定型模内塑料异型材冷却过程数值模拟及优化设计研究

摘要

塑料异型材是20世纪50年代开发的一种新型塑料产品，是通过挤出成型方法制得的非规则截面的塑料制品，其应用范围广泛，尤以塑料门窗最为典型。挤出成型是塑料加工的主要方法之一，而挤出模具又是成型塑料异型材的主要设备。这其中的定型模在挤出成型生产过程中起着十分重要的作用，它直接关系到塑料异型材的尺寸精度、冷却速度和表面质量。因此，合理设计定型模冷却系统是定型模设计的重要环节。 迄今为止，定型模冷却系统的设计大都是凭经验进行的，然而通过实验的方法来测试不同冷却系统对型材冷却速度的影响是相当困难的。本文应用传热学基本原理，对型材在定型模内冷却时的传热过程进行分析，并采用适当的假设和简化，建立传热过程的数学模型，对型材冷却数值模拟的初始条件和边界条件进行了更接近生产实际的计算，然后利用ANSYS软件完成了定型模内塑料异型材冷却过程的数值模拟，获得型材冷却时的瞬态温度场分布。在此基础上，利用ANSYS的APDL参数化设计语言编写了定型模冷却系统优化设计程序，完成了定型模冷却系统的优化设计，并且在生产实践中验证了优化设计的正确性。此外，本文还对共挤出复合塑料异型材的冷却过程进行了数值模拟以及对型材冷却时的热应力进行了耦合分析，由热应力的分析结果可以直接指导定型模型腔的设计。 本文利用数值模拟方法研究塑料异型材在定型模内的冷却过程，其结果可以指导定型模冷却水道的设计及模具型腔的设计，这将大大地提高定型模的设计效率和质量。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1课题背景与提出

1.1.1课题背景

1.1.2课题提出

1.2国内外研究概况

1.2.1国外研究概况

1.2.2国内研究概况

1.2.3尚存的问题

1.3本文的研究内容

2塑料异型材在定型模内的传热分析

2.1传热学理论

2.1.1导热的基本方程

2.1.2对流换热

2.1.3热辐射

2.2型材在定型模内的传热分析

2.2.1传热方式分析

2.2.2传热模型

2.3初始条件和边界条件的确定

2.3.1确定初始条件

2.3.2确定边界条件

2.4本章小结

3定型模内塑料异型材冷却过程的数值模拟

3.1瞬态温度场的有限元法

3.2 ANSYS热分析

3.2.1 ANSYS热分析理论基础

3.2.2 ANSYS热分析应用

3.3型材冷却过程的数值模拟

3.3.1建模方法与网格划分

3.3.2加载与求解

3.3.3模拟结果与分析

3.4本章小结

4定型模冷却系统优化设计

4.1优化设计基本概念与方法

4.1.1基本概念

4.1.2优化方法

4.1.3优化工具

4.1.4优化过程

4.2定型模冷却系统优化设计过程

4.2.1参数化建模

4.2.2设计变量的确定

4.2.3状态变量的选取

4.2.4优化目标函数的建立

4.2.5优化设计过程

4.2.6分析结果讨论

4.3异型冷却水道设计和数值模拟

4.3.1异型水道设计

4.3.2数值模拟结果

4.3.3结果分析

4.4实验验证

4.5本章小结

5共挤出复合塑料异型材冷却过程的数值模拟

5.1共挤出复合成型技术

5.2复合型材冷却过程的数值模拟

5.2.1传热方式分析

5.2.2数值模拟及结果

5.2.3模拟结果分析

5.3本章小结

6定型模内塑料异型材冷却热应力分析

6.1耦合场分析理论

6.1.1顺序耦合

6.1.2直接耦合

6.1.3顺序耦合和直接耦合的应用范围

6.2塑料异型材冷却的热应力分析

6.2.1热应力分析过程

6.2.2热应力分析结果

6.3定型模型腔的反变形设计

6.4本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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