中空制品冷却过程的模拟分析

作者：天津科技大学 陆永胜 张先明 贾毅    来源：PT现代塑料

欢迎访问e展厅 展厅 5 吹塑机/中空成型机展厅 吹塑机, 吹瓶机, 中空成型机, ... 摘要：通过对中空制品的冷却过程进行分析，建立了冷却过程中的物理模型和传热方程，并以高密度聚乙烯为例，采用ANSYS有限元分析软件进行了模拟分析，得到冷却曲线，对中空制品的冷却过程提出了相应的观点。 前言 中空吹塑成型是重要的塑料加工方法，其成型过程可分为：型坯挤出、锁模和吹胀型坯、冷却和固化三个阶段，而冷却固化阶段是整个过程中最关键的一环。挤出吹塑制品的冷却时间占整个成型周期的60%以上，厚壁制品达90%。因此，提高吹塑制品的冷却效率，可缩短成型周期，降低能耗，提高生产率。冷却是影响吹塑制品性能的主要因素，冷却不均匀会使制品各部位的收缩率不同。引起制品翘曲、瓶颈歪斜等现象，还可能使吹塑制品过早发生机械破坏。另外，冷却与收缩率还影响着制品内的残余热应力等。挤出吹塑制品的冷却一般包括外冷却(制品外表面与模腔间的导热)、内冷却(制品内表面与冷却空气或其他介质间的对流传热)及开模后冷却〔制品的内、外表面与车间空气或其他介质间的自然对流传热)自Edwards等人首次用一维非稳态传热模型研究了挤出吹塑制品切片的冷却过程，并且通过“半瓶″实验论证其理论预测L31以后，对于挤出吹塑制品的冷却阶段，国内外学者从70年代后期至今都在力图用不同的方法来研究这一复杂过程。 众所周知，中空吹塑冷却主要依赖于模具冷却，内部一般仅仅是空冷，故脱模后内外温差很大，这不可避免地造成制品性能上的各向异性。对于结晶性塑料，内外结晶度差别很大，再加上脱模后制件本身的热的再分布，便可能产生翘曲变形。为解决这个问题，人们多数着眼于降低制品内表面的温度，主要方法有: (I)设置循环冷却空气： (2)吹胀后，注入液态CO ： (3)注入高压潮湿空气 ： (4)利用低温空气等。 但这些方法在实际应用中似乎都不太理想。有人便着手尽可能地降低模具温度，但考虑到模具的“发汗”现象，温降有限。本文通过建立非稳态传热的数学模型，使用ANSYS有限元分析软件对中空吹塑冷却过程进行分析，以期对吹塑工艺的优化有所帮助。 ANSYS是由美国ANSYS公司在20世纪70年代开发的大型有限元分析程序，它集结构、热、流体、电磁、声学分析于一体。ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，导出其它热物理参数，并可在同一模型上进行各式各样的耦合计算。ANSYS热分析为稳态传热分析和瞬态热分析两大类。 建立模型 如前所述:吹塑模的冷却一是内层冷却，二是模具外层冷却。对于内层主要靠停留在其内的空气对流，而外层模具冷却的形式多样，主要有:循环水管方式、铸造水路方式、喷淋冷却方式等。无论何种方式，最重要的是保证冷却的均匀性和一致性。 模拟计算 我们制品进行分析，其几何尺寸如下:瓶高135mm，外径40mm，壁厚3mmo使用ANSYSS.7进行造型。由于对称性，我们只对其一半进行分析。 分析的树脂采用高密度聚乙烯(HDPE)，冷却的起始温度为l80度，其密度、热焓、导热系数、比热等热物理性质随温度而变化，物性数据见参考文献。冷却水和冷却空气的起始温度为20度。 我们在使用ANSYS进行分析的过程中选用有8个节点，一个自由度的SOLID70热单元进行瞬态热分析，在设定好材料物性参数、边界条件、初始条件后，对几何模型进行网格划分。我们采用智能单元尺寸与缺省单元尺寸相结合的方法对几何模型进行自由网格划分，并确认所划分的网格中没有错误的或坏的。网格划分后制品的节点数是1834个，单元数是5211个。然后施加载荷求解，并进行后处理。 计算结果与讨论 我们对结算结果进行后处理，分别得到制品壁厚方向不同位置的瞬态温度分布和不同时刻沿制品壁厚方向的温度分布。 制品的外壁的温度在冷却过程的前6秒内下降较快，下降到与冷却水的温度接近，并且在以后的冷却过程中，其温度变化较小。由图4还可以看出，随着冷却过程的进行，制品内壁的温度缓慢下降，但由于我们假设冷却空气冷却过程中停留于瓶中，所以其瞬态温度分布曲线不平滑，如果我们假设冷却空气为流动状态，那么制品内壁的温度分布曲线就会较为平滑，但这样会增加分析的难度，对于本文所分析的小制品来说，没有必要。