衣架式機頭流道幾何尺寸對流場內速度影響分析

2015-03-27 12:11:14北京工商大學材料與機械工程學院項輝宇李婷婷

電子世界 2015年19期

關鍵詞：模型

北京工商大學材料與機械工程學院李鶴項輝宇薛真李婷婷

1 前言

擠出成型是塑料成型加工技術中的重要成型方法之一。衣架式機頭作為擠出加工時最常用的機頭有著可以加工寬幅板、片材并且擠出均勻性最好的特點，被廣泛應用。衣架式機頭設計的關鍵為機頭的流道設計。為了得到尺寸均勻的制品，從機頭流道從入口到出口，必須十分光滑，物料在機頭內的停留時間和機頭出口處的流速必須均勻一致。

POLYFLOW是基于有限元法的計算流體力學（CFD）軟件，其強大的分析流體力學的能力被廣泛利用和認可，專門用于粘彈性材料的流動過程模擬，具有解決非牛頓、非線性問題的強大能力。本文應用SOLIDWORKS建立多個單一變量的機頭流道模型，通過POLYFLOW對衣架式機頭內部流場進行模擬分析，得到流道內速流場分布情況，進一步分析機頭流道幾何尺寸關鍵數據對于流道內速度場的影響。

2 POLYFLOW擠出過程模擬分析

2.1 幾何模型建立

根據文獻[2]中各幾何參數創建衣架式機頭流道的幾何模型，如圖1所示。

其中幾何參數為：入口處半徑0.023m，入口段長度0.1m，扇形區夾角170°，扇形區高度0.004m，阻尼區長度0.02m，阻尼區高度0.0025m，模唇區高度0.0035m，模唇區長度0.05m，模唇區寬度1.36m,阻尼區夾角45°。

A組模型：只改變扇形區夾角，其余幾何參數不變。A1,A2，A3，A4，扇形區夾角分別為169，170，172，174°。

B組模型：只改變阻尼區高度，其余參數不變。B1，B2，B3，B4，阻尼區高度分別0.0015m，0.002m，0.0025m，0.003m。

C組模型：只改變模唇區高度，其余參數不變。C1，C2，C3，C4，模唇區高度分別為0.0035m，0.003m，0.005m，0.006m。

圖1 衣架式機頭流道

圖2 截面示意圖

為便于分析物料在模型中速度場變化，沿擠出方向截取上調節部分截面Ⅰ，阻尼區截面Ⅱ，下調節部分截面Ⅲ，出口處截面Ⅳ如圖2所示。通過POLYFLOW模擬熔體擠出過程，得到熔體在機頭內各截面的速度分布情況，從而分析衣架式機頭流道的幾何尺寸對流場速度的影響。

2.2 邊界條件設置

1）入口處設置為Inf l ow，體積流量為；

2）出口處設置為Out f l ow；

2.3 材料選擇及參數

本文選擇聚合物熔體的材料參數具體如下所述。

2.4 模擬結果分析

2.4.1 扇形區夾角對流場內速度的影響

A組模型只改變了扇形區夾角，用來分析扇形區夾角對流場內速度的影響，圖3-圖6分別為A1，A2，A3，A4四種模型在截面Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ上的速度變化情況。

圖3 A組模型在Ⅰ截面中性線上速度分布

圖4 A組模型在Ⅱ截面中性線上速度分布

圖5 A組模型在Ⅲ截面中性線上速度分布

圖6 A組模型在Ⅳ截面中性線上速度分布

流道模型扇形區的夾角從小到大依次是A 1，A 2，A3，A4。以上數據可以得出，扇形區夾角逐漸增大，截面中間層節點的速度分布由兩端高中間低趨向均勻，然而當夾角增大到一定程度繼續增大時，速度又逐漸變成中間高兩端低，并且不均勻情況逐漸明顯。因此，可以得出扇形區的夾角過大或過小均不理想，適當調節扇形區張角有助于提高速度均勻性進而提高擠出產品質量。

2.4.2 阻尼區高度對流場的影響

B組模型只改變了阻尼區高度，用來分析阻尼區高度對流場內速度的影響，圖7-圖10分別為B1，B2，B3，B4四種模型在截面Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ上的速度變化情況。