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基于感应加热的局部模腔温度场数值模拟与实验研究

作　者: 王祖明
导　师: 于沪平
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 注塑缺陷感应加热集肤效应 MOLDFLOW填充模拟 ANSYS数值分析电磁—热场耦合
分类号: TQ320.66
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文主要研究模腔温度的控制对注塑过程中常见缺陷的改善。其中模腔温度的控制由电磁感应加热装置完成。电磁感应加热具有升温快、效率高、控制精确、污染少、热惯性小等特点,在工业生产中得到广泛应用。课题中所注重的问题有:设计与制造加热装置,使其加热性能达到快速而均匀的局部高温效果,并对不平整的模腔适用;探索各项加热参数对加热效果的影响,为实验中的参数设置提供理论依据;通过注塑实验及其他测试实验,验证模温控制对缺陷改善效果。研究过程中,为了避免采用大量实验的方法寻求理想的感应加热参数及注塑工艺参数设置,采用ANSYS数值模拟对电磁—热耦合进行了有限元建模与仿真,探索了电流频率,密度等因素对加热效果的影响;同时采用MOLD FLOW的注塑填充模拟寻求理想的注塑工艺。数值模拟技术对于本课题系统的设计和研究具有重要意义。注塑材料的流变特性是其内在结构的反映,也是影响注塑件质量的一个重要因素,发生在一定的剪切速率和剪切应力作用下。当熔体聚合物分子间缠结态被破坏,分子重新取向排列,熔体的粘度会下降,填充阻力减小,这种情况下熔体在模腔内的填充速度更快、效果更好。阿累尼乌斯(Arrhenius)方程直观的展示了塑料熔体的温度对熔体粘度的影响,尤其在低剪切速率阶段,熔体温度的提升对粘度的降低有显著作用。可见提高熔体温度以降低熔体粘度,可以改善注塑件的某些缺陷。而从分子能量角度和能量守恒定律来说,模具温度对减少熔体温度的下降幅度具有的积极影响。因此本课题以模腔温度为控制因素,以达到注塑缺陷改善目的的研究具有良好的理论基础。文中论述了电磁感应特有的集肤效应对模腔表面浅层加热的意义,并以此为理论依据设计制造了外置组合式感应加热线圈。研究了组合式线圈感应加热的温度变化规律,为局部感应加热最终温度的控制提供了依据。探索了感应加热的有限元模拟中电磁场与温度场的耦合方法,及模具材料的物理参数对温度的依赖性等关键问题的解决方法。以ANSYS为平台建立了电磁一热耦合场的有限元计算模型。通过数值模拟得到了阶梯状模腔表面的温度分布状况以及加热温度随时间的变化规律。模拟并分析了交流电频率、线圈中电流密度及线圈与模腔距离对模具表层温度控制的影响,同时总结了这些影响因素对加热效果的作用规律,并对其作用原理进行了分析。这部分研究为实验中感应电源的参数设置提供了依据。引入了目标注塑件的MOLDFLOW模型,通过单一控制模温的系列填充模拟,初步探索了感应加热条件下模温对填充过程中的欠充、熔接痕缺陷的影响。同时MOLDFLOW的数值仿真为注塑机的工艺参数设置提供了依据。通过控制组合式感应加热装置在局部模腔的加热,进行了多组注塑实验,对比了实验结果。分别得到了模温对欠充、明显熔接痕及表面质量粗糙这些注塑缺陷的改善效果及规律。此外,分别从不同模温下的注塑制品中取样进行了拉伸测试及表面粗糙度测试,得出了量化的改善结果,进一步验证了阿累尼乌斯(Arrhenius)理论。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
第一章绪论  10-24
  1.1 填充环境对注塑缺陷的影响概述  10-15
    1.1.1 填充环境对欠充缺陷的影响  11-12
    1.1.2 填充环境对熔接痕的影响  12-14
    1.1.3 填充环境对制品表面光洁度影响  14-15
  1.2 基于模温控制的填充环境改善研究现状  15-17
  1.3 电磁感应加热技术的工程应用及数值模拟技术现状  17-19
    1.3.1 电磁感应加热技术的工程应用及其优点  17
    1.3.2 感应加热数值模拟的发展状况  17-19
  1.4 本课题研究意义与背景  19-22
  1.5 主要研究的问题及研究方法  22-23
  1.6 本章小结  23-24
第二章熔体粘度对填充的影响及电磁理论的应用  24-32
  2.1 引言  24
  2.2 熔接痕的形成原理  24-25
  2.3 熔体粘度对熔接痕形成的影响  25-27
