擠出過(guò)程溫度場(chǎng)的CAE分析

2013-06-19 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

塑料擠出機(jī)是塑料加工機(jī)械的主要組成部分,擠出成型裝備向著高速、高產(chǎn)化、高效、多功能化,大型化和精密化,模塊化和專業(yè)化,智能化和網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展.為此因加強(qiáng)CAD/CAE/CAM 技術(shù)在塑料工業(yè)中的應(yīng)用研究. 在塑料成型過(guò)程中,溫度是重要參數(shù),過(guò)高物料易變質(zhì)甚至燒焦,而太低物料熔融不足將會(huì)出現(xiàn)夾生現(xiàn)象. 這不但影響產(chǎn)品質(zhì)量,而且增大能耗,從而增加生產(chǎn)成本,降低企業(yè)效益,所以有必要對(duì)擠出過(guò)程進(jìn)行熱分析.

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的尺寸,用UG建立起螺桿3維模型,并借助UG中的布爾減運(yùn)算從機(jī)筒中減去螺桿所得的3 維實(shí)體即為流道的真實(shí)模型.該流道的長(zhǎng)度為1250 mm,厚度最大為22 mm,最薄的地方是0.5 mm,該流道幾何參數(shù)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1和圖2。

擠出過(guò)程溫度場(chǎng)的CAE分析+培訓(xùn)教程圖片1

擠出過(guò)程溫度場(chǎng)的CAE分析+培訓(xùn)教程圖片2

1.2 網(wǎng)格劃分

采用Tetmesh自動(dòng)網(wǎng)格生成器,用10 節(jié)點(diǎn)的四面體單元直接對(duì)上述流道幾何模型進(jìn)行劃分,對(duì)Tetmesh 的屬性進(jìn)行人為的設(shè)定,采取模型內(nèi)部網(wǎng)格粗劃技術(shù),取Global Edge Length(全局變量)為0.1 mm. 最終生成114 997 個(gè)節(jié)點(diǎn)和64 924 個(gè)單元.網(wǎng)格模型如圖3.

擠出過(guò)程溫度場(chǎng)的CAE分析+培訓(xùn)教程圖片3

1.3 工程假設(shè)和邊界條件

在擠出過(guò)程中,物料受到來(lái)自螺桿剪切摩擦產(chǎn)生的熱、物料內(nèi)部相互摩擦產(chǎn)生的熱以及由料筒加熱傳遞的熱量等. 在擠出過(guò)程中熱傳導(dǎo)熱對(duì)流和熱輻射3種傳熱形式. 但是由于物料幾乎全部被料筒包圍,因此在分析中僅考慮傳導(dǎo)熱和摩擦熱. 為便于計(jì)算,進(jìn)行如下假設(shè)(1)流體為冪律流體(2)流場(chǎng)為穩(wěn)定等壓流場(chǎng)(3)雷諾系數(shù)較小可認(rèn)為流動(dòng)為層流流動(dòng)(4)忽略慣性力重力等體積力(5)流體為不可壓縮流體(6)流道壁面無(wú)滑移(7)流道的外圍看成是一個(gè)高溫的筒(8)與螺桿接觸的地方摩擦生熱看成一個(gè)不斷供熱的熱源.

邊界條件

(1)與料筒和螺桿接觸的地方初始溫度設(shè)為250+50/1.25 x X單位是℃

(2)外界溫度設(shè)為100℃

(3)螺桿熱源的熱通量,由運(yùn)動(dòng)摩擦生成熱通量計(jì)算公式 q =μ v p

其中μ是塑料與鋼接觸表面的摩擦系數(shù),v為摩擦速度, p為兩者接觸面的摩擦力. 本文模擬分析中采用的材料為PE(聚乙烯),它與鋼接觸面摩擦因子為0.02~0.1, 計(jì)算中取0.06, PE 的熱導(dǎo)率隨溫度變化,取其平均值為0.25 W/M K 比熱容為2.25 kJ/kg*℃, 密度950 kg/m3.

2 計(jì)算結(jié)果與分析

圖4~圖6 分別為沿?cái)D出方向、整段流道的溫度分布云圖、流道內(nèi)部的溫度分布云圖以及沿軸向方向的溫度與位移曲線. 從溫度云圖可知,溫度沿?cái)D出方向逐漸升高,這與實(shí)際生產(chǎn)中的溫度分布趨勢(shì)一致. 圖6 的位移-溫度曲線進(jìn)一步證明這一點(diǎn),且可由該曲線可知溫度沿軸向近似成線性分布,這與一些試驗(yàn)理論相符.

擠出過(guò)程溫度場(chǎng)的CAE分析+培訓(xùn)案例相關(guān)圖片圖片4

擠出過(guò)程溫度場(chǎng)的CAE分析+培訓(xùn)案例相關(guān)圖片圖片5

擠出過(guò)程溫度場(chǎng)的CAE分析+培訓(xùn)案例相關(guān)圖片圖片6

圖7為溫度沿徑向的分布圖. 溫度沿徑向的總趨勢(shì)是逐漸降低,但是降幅較小,圖8為沿軸向不同的位置截取6個(gè)截面,分析不同截面的徑向溫度的分布曲線. 圖9 則為對(duì)應(yīng)于6個(gè)不同位置的徑向溫度分布曲線. 由圖可以看出:溫度隨徑向的變化不大,靠近螺桿的部分溫度稍高一些,靠近料筒處溫度稍低.

擠出過(guò)程溫度場(chǎng)的CAE分析+培訓(xùn)案例相關(guān)圖片圖片7

擠出過(guò)程溫度場(chǎng)的CAE分析+培訓(xùn)案例相關(guān)圖片圖片8

擠出過(guò)程溫度場(chǎng)的CAE分析+培訓(xùn)案例相關(guān)圖片圖片9

圖10到圖11是溫度梯度分布圖. 圖10為整段模型的溫度梯度分布云圖,圖11為軸向溫度梯度分布曲線,圖12為徑向溫度梯度分布曲線. 從云圖和相關(guān)曲線可知,整個(gè)流道中,熔體較薄處,溫度梯度較大,螺棱處熔體的溫度梯度明顯比螺槽處熔體溫度梯度大,并且沿軸向方向溫度梯度也增大.圖13是沿軸向熱流強(qiáng)度分布曲線,而圖14是沿徑向熱流強(qiáng)度分布曲線. 從圖可知,熱流強(qiáng)度沿?cái)D出方向逐漸增大,而沿徑向熱流也增大. 這是因?yàn)檠剌S向外界溫度逐漸增大,所以熱流強(qiáng)度也增大.

擠出過(guò)程溫度場(chǎng)的CAE分析+培訓(xùn)案例相關(guān)圖片圖片10

擠出過(guò)程溫度場(chǎng)的CAE分析+培訓(xùn)資料圖片11

擠出過(guò)程溫度場(chǎng)的CAE分析+培訓(xùn)資料圖片12

擠出過(guò)程溫度場(chǎng)的CAE分析+培訓(xùn)資料圖片13

擠出過(guò)程溫度場(chǎng)的CAE分析+培訓(xùn)資料圖片14

3 結(jié)論

本文對(duì)擠出過(guò)程溫度場(chǎng)逐步分析與探討,結(jié)合現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)工藝,通過(guò)溫度梯度分布圖可以計(jì)算出實(shí)際生產(chǎn)中的溫度分布狀況. 但所建立的有限元模型和提出系列點(diǎn)加熱源理論還需要進(jìn)一步研究和驗(yàn)證.

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才