广州黄埔有限元培训_挤出过程温度场的CAE分析

塑料挤出机是塑料加工机械的主要组成部分，挤出成型装备向着高速、高产化、gao效、多功能化，大型化和精密化，模块化和专业化，智能化和网络化等方向发展.为此因加强CAD/CAE/CAM 技术在塑料工业中的应用研究. 在塑料成型过程中，温度是重要参数，过高物料易变质甚至烧焦，而太低物料熔融不足将会出现夹生现象. 这不但影响产品质量，而且增大能耗，从而增加生产成本，降低企业效益，所以有必要对挤出过程进行热分析.

1 有限元模型的建立

1.1 几何模型

根据实际生产的尺寸，用UG建立起螺杆3维模型，并借助UG中的布尔减运算从机筒中减去螺杆所得的3 维实体即为流道的真实模型.该流道的长度为1250 mm，厚度较大为22 mm，较薄的地方是0.5 mm，该流道几何参数及其内部结构见图1和图2。

1.2 网格划分

采用Tetmesh自动网格生成器，用10 节点的四面体单元直接对上述流道几何模型进行划分，对Tetmesh 的属性进行人为的设定，采取模型内部网格粗划技术，取Global Edge Length(全局变量)为0.1 mm. 较终生成114 997 个节点和64 924 个单元.网格模型如图3.

1.3 工程假设和边界条件

在挤出过程中，物料受到来自螺杆剪切摩擦产生的热、物料内部相互摩擦产生的热以及由料筒加热传递的热量等. 在挤出过程中热传导热对流和热辐射3种传热形式. 但是由于物料几乎全部被料筒包围，因此在分析中仅考虑传导热和摩擦热. 为便于计算，进行如下假设(1)流体为幂律流体(2)流场为稳定等压流场(3)雷诺系数较小可认为流动为层流流动(4)忽略惯性力重力等体积力(5)流体为不可压缩流体(6)流道壁面无滑移(7)流道的外围看成是一个高温的筒(8)与螺杆接触的地方摩擦生热看成一个不断供热的热源.

边界条件

(1)与料筒和螺杆接触的地方初始温度设为250+50/1.25 x X单位是℃

(2)外界温度设为100℃

(3)螺杆热源的热通量,由运动摩擦生成热通量计算公式 q =μ v p

其中μ是塑料与钢接触表面的摩擦系数,v为摩擦速度, p为两者接触面的摩擦力. 本文模拟分析中采用的材料为PE(聚乙烯),它与钢接触面摩擦因子为0.02~0.1, 计算中取0.06, PE 的热导率随温度变化,取其平均值为0.25 W/M K 比热容为2.25 kJ/kg*℃, 密度950 kg/m3.

2 计算结果与分析

图4~图6 分别为沿挤出方向、整段流道的温度分布云图、流道内部的温度分布云图以及沿轴向方向的温度与位移曲线. 从温度云图可知,温度沿挤出方向逐渐升高，这与实际生产中的温度分布趋势一致. 图6 的位移-温度曲线进一步证明这一点，且可由该曲线可知温度沿轴向近似成线性分布，这与一些试验理论相符.

图7为温度沿径向的分布图. 温度沿径向的总趋势是逐渐降低，但是降幅较小，图8为沿轴向不同的位置截取6个截面，分析不同截面的径向温度的分布曲线. 图9 则为对应于6个不同位置的径向温度分布曲线. 由图可以看出：温度随径向的变化不大，靠近螺杆的部分温度稍高一些，靠近料筒处温度稍低.

图10到图11是温度梯度分布图. 图10为整段模型的温度梯度分布云图，图11为轴向温度梯度分布曲线，图12为径向温度梯度分布曲线. 从云图和相关曲线可知，整个流道中，熔体较薄处，温度梯度较大，螺棱处熔体的温度梯度明显比螺槽处熔体温度梯度大，并且沿轴向方向温度梯度也增大.图13是沿轴向热流强度分布曲线，而图14是沿径向热流强度分布曲线. 从图可知，热流强度沿挤出方向逐渐增大，而沿径向热流也增大. 这是因为沿轴向外界温度逐渐增大，所以热流强度也增大.