从图中还可以看出，越靠近制品外壁，其温度的下降就越快，并且在冷却过程的前20秒，其温度下降的速度较快。 结论 (1)本文对中空制品的冷却过程进行了分析，建立了冷却过程的物理模型，根据文中的假设条件，给出了冷却过程的瞬态传热方程，结合边界条件和初始条件，使用ANSYS有限元分析软件对传热方程求解，分别得到制品壁厚方向不同位置的瞬态温度分布和不同时刻沿制品壁厚方向的温度分布。由分析过程和对图4、图5分析可知，冷却时间可控制在20～30秒内，30秒后，降温有限，所以不能通过延长时间来进一步降。 (2)我们第一次采用ANciYS有限元分析软件对中空冷却过程进行分析，由于经验不足.所以，在过程分析、提出假设、建立模型、选择热分析单元以及分析求解过程中，存在缺陷就不可避免。我们下一步的工作就是改进我们的分析模型，力争使我们的模拟分析能更好的反映实际生产过程。 (3)由于冷却过程中冷却不均匀，造成热应力集中，所以我们将在改进分析模型的基础上，进行热—力耦合分析，以期能有助于优化模具结构设计和改进冷却过程操作，使冷却均匀进行。 参考文献： ［1］黄汉雄.塑料吹塑技术[M].北京:化学工业出版社,1996,182 ［2］Edwards M F, Suvanaphen P K, and Wilkinson. Polym. Eng. Sci.,1979,19:910 ［3］Edwards M F, Georghiades S, and Suvanaphen P K. Plast and Rub Proc and Appl, 1981, (1): 161 ［4］Gargl SK, Birley A W. Plast andRubProc andAppl, 1982,(2):105 ［5］Kamal M R, and Kalyon. Polym. Eng. Sci., 1983, (23):503 ［6］Edwards M F, Ellis D I, and Georghiades S. Plast and Rub Proc and Appl, 1985, (5): 143 ［7］Mengwes G W, Kalwa M and Schmidt J. Kunststoffe German Plastics, 1989,79: 36 ［8］Birley A W, Barnes Yeh P C, Edwards M F, and Smith A. Plast and Bub Proc and Appl, 1986,13: 337 ［9］Eccles C R H, Ellis D I, and Heggs P J. Plast and Rub Proc and Appl, 1990,14:219 ［10］Heggs P J, Houghton J M, and Ingham D B. Plast and Rub Proc and Appl, 1995,23: 203 ［11］Bradean R, Ingham D B, and Heggs J. Plast and Rub Proc and Appl, 1998,27: 65 ［12］Laroche D, Kabanemi K K, Pecora L, Diraddo R W. Polym.Eng. Sci. , 1999,39: 1223 ［13］胡广洪.中空吹塑成型冷却过程分析,塑料科技,1998,4:12 ［14］黄汉雄.塑料挤出吹塑的机理问题[J].高分子通报,2002,(4):12 ［15］嘉木工作室.ANSYS5.7有限元实例分析教程[M].北京:机械工业出版社,2002:2 ［16］戴干策.聚合物加工中的传递现象[M].北京:中国石化出版社,1999,39 ［17］Ю.C.利帕托夫.聚合物物理化学手册[M],第二卷.北京:中国石化出版社,1995,269 ［18］刘佩茹.化工过程与设备[M].北京:中国轻工业出版社,1994,124,371 ［19］劳温代尔 C.塑料挤出[M].北京:中国轻工业出版社,1996(end)

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