行星单螺杆一体化挤出机流场的有限元数值模拟及结构优化

摘要

行星挤出机作为一种新型的聚合物加工设备拥有众多优点，越来越受到人们的重视，其应用领域也在不断扩大。然而，常规的行星挤出机也有不可避免的缺陷，比如建立聚合物熔体压力能力较低，挤出稳定性能较差，压力与流量波动比较明显。行星挤出机上述缺陷无法进行挤出制品的直接生产，也阻碍了其应用领域的进一步扩展。机械设备的功能组合设计是机械创新设计的常用方法，将常规的单螺杆挤出机与行星挤出机进行结构功能的组合，得到了行星单螺杆一体化挤出机。行星单螺杆一体化挤出机不仅具有高效的塑化熔融性能、较强的聚合物熔体建压能力，而且能够很好地改善常规行星挤出机挤出稳定性差的缺陷，能够进一步扩展其应用范围。行星单螺杆一体化挤出机的结构复杂，其中的聚合物熔体流动特性更加复杂，运用解析法与实验法从本质上认识聚合物的流动与混合特性比较困难。此外，运用解析法与实验法对行星单螺杆一体化挤出机的单螺杆部分进行优化设计也耗时耗力，而借助于现代计算分析方法能够很好地解决上述问题。
　　本研究主要内容包括：⑴构建了行星单螺杆一体化挤出机三维模型，运用CFD软件Polyflow对模型的流场进行有限元数值模拟，深入分析了行星单螺杆一体化挤出机的压力分布、建压特性、速度分布及局部剪切速率等流场特性。⑵设计正交数值模拟实验，构建三维模型，开展有限元模拟分析计算，分析各组模型的建压特性、稳压特性、压力波动、速度分布及剪切速率等流场特性。通过分析对比，获得流场特性最优的实验组，将该组中的单螺杆结构参数结合行星段作为基准进行后续分析研究。⑶以正交数值模拟实验的分析结果为基准，设计单因素数值模拟实验，构建实验三维模型并进行有限元数值模拟，深入分析单螺杆段的主要结构参数（如螺杆直径、螺杆导程及螺纹断面形状等）对行星单螺杆一体化挤出机流场的影响。⑷综合正交数值模拟实验与单因素数值模拟实验的结果，设计优化数值模拟实验，对单螺杆段的其他结构参数（如螺棱宽度及机筒间隙等）进行分析优化，最终找到比较合理的单螺杆段螺杆结构参数，从而实现行星单螺杆一体化挤出机的优化设计。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 行星挤出机

1．2．1 行星挤出机的历史、发展及特点

1．2．2 行星挤出机的结构组成

1．2．3 行星挤出机的分类及应用

1．3 研究进展

1．4 计算机辅助工程技术

1．5 行星单螺杆一体化挤出机

1．6 本课题研究的目的、意义和内容

1．6．1 本课题研究的目的和意义

1．6．2 本课题研究的主要内容

1．6．3 研究技术方案

第二章 流场分析方法及模型的建立

2．1 分析求解方法

2．2 CFD介绍及模拟分析软件的选择

2．2．1 Polyflow软件简介

2．2．2 FieldvieW软件介绍

2．2．3 模拟及分析软件的选择

2．3 行星单螺杆一体化挤出机模型的建立

2．3．1 物理模型的建立

2．3．2 数学模型的建立

2．3．3 运动关系的转化

2．3．4 网格划分

2．3．5 材料的物性参数及边界条件

第三章 行星单螺杆一体化挤出机流场分析

3．1 压力场分析

3．1．1 建压性能分析

3．1．2 压力波动分析

3．2 速度场分析

3．3 局部剪切速率分析

3．4 本章小结

第四章 正交数值模拟实验

4．1 结构优化方法的选择

4．2 正交实验法简介

4．2．1 正交实验的介绍

4．2．2 螺杆结构参数及正交实验表的选择

4．3 正交数值模拟实验

4．3．1 模型的建立

4．3．2 模型的网格划分

4．3．3 控制方程及边界条件

4．4 正交数值模拟实验流场分析

4．4．1 压力场分析

4．4．2 速度场分析

4．4．3 局部剪切速率分析

4．5 本章小结

第五章 单因素数值模拟实验

5．1 单因素实验法简介

5．2 单因素数值模拟实验

5．2．1 模型的建立

5．2．2 模型的网格划分

5．2．3 控制方程及边界条件的设置

5．3 单因素数值模拟实验流场分析

5．3．1 螺杆直径对流场的影响

5．3．2 螺杆导程对流场的影响

5．3．3 螺杆锥度角对流场的影响

5．3．4 螺纹断面形状对流场的影响

5．4 本章小结

第六章 优化数值模拟实验

6．1 优化数值模拟实验的设计

6．2 优化数值模拟实验

6．2．1 螺棱宽度分析组

6．2．2 螺纹头数分析组

6．2．3 机筒间隙分析组

6．3 本章小结

第七章 总结

7．1 全文总结

7．2 本论文的创新点

7．3 课题有待研究的问题

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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