塑料挤出流动数值分析及其模具结构的设计优化分析

邓力军 广东省梅州市磁性材料厂

塑料挤出流动数值分析及其模具结构的设计优化分析

邓力军 广东省梅州市磁性材料厂

塑料挤出流动；数值分析；模具结构设计；优化

前言

与其他塑料成型模具设计相比，挤出模设计的难度更高。挤出模设计质量会对模具寿命及模具成本等方面产生较大影响，因此，设计人员应该注重优化挤出模设计。在传统的设计过程中，人们通常采用Trial and Error法进行设计，这种设计方法需要的成本较高。应用数值分析法通过挤出模结构参数的获得对挤出模设计优化具有一定的现实意义。

1.挤出模理论

Wilczynski针对单螺杆挤出成型过程提出一个计算机模型，并将该模型命名为SSEM。该模型能够将挤出成型的整个过程全部模拟出来，并根据已知的工艺参数对其流动特性进行合理预测。在实验过程中，实测数据与SSEM模拟结果数据之间的差异处在4%～9%范围中，该差异范围表明SSEM模型的模拟效果具有一定的可靠性［1］。

2.塑料挤出流动数值分析及其模具结构的设计优化

2.1 塑料挤出流动数值分析

NGUYEN THIEN T等人针对非线性粘弹性流体提出一种流动分析的改进边界元法。在挤出异型材确定的情况下，可以运用这种方法求解挤出模的计算问题，这种方法的应用优势在于既可以被应用在塑料挤出流动数值分析中，也可以被应用在塑料挤出的反问题中。与传统的边界元法相比，运用这种该机边界元法进行分析时，CPU的计算时间发生显著缩短，在该方法得到良好运用的情况下，实际计算时间可以缩短至原本时间的70%。何红运用有限差分法对挤出流道中橡胶弯管胶料的流场进行计算。在这种方法中，通过双圆柱坐标系将偏心圆环域中幂律流动胶料的轴向层流流动计算有效转换成难度较低的矩形域流动计算。结合这种方法对速度场进行计算，可以将弯管窄隙位置和宽隙位置之间的胶料流速比值计算出来，通过实际实验结果与运用该方法进行计算得出的计算结果进行比较可以发现，这种计算方法的计算结果具有较高的准确性［2］。

2.2 挤出模内场量分布

在挤出模中存在多种不同的场量分布，如温度场以及压力场等。这些场可以将熔体在模头内的实际流动情况真实的反映出来。在挤出螺杆设计的优化过程中，首先需要对流道内压力降的具体大小进行确定，对此，可以通过Botten等人提出的预报单螺杆挤出的压力扩展模型来实现相关功能。王晓枫等人通过对塑料异型材挤出模头典型流道结构的分析，得出了不同流道的压力降解析公式，运用这种公式计算可以有效促进计算时间的缩短，促进计算效率的提升［3］。

2.3 设计挤出模的原则

在实际设计过程中为了保证设计出的挤出模符合相关使用标准，需要按照以下几种原则进行设计：第一，保证挤出机螺杆轴线与挤出型材截面重心位置的重合。第二，为了保证流道作用的有效发挥，应该使流道具有一定的压缩比，进而对制品的密实度产生相应的保障作用。第三，模头体积的大小会对模头作用的发挥产生相应的影响、通常情况下，模头体积越小，相关作用的发挥效果越好。因此在实际设计过程中，设计人员应该在保证强度达到使用要求的情况对，采取相关措施尽量缩小模头体积。第四，为了保证挤出模的设计质量符合相关标准，设计人员应该对零件的加工工艺性加以重视。第五，就熔体而言，加速的稳定性有利于模头成型质量的提升。因此，设计人员需要注重熔体在整个过程加速的稳定性，并尽量减少或避免减速现象的发生［4］。

2.4 模具结构设计的优化

在对模具结构设计进行优化的过程中，主要涉及设计变量、目标函数等概念。其中，设计变量是指从所有的参数化模型中选出全部参数集或部分参数集。可以将设计变量看成是自变量中的一种。在实际的优化过程中，需要通过对设计变量数值的相应变化，得出最终的优化结果。目标函数则是指人们对性能或指标期望达到的最高值。在实际应用过程中，设计变量实际数值的变化，会引发目标函数数值的变化。首先需要对挤出模具流道结构进行合理的功能划分，通过这种划分建立流道的三维参数化模型。将最优化设计理论引入基于三维有限元数值分析中，在这个过程中，设计变量应该是模具不同功能段各个主要的结构参数，并将约束变量定为流道压力降的最大值。在将优化目标函数定为模头出口处型材截面不同子区域流速平均值的均方差之后，根据设计变量等相关参数完成优化数据模型的建立。该模型的建立是优化模具结构设计的基础。在实际应用过程中，设计人员需要根据具体的工程要求，对研究对象的几何区域进行相应的变动。在选择优化工具的过程中，设计人员应该以实际的研究目的为主要参考。为了保证整个优化过程的顺利进行，需要运用同一种数据库技术对该过程的各个阶段进行处理。当得出优化分析结果之后，该结果可以被直接映射到参数流道模型中。随着设计参数的不断变化，优化目标函数也会发生相应的变化，进而促进挤出模CAE/ CAD双向集成的实现［5］。

3.结论

对于模具生产企业而言，挤出模设计质量的提升能够降低模具生产成本，使得模具生产企业获得更多的经济利润，进而促进企业市场竞争力的提升。由于传统的挤出模设计方法需要花费的成本较高，因此可以通过塑料挤出流动数值分析，结合流道三维参数化模型的建立，对模具结构设计进行合理优化。

［1］ 刘斌.塑料挤出流动数值分析及其模具结构设计优化研究［D］.大连理工大学，2003.

［2］ 秦升学.异型材聚合物挤出与钢塑共挤过程的有限元模拟关键技术及其机理研究［D］.山东大学，2006.

［3］ 赵丹阳.塑料异型材挤出成型过程数值模拟及其模具设计优化［D］.大连理工大学，2007.

［4］ 刘斌，江开勇，上官宁.塑料挤出流动数值分析及其模具结构的设计优化［J］.华侨大学学报（自然科学版），2008，04：481-489.

［5］ 孙雪梅.复杂铝合金型材挤压过程数值建模与模具优化设计方法研究［D］.山东大学，2014.

在塑料挤出成型过程中，挤出模设计质量直接对模具成本、模具生产效率等多个方面产生影响。为了保证成型过程的顺利进行，对模具结构设计进行优化具有一定的必要性。本文从挤出模设计理论入手，对塑料挤出流动数值分析及其模具结构的设计优化进行研究和分析。