塑料挤出吹塑冷却阶段温度场的有限元分析

2017-03-25 by:CAE仿真在线来源:互联网

挤出吹塑过程可分为三个主要的步骤:型坯成型;夹持及吹胀型坯;冷却制品。对于厚度尺寸中等的制品,所需的冷却时间约占整个成型周期的60%,对于厚壁制品更是高达90%。冷却时间太长将降低生产效率;冷却时间太短,制品出模后与空气对流冷却的过程相对缓慢,导致制品各部分的收缩率有较大差异,最终制品的翘曲过大。不同的冷却速率会影响制品内部微观形态的演化以及最终残余应力的分布,从而影响制品的使用性能。对挤出吹塑冷却过程温度场进行数值模拟,可以分析制品不同部位温度随时间的变化以及制品壁厚分布,这对于合理设计冷却工艺,缩短开模时间,提高制品的合格率有着重要的意义。

本文采用有限元法对聚丙烯(PP)挤出吹塑冷却过程的温度场进行数值模拟,在有限元模型的基础上分析不同内冷方式、制品壁厚以及初始温度对制品温度场的影响。

1数学模型

1.1基本方程

挤出吹塑的冷却过程热传递问题可用以下方程描述:

式中:ρ为密度;Cρ为比热容;为温度对时间的偏导,r为由于外界作用单位体积产生的热量;k为热导率;v为哈密顿运算子。

1.2边界条件

挤出吹塑的冷却方法可分为内冷却和外冷却。内冷却是指使用冷却介质(在本文中内冷却介质为空气)通过热对流冷却吹塑制品内壁,故内壁的边界条件可用对流项表示;外冷却是指在模具壁内开设冷却系统,制品的热量通过模具传导至冷却通道,然后由冷却通道内的冷却介质(在本文中外冷却介质为水)将热量带走。严格意义上来说,制品外壁的边界条件为热传导,但是热传导问题涉及到接触热阻间题,难以建模,考虑到外壁的热量多由冷却水带走,将模具材料的热传导率转化为等效传热系数。

内外壁的边界条件:

式中:x=0与x=L制品的内外表面;ho、hn为制品内壁与外壁的传热系数;T0、Tn为冷却空气与冷却水的温度。

2数学模型的求解

2.1初始条件

挤出吹塑冷却过程的微分方程在一般情况下都难以求出解析解,建立在有限元基础上的求解方法由于对边界条件的适应能力强,可以方便合理地描述模具形状,已成一种主要的数值解析方法。本文采用POLYFLOW有限元分析软件对上述数学模型进行求解。制品为100 ml轴对称的吹塑瓶,所以只需分析1/4部分即可。为了准确地求解厚度方向的温度场,将厚度方向的尺寸划为12等分,沿圆周方向的尺寸划为20等分,将1/4部分吹塑瓶划为6060个单元。外冷却水的温度(Tn)为20℃,内冷却空气温度(T0)为25℃。外冷却传热系数为(hn)1175 Wm-2K-1。分析不同内冷方式、壁厚以及初始温度对吹塑瓶温度场的影响时,考虑三种内冷却方式:自然对流、强制对流和增强式对流(即通过增强冷却空气的流动速率以进一步提高传热系数),相对应的传热系数(h0)为10 W m-2K-1、100 W m-2K-1、250W m-2K-1;吹塑瓶的初始温.度(Ti)180℃、200℃、220℃;壁厚δ分别为2mm、3mm、4mm。

2.2材料参数

在热分析过程中不考虑密度的变化,取PP的密度为840 kg/m3。PP热导率随温度的变化,如图1所示。在本文研究的范围内热导率的变化不是很大,变化的范围为0.23 W/mk0.33 W/mk。但是当pp制品由粘流态转变成高弹态时,内能发生变化,内能的变化即为固化潜热。固化潜热在比热容图上表现出一峰值,PP的相变发生在90℃附近。

