塑料擠出吹塑冷卻階段溫度場的有限元分析

2017-03-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

擠出吹塑過程可分為三個主要的步驟:型坯成型;夾持及吹脹型坯;冷卻制品。對于厚度尺寸中等的制品,所需的冷卻時間約占整個成型周期的60%,對于厚壁制品更是高達90%。冷卻時間太長將降低生產(chǎn)效率;冷卻時間太短,制品出模后與空氣對流冷卻的過程相對緩慢,導致制品各部分的收縮率有較大差異,最終制品的翹曲過大。不同的冷卻速率會影響制品內部微觀形態(tài)的演化以及最終殘余應力的分布,從而影響制品的使用性能。對擠出吹塑冷卻過程溫度場進行數(shù)值模擬,可以分析制品不同部位溫度隨時間的變化以及制品壁厚分布,這對于合理設計冷卻工藝,縮短開模時間,提高制品的合格率有著重要的意義。

本文采用有限元法對聚丙烯(PP)擠出吹塑冷卻過程的溫度場進行數(shù)值模擬,在有限元模型的基礎上分析不同內冷方式、制品壁厚以及初始溫度對制品溫度場的影響。

1數(shù)學模型

1.1基本方程

擠出吹塑的冷卻過程熱傳遞問題可用以下方程描述:

式中:ρ為密度;Cρ為比熱容;為溫度對時間的偏導,r為由于外界作用單位體積產(chǎn)生的熱量;k為熱導率;v為哈密頓運算子。

1.2邊界條件

擠出吹塑的冷卻方法可分為內冷卻和外冷卻。內冷卻是指使用冷卻介質(在本文中內冷卻介質為空氣)通過熱對流冷卻吹塑制品內壁,故內壁的邊界條件可用對流項表示;外冷卻是指在模具壁內開設冷卻系統(tǒng),制品的熱量通過模具傳導至冷卻通道,然后由冷卻通道內的冷卻介質(在本文中外冷卻介質為水)將熱量帶走。嚴格意義上來說,制品外壁的邊界條件為熱傳導,但是熱傳導問題涉及到接觸熱阻間題,難以建模,考慮到外壁的熱量多由冷卻水帶走,將模具材料的熱傳導率轉化為等效傳熱系數(shù)。

內外壁的邊界條件:

式中:x=0與x=L制品的內外表面;ho、hn為制品內壁與外壁的傳熱系數(shù);T0、Tn為冷卻空氣與冷卻水的溫度。

2數(shù)學模型的求解

2.1初始條件

擠出吹塑冷卻過程的微分方程在一般情況下都難以求出解析解,建立在有限元基礎上的求解方法由于對邊界條件的適應能力強,可以方便合理地描述模具形狀,已成一種主要的數(shù)值解析方法。本文采用POLYFLOW有限元分析軟件對上述數(shù)學模型進行求解。制品為100 ml軸對稱的吹塑瓶,所以只需分析1/4部分即可。為了準確地求解厚度方向的溫度場,將厚度方向的尺寸劃為12等分,沿圓周方向的尺寸劃為20等分,將1/4部分吹塑瓶劃為6060個單元。外冷卻水的溫度(Tn)為20℃,內冷卻空氣溫度(T0)為25℃。外冷卻傳熱系數(shù)為(hn)1175 Wm-2K-1。分析不同內冷方式、壁厚以及初始溫度對吹塑瓶溫度場的影響時,考慮三種內冷卻方式:自然對流、強制對流和增強式對流(即通過增強冷卻空氣的流動速率以進一步提高傳熱系數(shù)),相對應的傳熱系數(shù)(h0)為10 W m-2K-1、100 W m-2K-1、250W m-2K-1;吹塑瓶的初始溫.度(Ti)180℃、200℃、220℃;壁厚δ分別為2mm、3mm、4mm。

2.2材料參數(shù)

在熱分析過程中不考慮密度的變化,取PP的密度為840 kg/m3。PP熱導率隨溫度的變化,如圖1所示。在本文研究的范圍內熱導率的變化不是很大,變化的范圍為0.23 W/mk0.33 W/mk。但是當pp制品由粘流態(tài)轉變成高彈態(tài)時,內能發(fā)生變化,內能的變化即為固化潛熱。固化潛熱在比熱容圖上表現(xiàn)出一峰值,PP的相變發(fā)生在90℃附近。

