衣架式机头流道几何尺寸对流场内速度影响分析

2015-03-27 12:11北京工商大学材料与机械工程学院项辉宇李婷婷

电子世界 2015年19期

北京工商大学材料与机械工程学院李鹤项辉宇薛真李婷婷

1 前言

挤出成型是塑料成型加工技术中的重要成型方法之一。衣架式机头作为挤出加工时最常用的机头有着可以加工宽幅板、片材并且挤出均匀性最好的特点，被广泛应用。衣架式机头设计的关键为机头的流道设计。为了得到尺寸均匀的制品，从机头流道从入口到出口，必须十分光滑，物料在机头内的停留时间和机头出口处的流速必须均匀一致。

POLYFLOW是基于有限元法的计算流体力学（CFD）软件，其强大的分析流体力学的能力被广泛利用和认可，专门用于粘弹性材料的流动过程模拟，具有解决非牛顿、非线性问题的强大能力。本文应用SOLIDWORKS建立多个单一变量的机头流道模型，通过POLYFLOW对衣架式机头内部流场进行模拟分析，得到流道内速流场分布情况，进一步分析机头流道几何尺寸关键数据对于流道内速度场的影响。

2 POLYFLOW挤出过程模拟分析

2.1 几何模型建立

根据文献[2]中各几何参数创建衣架式机头流道的几何模型，如图1所示。

其中几何参数为：入口处半径0.023m，入口段长度0.1m，扇形区夹角170°，扇形区高度0.004m，阻尼区长度0.02m，阻尼区高度0.0025m，模唇区高度0.0035m，模唇区长度0.05m，模唇区宽度1.36m,阻尼区夹角45°。

A组模型：只改变扇形区夹角，其余几何参数不变。A1,A2，A3，A4，扇形区夹角分别为169，170，172，174°。

B组模型：只改变阻尼区高度，其余参数不变。B1，B2，B3，B4，阻尼区高度分别0.0015m，0.002m，0.0025m，0.003m。

C组模型：只改变模唇区高度，其余参数不变。C1，C2，C3，C4，模唇区高度分别为0.0035m，0.003m，0.005m，0.006m。

图1 衣架式机头流道

图2 截面示意图

为便于分析物料在模型中速度场变化，沿挤出方向截取上调节部分截面Ⅰ，阻尼区截面Ⅱ，下调节部分截面Ⅲ，出口处截面Ⅳ如图2所示。通过POLYFLOW模拟熔体挤出过程，得到熔体在机头内各截面的速度分布情况，从而分析衣架式机头流道的几何尺寸对流场速度的影响。

2.2 边界条件设置

1）入口处设置为Inf l ow，体积流量为；

2）出口处设置为Out f l ow；

2.3 材料选择及参数

本文选择聚合物熔体的材料参数具体如下所述。

2.4 模拟结果分析

2.4.1 扇形区夹角对流场内速度的影响

A组模型只改变了扇形区夹角，用来分析扇形区夹角对流场内速度的影响，图3-图6分别为A1，A2，A3，A4四种模型在截面Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ上的速度变化情况。

图3 A组模型在Ⅰ截面中性线上速度分布

图4 A组模型在Ⅱ截面中性线上速度分布

图5 A组模型在Ⅲ截面中性线上速度分布

图6 A组模型在Ⅳ截面中性线上速度分布

流道模型扇形区的夹角从小到大依次是A 1，A 2，A3，A4。以上数据可以得出，扇形区夹角逐渐增大，截面中间层节点的速度分布由两端高中间低趋向均匀，然而当夹角增大到一定程度继续增大时，速度又逐渐变成中间高两端低，并且不均匀情况逐渐明显。因此，可以得出扇形区的夹角过大或过小均不理想，适当调节扇形区张角有助于提高速度均匀性进而提高挤出产品质量。

2.4.2 阻尼区高度对流场的影响

B组模型只改变了阻尼区高度，用来分析阻尼区高度对流场内速度的影响，图7-图10分别为B1，B2，B3，B4四种模型在截面Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ上的速度变化情况。