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挤出吹塑成型初始型坯温度的数值模拟优化
点击:40 日期:2017-5-3 14:19:31

         摘要: 为改善挤出吹塑过程中制件壁厚不均现象,在型坯壁厚非均匀优化方法的基础上,使用计算流体力学软件Polyflow 数值模拟了HDPE 油桶的非等温吹胀,并利用初始型坯温度优化程序,通过改变初始型坯局部温度来控制吹胀制品的壁厚。结果表明,使用初始型坯温度优化程序对非均匀初始壁厚型坯进行5 次优化后,吹塑制品的壁厚均趋近于目标壁厚值0. 003 m,且达到壁厚平均函数最小值3. 6 × 10 - 6 m2。
         挤出吹塑成型是塑料中空制品生产的主要成型方法之一,广泛应用于成型化工原料储存罐、医药用瓶、及汽车零部件等工业制品[1 - 4]。而挤出吹塑成型制品普遍存在壁厚分布不均匀的问题,这不仅影响制品的使用性能,而且增加了生产成本,降低生产效率。
         造成壁厚分布不均匀的因素主要包括制品形状、材料特性以及成型工艺条件等[5 - 6]。在实际生产过程中,通常通过不断调节口模宽度获得沿轴向壁厚分布不均匀的初始型坯,以减少吹塑制品轴向壁厚间的差异,获得较为均匀的制品。根据刘沙粒等[7 - 9]介绍的型坯壁厚非均匀优化方法,应用Polyflow 软件后处理程序改变型坯沿轴向的壁厚,记录多次非均匀优化后所获得的型坯壁厚和吹胀制件壁厚的分布情况。结果如图1 所示,随着优化次数的增加,吹胀壁厚低于目标值0. 003 m 的百分比逐渐趋近于零,而在0. 003 ~ 0. 004 m 之间的节点可达到35. 29%,型坯壁厚非均匀优化可以较好地改善制件壁厚分布不均匀现象,但是从图2 中可以看出,虽然最后一次型坯壁厚非均匀优化使得大部分区域满足壁厚需求,但在模型中轴线区域壁厚仍较厚,远超过目标值,这是由于模具拐角处远大于模具中轴线区域距型坯的距离,且模具散热系数远大于空气,因而先接触模具中轴线区域的型坯冷却较快,壁厚变化小,导致制品壁厚的最终差异。

 


         为改善这一现象,通过控制初始型坯局部温度也成为一种有效方式,邱方军等[9]提出型坯温差法,通过红外线测温仪以及位于挤出机上侧及周围的冷却装置,对型坯局部温度进行测量和部分冷却,实现型坯温度的局部控制; 专利ZL03111429. 6公开了一种吹塑成型高分子材料及其型坯温度分布控制方法,通过在型坯基体材料中添加导电填料,并利用涡流热效应达到型坯的局部控温效果[10 - 11]。然而型坯初始温度应该如何分布才能获得更加均匀的制件却研究较少,文章即提供一种初始型坯温度分布优化方法。


1 数值模拟模型
1. 1 几何模型及网格划分
         用于吹胀模拟的HDPE 大型桶初始型坯及模具结构图,如图3 所示,油桶长为400 mm,宽为335 mm,高为552 mm,油桶瓶口直径为50 mm,瓶口高35 mm,初始型坯直径160 mm,型坯长度600 mm,型坯底端中心点位于空间原点,左右模具分别位于距离型坯中心点120 mm 处。由于模具及型坯呈对称结构,选取模具及型坯的一半进行简化分析,其网格划分如图4 所示,网格数为52 099 个,节点数为52 680 个。


1. 2 控制方程及边界条件
         依据HDPE 材料挤出吹塑过程工艺情况做出如下基本假设:
         1) 吹胀时间短不计重力影响;
         2) 初始型坯熔体与模具接触避免无滑移;
         3) 以型坯壁厚非均匀优化最优结果作为初始型坯壁厚分布。
         基于以上假设,描述吹胀过程的控制方程及K-BKZ 本构方程表达式如下所示:

 

