划分及有限元模型

5.1.6边界条件的施加

5.1.7设置FLOTRAN分析的参数

5.1.8求解及控制

5.1.9结果分析及处理

5.2管材口模中的流动模拟结果及分析

5.2.1压力场的模拟结果及分析

5.2.2速度场的模拟结果及分析

5.2.3粘度场的模拟结果及分析

5.2.4壁面剪切应力场的模拟结果及分析

5.3入口条件发生波动时的流动分析及动态模拟

5.3.1入口速度发生波动时的流动分析及动态模拟

5.3.2入口压力发生波动时的流动分析及动态模拟

5.4本章小结

第六章口模挤出实验研究与模拟对比

6.1口模挤出实验目的及方案设计

6.1.1实验目的

6.1.2实验方案设计

6.2实验器材及测量控制系统

6.2.1实验用挤出机

6.2.2实验用挤出口模

6.2.2测量以及控制系统

6.2.3实验物料及性能参数

6.3实验步骤及实验结果

6.3.1实验操作步骤

6.3.2实验结果

6.4实验数据及分析处理

6.4.1螺杆转速与产量分析

6.4.2螺杆转速与入口压力分析

6.4.3螺杆转速与入口速度分析

6.4.4挤出胀大分析

6.5实验结果与模拟结果分析评估

6.5.1入口速度与入口压力关系对比分析

6.5.2口模压力降与口模壁厚关系对比分析

6.6实验研究及数据处理分析体会

6.7本章小结

第七章总结与展望

7.1本课题的研究总结

7.2主要结论

7.3遗留问题与研究前景展望

参考文献

致谢

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