熔喷模头的多目标优化设计方法研究

江阴职业技术学院 程寿国 刘金南

随着人们对自我防护越来越重视，口罩的需求量仍在持续增加。熔喷法制造的口罩占据了绝大部分的市场份额。熔喷模头的设计生产方法不断改进提高。本文介绍了熔喷模头优化设计的研究现状，讨论了熔喷模头优化设计中的关键难点，提出了一种加权多目标优化设计方法，为熔喷设备的设计生产提供参考。

人们对疫情防控的意识有所提高，口罩作为最常用的防护用品，需求量一直非常大。做口罩的设备和技术在不断发展提高，对经济性、设备生产周期和口罩的生产效率等要求也在不断提高。优化设计方法正是为解决多种方案选择最优之一的最好工具。刘博文等将数值模拟和多目标遗传算法相结合进行了熔喷狭槽流场优化设计。他们以狭缝宽度和歧管角度为优化的目标变量，目标函数为模头中心面出口处沿宽度方向上速度分布的值。应用两种进化策略分别优化了简单线性渐细歧管和基于一维解析设计线性渐细歧管的衣架型模头，该项工作完成后速度分布均匀性具有很大幅度的提高。

1 多目标优化方法在流场等相关问题上的应用

随着计算机算法的不断改进和硬件平台计算能力的不断提高，多目标优化在涉及流场等领域的应用已经非常广泛。陈力等以相对实验装置导流锥半径的增加量和第5块环形隔板高度为设计变量，以弹底加速度峰值、加速度曲线平稳性、筒底压力峰值和弹底热环境为优化目标，推导了加速度曲线平稳性数学模型，进行了导弹燃气弹射内弹道的多目标优化设计研究。刘传振等以空间曲线的控制点为设计变量，以升阻比和和乘波体的容积与投影面积比率为目标函数，对乘波体的外形进行多目标的优化设计研究。司乔瑞等利用正交试验和矩阵研究了叶片数、叶轮直径、叶片出口角、叶片出口宽度等四个参数和扬程、效率、指标轴功率和噪声声压级等四个目标的优化问题。以上三个课题的研究都是基于数值模拟与多目标优化问题的研究，在熔喷模头多目标优化设计研究中可以借鉴其方法。

2 熔喷系统实验方案

在SolidWorks软件中对熔喷模头参数化几何建模，导入ANSYS软件中结构分析和热分析，结果导入到FLUENT软件中做流体动力学仿真。除传统的熔喷模头主要几何参数作为优化变量以外，其中的压缩气源的压力、加热温度和冷却温度、位置等都引入到优化系统作为优化变量或者约束条件。系统中的高速摄像机、热线风速仪等仪器作为监测设备使用，具体方案见图1所示。

图1 熔喷工艺实验方案

3 熔喷模头多目标优化设计方法

熔喷系统的出丝质量与熔喷模头的主要几何参数、螺杆挤压机的推进速度与加热温度区间、空气压缩机的压力调节、计量泵设定转速和加热器的温度、气流速度等都有密切联系。在保证出丝质量前提下，降低熔喷模头生产成本和设备调试周期也非常重要。所以，本文设计了一种考虑熔喷模头制造成本、生产周期和出丝质量的多目标优化方法。这种方法的技术流程如图2所示。

图2 熔喷模头优化设计技术流程

本优化设计方法与传统的优化设计方法不同的是建立了熔喷模头生产成本函数、熔喷设备可靠性评价函数、熔喷流场评价函数、出丝质量和产量效率评价函数等多个目标函数，可以根据生产实际合理分配各函数权重因子，并建立统一的优化函数。合理的优化目标函数的建立需要大量的流体动力学仿真和熔喷设备的实验数据，其中，熔喷模头加工及装配、试验、温度和压力控制系统的设计等内容已在相关文献中介绍。

结语：本文结合熔喷模头设计优化研究现状和基于流场的数值模拟和多目标优化研究案例提出了一种加权多目标熔喷模头优化设计方法。随着计算机硬件和优化算法的不断发展，无论是设计变量，还是优化目标函数，将向着多学科交叉发展，优化设计的效果会更加凸现，熔喷模头设计优化研究也将不断更加复杂、更加趋于实用。