式中: D 为微分符号; h 为壁厚,m; ▽为哈密顿算子; t 为时间,s;u 为速度向量,m/s; ρ 为密度,HDPE 密度取值为960 kg /m3 ; fp为吹胀压力,取值为0. 6 MPa; N 为单位长度接触力张量,Pa; T 为应力张量,Pa; T1黏弹性项,Pa; n 为分子链的运动模式数; ηk各运动模式的特征常数黏度,Pa·s; λk松弛时间,s; C-1t
为Cauchy-Green 应变张量; I 为单位张量; Cp比热容,取值1796 J /( kg·K) ;Tw为温度,K; r 为外界单位作用单位体积产生的热量,W/m3 ; k为热导率,取值为0. 461 W/( m·K) ; h0为对流传热系数,W/( m·K) ; Tair为环境温度,取值为298 K; hn等效对流传热系数,取值为1173 W/( m·K) ; ti为节点壁厚,m; TM为目标值,此处模型设定目标值为0. 003 m; m 为节点个数; t-为节点平均壁厚值[12],m。
         其中,目标函数是实际值与期望值之差的平方和的平均数,从目标函数的分解式中可以看出,目标函数不仅可以判断制品平均厚度与目标值的差异,也可以确定制品厚度分布的离散程度[13]。
1. 3 材料特性
         模拟型坯所选用的材料为齐鲁石油化工股份有限公司生产的HDPE,牌号为DGDA 6098。图5 给出了在180、200、220 ℃温度下HDPE 熔体的黏度以及200 ℃下储能模量( G') 和损耗模量( G″) 随着频率的变化曲线。应用Ploymat 拟合图5 流变数据可得HDPE 的松弛时间谱,如表1 所示。


2 数值计算方法
         以刘沙粒等[7]介绍的型坯壁厚非均匀优化方法获得的最佳型坯壁厚分布,作为文章型坯温度优化的基础壁厚分布[7 - 9],如图6 所示。
         应用Polyflow 软件数值求解公式( 1) ~ ( 7) 。模型类型为shell 模型,采用渐进求解的方式,压力、速度以及壁厚采用常数差值求解,计算收敛精度为10 - 3。型坯温度优化计算过程包括
以下环节: 1) 建立油桶的数值模型并划分网格; 2) 调用PolyflowPostprocessor 模块中的Temperature programming; 3) 设置材料及过程工艺参数; 4) 完成计算过程; 5) 处理吹胀后目标函数值及制件壁厚分布; 6) 以上一次型坯温度为基础进行下一次优化。通过上述计算过程多次进行初始型坯温度优化,直至目标函数低于3. 75 × 10 - 6 m2。

                                                          
3 结果与讨论
         经过5 次初始型坯温度优化之后,记录每一次所得优化型坯温度分布情况,如图7 所示。随着优化次数的增加,型坯温度在不断细化,且在型坯吹胀过程中先与模具接触的区域,型坯温度较高; 而后接触的转角、顶部下凹以及瓶口附近区域,型坯温度较低。这是由于先与模具接触的熔体冷却速度较快,为加快熔体变形的速度,需要有较高的初始型坯温度,而转角等区域,接触模具较晚,变形时间长,为减小变形量,接近壁厚目标值,就需要较低的初始型坯温度。

                                           
         图8 给出了目标函数以及壁厚大于0. 005 m 节点百分比在优化过程中的变化情况。从图8 中可以看出,相对于未经过温度优化的型坯,目标函数在随着优化次数的进行逐渐减小,这表明制品的壁厚在逐渐趋于均匀,离散程度在降低; 且大于0. 005的节点百分比也在最后一次优化收敛之后减小至11. 2%,这表明远远超过目标值的区域在缩小。
         为了更加详细地观察制品壁厚的分布情况,选取了经初始型坯温度优化之后沿中轴线以及转角折线剖开的制件壁厚分布情况,如图9 所示。从图9 中可以看出,在未经温度优化前,壁厚存在远大于目标值的情况。而随着初始型坯温度优化次数的增加,沿A-A 线及B-B 线的壁厚分布离散程度逐渐减小,且逐渐靠近目标值。可见初始型坯温度优化对油桶等非旋转类吹塑成型制品具有重要影响。

     
4 结论
         在压力不变的条件下,非等温模拟了挤出吹胀成型过程,并且以非均匀初始型坯为基础逐步优化了初始型坯的温度分布,获得了目标函数达到3. 6 × 10 - 6 m2 的初始型坯温度分布情况。数值优化结果表明,型坯温度最小值出现在制品拐角处,温度的最大值出现在先与模具相接触的中轴线附近。

 
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