基于Ansys Workbench 的吹膜模頭熱膨脹模擬分析

黃一帆，王俠武

(廣東金明精機(jī)股份有限公司，廣東 汕頭 515098)

0 引言

吹膜模頭作為塑料薄膜制造中的核心設(shè)備，在包裝、農(nóng)業(yè)、建筑等多個領(lǐng)域扮演著重要的角色。吹膜技術(shù)通過擠出熔融塑料，形成連續(xù)的薄膜，為各行業(yè)提供了高質(zhì)量、高效率的包裝和覆蓋解決方案。吹膜模頭是整個吹膜生產(chǎn)線的核心組成部分，其性能直接關(guān)系到生產(chǎn)效率、薄膜品質(zhì)和產(chǎn)品的競爭力。

然而，吹膜模頭在高溫工作環(huán)境下長期運(yùn)行，金屬材料受到熱膨脹的影響，從而可能導(dǎo)致模頭不同零件之間裝配關(guān)系的變化，影響模頭精度及塑料薄膜成型效果。因此，對吹膜模頭的金屬熱膨脹特性進(jìn)行深入研究和優(yōu)化分析顯得尤為重要。通過對吹膜模頭的熱膨脹行為進(jìn)行模擬分析，并結(jié)合公差選擇進(jìn)行優(yōu)化，可以幫助工程師們更好地了解和改進(jìn)吹膜模頭的設(shè)計(jì)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，滿足不斷發(fā)展的市場需求。

因此，本論文將基于Ansys Workbench 軟件對吹膜模頭的金屬熱膨脹進(jìn)行模擬分析，并結(jié)合公差選擇來優(yōu)化模頭性能。通過本研究，我們期望為吹膜模頭的設(shè)計(jì)和制造提供有益的指導(dǎo)，并為其他類似金屬構(gòu)件在高溫工作環(huán)境下的熱膨脹分析提供有價值的借鑒。

1 研究方法

金屬穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)熱固耦合仿真是一種重要的數(shù)值模擬方法，用于研究金屬材料在熱載荷下的熱傳導(dǎo)、應(yīng)力分布和變形行為。這種方法結(jié)合了熱傳導(dǎo)方程和彈性力學(xué)方程，通過數(shù)值求解來模擬金屬在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱載荷下的響應(yīng)。

在穩(wěn)態(tài)熱固耦合仿真中，建立金屬材料的幾何模型，定義材料的熱學(xué)性質(zhì)、邊界條件和初始溫度分布。然后采用熱傳導(dǎo)方程，即熱擴(kuò)散方程，來描述金屬材料的溫度分布。熱傳導(dǎo)方程描述了溫度場的傳導(dǎo)過程，考慮了熱源或熱邊界條件對溫度分布的影響。在穩(wěn)態(tài)條件下，溫度場不隨時間變化，因此可以通過數(shù)值求解熱傳導(dǎo)方程，得到金屬材料在穩(wěn)態(tài)熱載荷下的溫度分布。

在穩(wěn)態(tài)熱固耦合仿真中，還需要將熱傳導(dǎo)方程和彈性力學(xué)方程耦合起來。彈性力學(xué)方程描述了金屬材料在受力作用下的應(yīng)力分布和變形行為。應(yīng)力分布與溫度場相互影響，因?yàn)闇囟茸兓瘯?dǎo)致材料的熱膨脹或收縮，從而引起應(yīng)力的產(chǎn)生或釋放。通過將熱傳導(dǎo)方程和彈性力學(xué)方程耦合起來，可以獲得金屬材料在穩(wěn)態(tài)熱載荷下的應(yīng)力分布和變形行為。

在瞬態(tài)熱固耦合仿真中，除了考慮穩(wěn)態(tài)仿真中的熱傳導(dǎo)和彈性力學(xué)方程，還需要引入時間因素。瞬態(tài)熱固耦合仿真適用于研究金屬材料在瞬時或持續(xù)變化的熱載荷下的響應(yīng)。在這種仿真中，需要定義時間步長和時間范圍，并在每個時間步長內(nèi)求解熱傳導(dǎo)和彈性力學(xué)方程。

瞬態(tài)熱固耦合仿真常用于模擬金屬材料冷卻或加熱過程中的溫度分布和應(yīng)力變化。通過瞬態(tài)仿真，可以更全面地了解金屬材料在實(shí)際工況下的響應(yīng)特性，并優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造過程。

綜上所述，金屬穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)熱固耦合仿真方法是一種有效的數(shù)值模擬技術(shù)，可以幫助工程師們深入研究金屬材料在不同熱載荷下的熱傳導(dǎo)、應(yīng)力分布和變形行為，為優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高材料性能提供有價值的參考。模擬分析流程如下圖所示。

1.1 幾何模型建立

對于多層共擠吹膜模頭設(shè)計(jì)而言，最外層即薄膜表面成型質(zhì)量尤為關(guān)鍵，結(jié)合本文研究內(nèi)容，建立多層共擠出吹膜模頭內(nèi)模殼與外層模芯的三維模型并模擬分析研究兩者在金屬熱膨脹的影響下配合的公差選擇，忽略零件上螺釘孔與熔體流道，三維模型如圖1所示。

圖 1 模頭零件模型

1.2 零件材料設(shè)置

吹膜設(shè)備多層共擠模頭零件常用材料為42CrMo，是一種優(yōu)質(zhì)的合金結(jié)構(gòu)鋼。其具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，并在高強(qiáng)度的同時，保持一定的韌性，使其具有較好的抗沖擊性和抗疲勞性能。42CrMo 表面具有較高的硬度，使其對磨損和摩擦具有良好的抵抗能力。因其中含有一定的鉻和鉬元素，使其具有良好的抗腐蝕性，適用于一些惡劣的工作環(huán)境。結(jié)合該材料的相關(guān)物性參數(shù)如圖2 所示，設(shè)置仿真模擬相關(guān)模型的材料屬性。結(jié)合熱膨脹過程，主要設(shè)置參數(shù)包含熱膨脹系數(shù)，各向異性熱導(dǎo)率，比熱，楊氏模量等。