3結果與討論

3.1軸向截面上的溫度場

吹塑瓶在吹塑模中冷卻30s后截面上的溫度場的等值線圖,轉角處的等值線局部放大圖。由于內冷卻傳熱系數(shù)低于外冷卻傳熱系數(shù),因此,吹塑瓶內壁的溫度明顯高于外壁的溫度。內壁溫度約為86℃,壁厚中部約為71℃,外壁溫度約為30℃。從吹塑瓶厚度中部到外壁,溫度梯度較大,但是由內壁至厚度中部這段距離內,溫度變化不大,溫度梯度值小。在瓶身部分沒有形成局部過熱的現(xiàn)象,等值線均為直線。在瓶頸與瓶底轉角處,等值線構成一環(huán)形等值曲線,在這些區(qū)域溫度與其附近區(qū)域的溫度相比高出4℃-8℃。

在軸向方向,瓶身部分溫度的等值線均較為平直,溫度分布比較有規(guī)律。可以通過研究瓶身上某一高度壁厚方向溫度隨時間的變化來考察溫度場的演化。選取距離瓶底40 mm處,考察其30s內溫度場隨時間變化的過程。圖5中每一條直線表明時間間隔為5s時厚度方向的溫度分布。在冷卻開始至5s,內外壁的溫度下降都比較大,外壁溫度由180℃降至54℃,內壁的溫度也下降至145℃。在5s-15s的冷卻時間內各曲線間的間距較大,表明溫度下降得比較多;從15s開始后曲線間距較小,這說明冷卻效率較低,溫度下降較少。隨著冷卻時間的增加,最高溫度對應的壁厚位置向內壁接近。

對于PP料,由圖2可以看出,其相變發(fā)生在92℃左右,可以認為當吹塑瓶溫度低于90℃時,吹塑瓶的大部分熱量已經(jīng)通過模具冷卻水和冷卻空氣帶走,在圖3的條件下進行溫度場的模擬,冷卻30s后吹塑瓶溫度低于92℃。所以在考察初始溫度、壁厚及內壁傳熱系數(shù).三個因子對吹塑瓶溫度分布的影響時,通過模擬在不同條件下距吹塑瓶底部40mm處冷卻30s后沿厚度方向的溫度分布,以評估各因子對其溫.度分布的影響。

3.2內壁傳熱系數(shù)對制品溫度分布的影響

內冷卻傳熱系數(shù)對于PP吹塑瓶溫度分布影響非常顯著。由圖6可以看出,當內冷卻傳熱系數(shù)由100Wm-2K-1增至250Wm-2K-1時,冷卻30s后內壁的溫度由84℃降至57℃。若內壁采用自然冷卻方式,對吹塑瓶的冷卻不利,當外壁冷至接近模具溫度時,內壁還處于110℃左右。冷卻水的傳熱系數(shù)雖然遠大于內冷卻空氣的傳熱系數(shù),但是PP傳導率較低,距離外壁較遠的材料的熱量很難在短時間內傳導至外壁,所以增強內壁傳熱系數(shù)可以大大提高冷卻速率。

3.3初始溫度對制品溫度分布的影響

在不同初始溫度下,吹塑瓶冷卻30s后沿壁厚方向溫度值的差別很小。吹塑瓶外壁的溫度值相差最小,瓶壁中部相差較大。這是因為雖然初始溫度從180℃增加到220℃,但是內外壁與吹塑瓶之間的溫度梯度也相應增大,加快了熱量的傳遞,造成初始溫度由180℃增至220℃時對吹塑瓶溫度分布的影響不是很明顯。

3.4壁厚對制品溫度分布的影響

壁厚的變化對吹塑瓶溫度分布的影響很大。吹塑瓶外壁由于冷卻水的對流冷卻,溫度相差較小;沿外壁至內壁,溫度差值逐漸增大。當厚度由4 mm降至3 mm時,曲線間距較小,最高溫度間的差值僅為17℃。但是當壁厚降至2 mm時,壁厚方向上的最高溫度為42℃,與壁厚3mm和4mm吹塑瓶的最高溫度差值達52℃和68℃。

4結論

在建立擠出吹塑冷卻過程的數(shù)學模型的基礎上,應用POLYFLOW軟件對PP吹塑瓶的冷卻過程進行數(shù)值求解,分析了不同內冷傳熱系數(shù)、初始溫度、壁厚對冷卻過程的影響。在本文研究的范圍內,各因子對吹塑瓶溫度分布的影響依次為:壁厚>內冷傳熱系數(shù)>初始溫度。從減小開模時間的角度考慮,在滿足制品性能要求的基礎上應盡量減小壁厚,提高內冷卻傳熱系數(shù)。

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