3结果与讨论

3.1轴向截面上的温度场

吹塑瓶在吹塑模中冷却30s后截面上的温度场的等值线图,转角处的等值线局部放大图。由于内冷却传热系数低于外冷却传热系数,因此,吹塑瓶内壁的温度明显高于外壁的温度。内壁温度约为86℃,壁厚中部约为71℃,外壁温度约为30℃。从吹塑瓶厚度中部到外壁,温度梯度较大,但是由内壁至厚度中部这段距离内,温度变化不大,温度梯度值小。在瓶身部分没有形成局部过热的现象,等值线均为直线。在瓶颈与瓶底转角处,等值线构成一环形等值曲线,在这些区域温度与其附近区域的温度相比高出4℃-8℃。

在轴向方向,瓶身部分温度的等值线均较为平直,温度分布比较有规律。可以通过研究瓶身上某一高度壁厚方向温度随时间的变化来考察温度场的演化。选取距离瓶底40 mm处,考察其30s内温度场随时间变化的过程。图5中每一条直线表明时间间隔为5s时厚度方向的温度分布。在冷却开始至5s,内外壁的温度下降都比较大,外壁温度由180℃降至54℃,内壁的温度也下降至145℃。在5s-15s的冷却时间内各曲线间的间距较大,表明温度下降得比较多;从15s开始后曲线间距较小,这说明冷却效率较低,温度下降较少。随着冷却时间的增加,最高温度对应的壁厚位置向内壁接近。

对于PP料,由图2可以看出,其相变发生在92℃左右,可以认为当吹塑瓶温度低于90℃时,吹塑瓶的大部分热量已经通过模具冷却水和冷却空气带走,在图3的条件下进行温度场的模拟,冷却30s后吹塑瓶温度低于92℃。所以在考察初始温度、壁厚及内壁传热系数.三个因子对吹塑瓶温度分布的影响时,通过模拟在不同条件下距吹塑瓶底部40mm处冷却30s后沿厚度方向的温度分布,以评估各因子对其温.度分布的影响。

3.2内壁传热系数对制品温度分布的影响

内冷却传热系数对于PP吹塑瓶温度分布影响非常显著。由图6可以看出,当内冷却传热系数由100Wm-2K-1增至250Wm-2K-1时,冷却30s后内壁的温度由84℃降至57℃。若内壁采用自然冷却方式,对吹塑瓶的冷却不利,当外壁冷至接近模具温度时,内壁还处于110℃左右。冷却水的传热系数虽然远大于内冷却空气的传热系数,但是PP传导率较低,距离外壁较远的材料的热量很难在短时间内传导至外壁,所以增强内壁传热系数可以大大提高冷却速率。

3.3初始温度对制品温度分布的影响

在不同初始温度下,吹塑瓶冷却30s后沿壁厚方向温度值的差别很小。吹塑瓶外壁的温度值相差最小,瓶壁中部相差较大。这是因为虽然初始温度从180℃增加到220℃,但是内外壁与吹塑瓶之间的温度梯度也相应增大,加快了热量的传递,造成初始温度由180℃增至220℃时对吹塑瓶温度分布的影响不是很明显。

3.4壁厚对制品温度分布的影响

壁厚的变化对吹塑瓶温度分布的影响很大。吹塑瓶外壁由于冷却水的对流冷却,温度相差较小;沿外壁至内壁,温度差值逐渐增大。当厚度由4 mm降至3 mm时,曲线间距较小,最高温度间的差值仅为17℃。但是当壁厚降至2 mm时,壁厚方向上的最高温度为42℃,与壁厚3mm和4mm吹塑瓶的最高温度差值达52℃和68℃。

4结论

在建立挤出吹塑冷却过程的数学模型的基础上,应用POLYFLOW软件对PP吹塑瓶的冷却过程进行数值求解,分析了不同内冷传热系数、初始温度、壁厚对冷却过程的影响。在本文研究的范围内,各因子对吹塑瓶温度分布的影响依次为:壁厚>内冷传热系数>初始温度。从减小开模时间的角度考虑,在满足制品性能要求的基础上应尽量减小壁厚,提高内冷却传热系数。

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