圖2 42CrMo 材料屬性

1.3 模擬條件設(shè)置

首先對模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱固耦合仿真，模擬驗(yàn)證各零件從初始溫度（22 ℃）變化至對應(yīng)設(shè)置溫度情況下，零件的尺寸變形情況。在穩(wěn)態(tài)熱固耦合仿真中，模擬分析模殼零件分別設(shè)置198 ℃、215 ℃、230 ℃的變形情況和旋芯零件分別設(shè)置167 ℃、200 ℃、230 ℃的變形情況。隨后在該模擬結(jié)論基礎(chǔ)上，探究零件加熱裝配的仿真模擬與過盈配合設(shè)計(jì)分析。

如圖3 所示，將裝配過程做理想化假設(shè)，進(jìn)行瞬態(tài)熱固耦合仿真。設(shè)置模殼外表面為加熱面，熱通量設(shè)為3 W/cm2, 與實(shí)際加熱器設(shè)計(jì)相同。其余表面為與空氣接觸面，依照相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)將對流換熱系數(shù)值設(shè)為5 W/m2.℃。設(shè)置零件加熱時間30 min。探究零件在受熱膨脹過程中隨時間與溫度變化的變形情況。

圖3 瞬態(tài)熱固耦合仿真設(shè)置

2 模擬仿真結(jié)果分析

結(jié)合仿真分析條件設(shè)置，對實(shí)體零件進(jìn)行對應(yīng)條件下的實(shí)驗(yàn)測試錄得相關(guān)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)變形量測試記錄

模殼零件穩(wěn)態(tài)熱固耦合仿真模擬分析結(jié)果如圖4所示，將模擬仿真變形結(jié)果與實(shí)測變形結(jié)果對比，數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 模殼變形數(shù)據(jù)對比

圖4 模殼零件模擬分析結(jié)果

旋芯零件穩(wěn)態(tài)熱固耦合仿真模擬分析結(jié)果如圖5所示，將模擬仿真變形結(jié)果與實(shí)測變形結(jié)果對比，數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 模芯變形數(shù)據(jù)對比

圖5 旋芯零件模擬分析結(jié)果

圖6 模殼瞬態(tài)熱固耦合仿真模擬溫度變化

綜上所示，零件變形量模擬結(jié)果與實(shí)際測試變形量基本一致，穩(wěn)態(tài)熱固耦合仿真模擬的仿真結(jié)果符合實(shí)際情況，具有參考指導(dǎo)價值。在該模擬結(jié)論基礎(chǔ)上，探究零件加熱裝配的仿真模擬與過盈配合設(shè)計(jì)分析，進(jìn)行瞬態(tài)熱固耦合仿真與實(shí)際應(yīng)用對應(yīng)性較大，有較強(qiáng)指導(dǎo)意義，瞬態(tài)熱固耦合仿真模擬仿真結(jié)果如下所示。

瞬態(tài)熱固耦合仿真模擬結(jié)果包含模殼溫度隨時間變化如圖7 與表4 所示，包含模殼變形量隨時間變化如圖8 與表5 所示。從中得出結(jié)論，零件溫度由加熱面向內(nèi)逐漸隨時間增加而升高，零件內(nèi)圈配合處溫度為最小溫度，在30 min 加熱后，從初始溫度（22 ℃）升高至192.09 ℃。變形量隨時間增加與溫度升高逐漸增大，在30 min 加熱后，變形量最大至1.317 9 mm。

表4 模殼溫度隨時間變化數(shù)據(jù)

表5 模殼變形量隨時間變化數(shù)據(jù)

圖7 模殼溫度隨時間變化趨勢

圖8 模殼變形量隨時間變化趨勢

結(jié)合過盈配合設(shè)計(jì)做合理性分析，該模殼與旋芯配合處基本尺寸660 mm，設(shè)計(jì)過盈尺寸0.2 mm。以間隙配合H7/g6 為基準(zhǔn)，最大間隙0.154 mm，最小間隙0.024 mm。以理想化情況做理論分析，取最大間隙計(jì)算，則在裝配過程中，需加熱模殼使其配合處變形量大于0.354 mm（即0.2 mm+0.154 mm），才能順利完成裝配。結(jié)合以上模擬分析數(shù)據(jù)，可以看出，在模殼加熱約16 min 后，配合處平均變形量大于裝配所需變形量。此時零件平均溫度約120 ℃。裝配溫度與所需時間在可接受范圍內(nèi)，此過盈量設(shè)計(jì)較合理。

3 結(jié)論與展望

本研究基于Ansys Workbench 軟件，通過數(shù)值模擬方法研究了吹膜多層共擠模頭零件的金屬熱膨脹，分析零件間公差選擇對模頭裝配精度的影響。通過對模擬結(jié)果的分析，得出了對模頭關(guān)鍵零件的配合公差設(shè)計(jì)和優(yōu)化的一些有益指導(dǎo)，為模頭設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供了理論支持。通過該仿真案例中闡述的模擬仿真及公差選擇驗(yàn)證思路，可實(shí)現(xiàn)科學(xué)設(shè)計(jì)多層共擠吹膜模頭中各重要零件的配合尺寸，提高模頭設(shè)計(jì)質(zhì)量，提升模頭對塑料薄膜的成型品質(zhì)，減少模頭在安裝與拆卸過程的非必要損傷。