熔噴模頭的多目標優化設計方法研究

江陰職業技術學院 程壽國 劉金南

隨著人們對自我防護越來越重視，口罩的需求量仍在持續增加。熔噴法制造的口罩占據了絕大部分的市場份額。熔噴模頭的設計生產方法不斷改進提高。本文介紹了熔噴模頭優化設計的研究現狀，討論了熔噴模頭優化設計中的關鍵難點，提出了一種加權多目標優化設計方法，為熔噴設備的設計生產提供參考。

人們對疫情防控的意識有所提高，口罩作為最常用的防護用品，需求量一直非常大。做口罩的設備和技術在不斷發展提高，對經濟性、設備生產周期和口罩的生產效率等要求也在不斷提高。優化設計方法正是為解決多種方案選擇最優之一的最好工具。劉博文等將數值模擬和多目標遺傳算法相結合進行了熔噴狹槽流場優化設計。他們以狹縫寬度和歧管角度為優化的目標變量，目標函數為模頭中心面出口處沿寬度方向上速度分布的值。應用兩種進化策略分別優化了簡單線性漸細歧管和基于一維解析設計線性漸細歧管的衣架型模頭，該項工作完成后速度分布均勻性具有很大幅度的提高。

1 多目標優化方法在流場等相關問題上的應用

隨著計算機算法的不斷改進和硬件平臺計算能力的不斷提高，多目標優化在涉及流場等領域的應用已經非常廣泛。陳力等以相對實驗裝置導流錐半徑的增加量和第5塊環形隔板高度為設計變量，以彈底加速度峰值、加速度曲線平穩性、筒底壓力峰值和彈底熱環境為優化目標，推導了加速度曲線平穩性數學模型，進行了導彈燃氣彈射內彈道的多目標優化設計研究。劉傳振等以空間曲線的控制點為設計變量，以升阻比和和乘波體的容積與投影面積比率為目標函數，對乘波體的外形進行多目標的優化設計研究。司喬瑞等利用正交試驗和矩陣研究了葉片數、葉輪直徑、葉片出口角、葉片出口寬度等四個參數和揚程、效率、指標軸功率和噪聲聲壓級等四個目標的優化問題。以上三個課題的研究都是基于數值模擬與多目標優化問題的研究，在熔噴模頭多目標優化設計研究中可以借鑒其方法。

2 熔噴系統實驗方案

在SolidWorks軟件中對熔噴模頭參數化幾何建模，導入ANSYS軟件中結構分析和熱分析，結果導入到FLUENT軟件中做流體動力學仿真。除傳統的熔噴模頭主要幾何參數作為優化變量以外，其中的壓縮氣源的壓力、加熱溫度和冷卻溫度、位置等都引入到優化系統作為優化變量或者約束條件。系統中的高速攝像機、熱線風速儀等儀器作為監測設備使用，具體方案見圖1所示。

圖1 熔噴工藝實驗方案

3 熔噴模頭多目標優化設計方法

熔噴系統的出絲質量與熔噴模頭的主要幾何參數、螺桿擠壓機的推進速度與加熱溫度區間、空氣壓縮機的壓力調節、計量泵設定轉速和加熱器的溫度、氣流速度等都有密切聯系。在保證出絲質量前提下，降低熔噴模頭生產成本和設備調試周期也非常重要。所以，本文設計了一種考慮熔噴模頭制造成本、生產周期和出絲質量的多目標優化方法。這種方法的技術流程如圖2所示。

圖2 熔噴模頭優化設計技術流程

本優化設計方法與傳統的優化設計方法不同的是建立了熔噴模頭生產成本函數、熔噴設備可靠性評價函數、熔噴流場評價函數、出絲質量和產量效率評價函數等多個目標函數，可以根據生產實際合理分配各函數權重因子，并建立統一的優化函數。合理的優化目標函數的建立需要大量的流體動力學仿真和熔噴設備的實驗數據，其中，熔噴模頭加工及裝配、試驗、溫度和壓力控制系統的設計等內容已在相關文獻中介紹。

結語：本文結合熔噴模頭設計優化研究現狀和基于流場的數值模擬和多目標優化研究案例提出了一種加權多目標熔噴模頭優化設計方法。隨著計算機硬件和優化算法的不斷發展，無論是設計變量，還是優化目標函數，將向著多學科交叉發展，優化設計的效果會更加凸現，熔噴模頭設計優化研究也將不斷更加復雜、更加趨于實用。