搜索擠出過程溫度場的CAE分析
2013-06-19 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
塑料擠出機是塑料加工機械的主要組成部分,擠出成型裝備向著高速、高產化、高效、多功能化,大型化和精密化,模塊化和專業化,智能化和網絡化等方向發展.為此因加強CAD/CAE/CAM 技術在塑料工業中的應用研究. 在塑料成型過程中,溫度是重要參數,過高物料易變質甚至燒焦,而太低物料熔融不足將會出現夾生現象. 這不但影響產品質量,而且增大能耗,從而增加生產成本,降低企業效益,所以有必要對擠出過程進行熱分析.
1 有限元模型的建立
1.1 幾何模型
根據實際生產的尺寸,用UG建立起螺桿3維模型,并借助UG中的布爾減運算從機筒中減去螺桿所得的3 維實體即為流道的真實模型.該流道的長度為1250 mm,厚度最大為22 mm,最薄的地方是0.5 mm,該流道幾何參數及其內部結構見圖1和圖2。
1.2 網格劃分
采用Tetmesh自動網格生成器,用10 節點的四面體單元直接對上述流道幾何模型進行劃分,對Tetmesh 的屬性進行人為的設定,采取模型內部網格粗劃技術,取Global Edge Length(全局變量)為0.1 mm. 最終生成114 997 個節點和64 924 個單元.網格模型如圖3.
1.3 工程假設和邊界條件
在擠出過程中,物料受到來自螺桿剪切摩擦產生的熱、物料內部相互摩擦產生的熱以及由料筒加熱傳遞的熱量等. 在擠出過程中熱傳導熱對流和熱輻射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熱和摩擦熱. 為便于計算,進行如下假設(1)流體為冪律流體(2)流場為穩定等壓流場(3)雷諾系數較小可認為流動為層流流動(4)忽略慣性力重力等體積力(5)流體為不可壓縮流體(6)流道壁面無滑移(7)流道的外圍看成是一個高溫的筒(8)與螺桿接觸的地方摩擦生熱看成一個不斷供熱的熱源.
邊界條件
(1)與料筒和螺桿接觸的地方初始溫度設為250+50/1.25 x X單位是℃
(2)外界溫度設為100℃
(3)螺桿熱源的熱通量,由運動摩擦生成熱通量計算公式 q =μ v p
其中μ是塑料與鋼接觸表面的摩擦系數,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, 計算中取0.06, PE 的熱導率隨溫度變化,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 計算結果與分析
圖4~圖6 分別為沿擠出方向、整段流道的溫度分布云圖、流道內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,溫度沿擠出方向逐漸升高,這與實際生產中的溫度分布趨勢一致. 圖6 的位移-溫度曲線進一步證明這一點,且可由該曲線可知溫度沿軸向近似成線性分布,這與一些試驗理論相符.
圖7為溫度沿徑向的分布圖. 溫度沿徑向的總趨勢是逐漸降低,但是降幅較小,圖8為沿軸向不同的位置截取6個截面,分析不同截面的徑向溫度的分布曲線. 圖9 則為對應于6個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.
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. 從云圖和相關曲線可知,整個流道中,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是沿軸向熱流強度分布曲線,而圖14是沿徑向熱流強度分布曲線. 從圖可知,熱流強度沿擠出方向逐漸增大,而沿徑向熱流也增大. 這是因為沿軸向外界溫度逐漸增大,所以熱流強度也增大.
3 結論
本文對擠出過程溫度場逐步分析與探討,結合現代測量技術和現實生產工藝,通過溫度梯度分布圖可以計算出實際生產中的溫度分布狀況. 但所建立的有限元模型和提出系列點加熱源理論還需要進一步研究和驗證.
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