  2.4 电磁感应基本原理与特点  27-31
    2.4.1 涡流生热  27-28
    2.4.2 集肤效应及透入深度  28-30
    2.4.3 邻近效应和圆环效应  30
    2.4.4 透入式加热和传导式加热  30-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章外置型组合式局部感应加热装置的设计制造  32-44
  3.1 基本设计思路与技术背景  32-34
  3.2 具体结构的设计制造与方案实现  34-38
  3.3 结构设计的缺陷及优化  38-40
  3.4 感应机构加热性能的理论推导  40-42
    3.4.1 感应电源提供的交流电频率对加热的影响  41-42
    3.4.2 感应电源提供的交流电功率对加热的影响  42
    3.4.3 感应线圈与被加热面距离对加热的影响  42
  3.5 本章小结  42-44
第四章电磁—热耦合的有限元建模及计算  44-67
  4.1 引言  44
  4.2 电磁场的基本理论  44-51
    4.2.1 安培环路定律  44
    4.2.2 法拉第电磁感应定律  44-45
    4.2.3 高斯电通定律  45
    4.2.4 高斯磁通定律  45
    4.2.5 Maxwell 方程组的微分形式  45-47
    4.2.6 基于矢量磁位的电磁感应加热涡流场基本方程  47-50
    4.2.7 电磁场边界条件  50-51
    4.2.8 ANSYS 软件中的电磁场分析  51
  4.3 温度场有限元数学模型  51-54
    4.3.1 电磁感应加热温度场数学模型  51-54
    4.3.2 ANSYS 软件中的热分析  54
  4.4 ANSYS 软件中的耦合场  54-55
    4.4.1 顺序耦合方法  54-55
    4.4.2 直接耦合方法  55
    4.4.3 直接耦合法与顺序耦合法的应用场合  55
  4.5 以ANSYS 为平台求解电磁—热耦合问题  55-58
    4.5.1 ANSYS 求解电磁一热耦合问题的方法  55-56
    4.5.2 电磁—热耦合多物理环境的具体实施过程  56-57
    4.5.3 ANSYS 中材料非线性问题的计算方法  57-58
  4.6 相关影响因素的分析和计算  58
    4.6.1 辐射和空气对流的影响及计算处理方法  58
    4.6.2 线圈与模具感生电流相互影响的处理  58
  4.7 电磁感应加热数值模拟计算模型的建立  58-66
    4.7.1 问题的描述与假设  58-62
    4.7.2 材料特性  62-63
    4.7.3 边界条件、分析单元与网格划分  63-66
  4.8 本章小结  66-67
第五章模具加热过程的电磁—热耦合模拟研究  67-80
  5.1 引言  67
  5.2 初步建模过程与参数设置  67-71
  5.3 电流频率对加热效果的影响  71-74
  5.4 线圈电流密度的影响  74-77
  5.5 线圈与模具距离对加热效果的影响  77-79
  5.6 加热设备的参数优化  79
  5.7 本章小结  79-80
第六章基于MOLDFLOW 的填充模拟及实验  80-98
  6.1 引言  80
  6.2 注塑产品的MOLDFLOW 建模及分析  80-87
    6.2.1 目标塑料制品结构分析及MOLDFLOW 建模  80-81
    6.2.2 PP 料的填充模拟  81-85
    6.2.3 ABS 塑料的熔接痕位置预测  85-86
    6.2.4 模温控制下的ABS 熔体前端温度模拟  86-87
  6.3 基于PP 塑料的填充实验  87-89
  6.4 基于ABS 塑料的熔接痕表征检测实验  89-91
  6.5 熔接处材料力学性能测量实验  91-94
  6.6 ABS 材料试件的光洁度测量实验  94-97
  6.7 本章小结  97-98
第七章总结与展望  98-100
  7.1 结论  98-99
  7.2 前景展望  99-100
参考文献  100-104
致谢  104-105
研究成果及发表的学术论文  105-107
附件  107-108

基于感应加热的局部模腔温度场数值模拟与实验研究

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