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水下模板造粒成型过程的理论分析及扩展应用研究

作　者: 刘晓锋
导　师: 张冰
学　校: 北京化工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 造粒模板模板大变形 BP神经网络挤出均匀性凝固堵塞切粒质量
分类号: TQ029.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着世界范围内石油化工行业的飞速发展,国际市场中的聚丙烯、聚乙烯类聚合物的需求越来越大,这就需要具备高产能、性价比高的造粒设备。造粒模板对大型水下切粒设备中粒料产品的成型质量起到了重要的因素。模板在受到内部聚合物的挤压,导热油的加热以及切粒面冷却的作用下,整个模板的应力、变形对模板的寿命、表面变形、造粒质量、切刀寿命都会产生严重影响。模板内部的模孔数量繁多导致了其内部聚合物的流场不均匀,这是影响颗粒产品长短的主要因素。模板在受到多重物理场的作用下,其内部的温度场很复杂,温度场的不稳定会对聚合物的凝固产生影响,聚合物的凝固会影响挤出颗粒的直径大小,严重时造成模孔的堵塞。因此,模板应力和变形、挤出均匀性、聚合物在模板中的凝固研究对挤出造粒成型有着很大的指导意义。本文以三维建模分析的手段对模板受力、聚合物流动、导热油流动、模板温度场进行了研究。主要研究内容如下：1、建立模板的三维模型,使用ANSYS中的传热模块Fluent和静力分析模块Static structural,分别从模板设计的结构参数和工况参数两方面对模板进行热固耦合计算。模板温度的上升会造成较大的热膨胀,模板温度场的不均匀性使切粒面产生较大的应力集中；模板在单独受到预紧力、聚合物压力、导热油压力时,应力变形较小,但也会在切粒面产生应力集中,最终导致模板在切粒面的应力最大,在模板边缘处的变形最大；预紧力和导热油的温度会对模板应力和变形的大小产生主要影响,挤出模孔的直径、导热油流道的截面积对模板的应力和变形相对较小；2、使用有限元分析软件Fluent对聚合物各模孔挤出速度进行数值模拟,利用BP神经网络与最优化设计理论相结合,得出模板模孔定形段长度设计规律。当定形段长度一致时,各模孔流速在模板中间位置流速最大,模孔挤出流速分布呈现开口向下抛物线规律；经过BP神经网络优化计算,当模孔挤出流速均匀一致时,模孔定形段长度分布呈现开口向上的抛物线规律；3、对挤出模板各种常见异常工况的产生原因和工况条件变化对模板温度和造粒质量的影响进行了研究。通过液固液流动传热耦合计算,得出模板中聚合物的凝固分数分布云图,模拟出不同结构参数和工况参数下凝固情况的变化；4、通过小型水下切粒平台的凝固实验,得出实际情况下模板中聚合物的凝固情况,对比理论研究中模板的聚合物凝固分数,验证理论研究,并得出模孔堵塞的原因。综合各结论,对模板的改进提出依据性建议。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-18
第一章绪论  18-30
  1.1 课题背景及项目来源  18-23
    1.1.1 造粒模板在水下切粒过程中的作用  18-19
    1.1.2 造粒模板的结构制造难点  19-22
    1.1.3 造粒质量的影响因素分析  22-23
  1.2 国内外的造粒模板研究情况  23-27
    1.2.1 造粒模板结构设计的研究现状  23-25
    1.2.2 造粒模板相关的理论研究  25-26
    1.2.3 模板的造粒质量的研究  26-27
  1.3 造粒模板相关研究的发展趋势  27-28
  1.4 本研究的内容和技术路线  28-30
    1.4.1 本研究的主要内容  28-29
    1.4.2 本研究的技术路线  29-30
第二章造粒模板的结构设计与受力分析  30-48
  2.1 模板的受力及其影响因素分析  30-31
  2.2 三维热固耦合模型介绍  31-36
    2.2.1 模板的物理模型介绍  31-33
    2.2.2 模板的有限元模型介绍  33-36
  2.3 模板的应力、变形结果与分析  36-46
    2.3.1 模板受力分析模型的边界条件  36-38
    2.3.2 模板受力分析模型的计算结果  38-40
    2.3.3 结构设计因素对模板应力、变形的影响  40-43
    2.3.4 工况因素对模板应力、变形的影响  43-46
  2.4 模板应力、变形计算结果小结  46-48
第三章模板挤出成型均匀性的研究  48-66
  3.1 模板挤出成型均匀性的分析  48-50
    3.1.1 模板挤出均匀性的影响因素分析  48-49
    3.1.2 模板定形段的优化设计流程  49-50
  3.2 模板定形段优化设计的计算模型  50-56
    3.2.1 模板定形段优化的三维物理模型  50-52
    3.2.2 模板定形段优化的数学模型  52-53
    3.2.3 计算软件的选择  53
    3.2.4 模板定形段优化模型的边界条件  53-54
    3.2.5 模板挤出均匀性计算的切粒质量评价  54
    3.2.6 模板挤出均匀性计算的结果与分析  54-56
  3.3 BP神经网络的优化研究  56-64
    3.3.1 BP神经网络模型的介绍  56-57
    3.3.2 BP神经网络的优化流程  57-58
    3.3.3 BP神经网络的样本数据  58-60
    3.3.4 BP神经网络的训练过程  60-62
    3.3.5 BP神经网络的验证过程  62
    3.3.6 BP神经网络的优化结果输出  62-63
    3.3.7 优化结果对模板定型段设计的指导  63
    3.3.8 挤出产量波动对造粒质量的影响  63-64
  3.4 模板挤出均匀性研究小结  64-66
第四章模板的模孔堵塞机理研究  66-94
  4.1 模孔内聚合物的堵塞原因分析  66-67
  4.2 模孔内聚合物的堵塞机理研究  67-71
    4.2.1 模孔内聚合物的凝固理论  67-68
    4.2.2 模孔内聚合物的堵塞机理  68-70
    4.2.3 Fluent凝固融化模型介绍  70-71
  4.3 模孔内聚合物凝固情况的模拟研究  71-79
    4.3.1 液固液三维流动传热耦合模型  71
    4.3.2 液固液三维物理模型  71-74
    4.3.3 液固液三维流动传热模型  74-75
    4.3.4 模型物性参数及边界条件  75-76
    4.3.5 液固液三维模型结果与分析  76-79
  4.4 模板结构和工况参数对模孔内聚合物凝固情况的影响  79-91
    4.4.1 模板结构对模孔内聚合物凝固情况的影响  79-87
    4.4.2 模板工况参数对模孔内聚合物凝固情况的影响  87-91
  4.5 本章小结  91-94
第五章实验验证和分析  94-108
  5.1 模孔内聚合物凝固情况的实验验证  94-107
    5.1.1 实验装置的配置、加工和组装  94-98
    5.1.2 实验方法和实验过程  98-99
    5.1.3 验证试验的结果分析  99-105
    5.1.4 水下切粒实验总结  105-107
  5.2 本章小结  107-108
第六章结论与展望  108-110
  6.1 论文的主要结论  108-109
  6.2 对本课题研究的展望  109-110
参考文献  110-114
附录  114-120
  附录1. BP神经网络模型在Matlab中的部分源代码  114-116
  附录2. 热塑性塑料颗粒外观试验方法  116-120
致谢  120-122
研究成果及发表的学术论文  122-124
作者与导师简介  124-125
附件  125-126

水下模板造粒成型过程的理论分析及扩展应用研究

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