吹塑制品的数值模拟与控制

吹塑制品的数值模拟与控制

由于聚合物是具有重要用途的材料，必须经过加工。因此，聚合物加工制造技术的发展决定了聚合物材料科学技术的总体发展水平。与广泛应用的塑料形成技术相比，吹塑设备和模型的成本较低（例如，吹塑汽车支架和挡板的成本约为1.4），锁定模的强度较小（由于吹塑模板的吹塑压力通常小于1mpa，注塑模腔的熔合压通常为15.140mpa），低能耗和适应性（可以形成不同形状的结构和双壁的制造）。主导的工业装置完整性高，综合能好，附加率高，缺陷小，成本低。因此，吹塑技术在汽车和其他行业得到了广泛应用。近期,吹塑工业配件向复杂化和大型化方向发展.然而,汽车等工业配件吹塑中存在材料消耗大、加工能耗高和生产效率低等突出问题.汽车内的各种连接管和通风管的结构复杂,多呈三维弯曲状,其吹塑时会产生大量的飞边.如某汽车配件制造公司采用常规吹塑技术生产的一种汽车管件的飞边质量为该配件质量的2倍多;吹塑的某车型排水罐连接管的飞边质量为该连接管质量的9倍.此外,结构复杂且壁厚差异较大的吹塑制件,存在表观性能和成型合格率低等问题.针对上述工业配件吹塑中存在的问题,近10多年来,笔者及笔者所在课题组全面、深入地对吹塑进行理论研究,并在此基础上,成功地研发了多种高性能低能耗的设备和关键技术.文中概述了本课题组对吹塑开展的理论研究工作,并着重分析了在此基础上研制成功的具有自主知识产权的几种吹塑设备与关键技术.1理论研究1.1吹塑三阶段共性机理的新建立和研究聚合物吹塑包括型坯成型、型坯吹胀和制品冷却3个阶段,它们直接影响吹塑制品的尺寸和各种性能,而且是决定吹塑过程材料和能量消耗的主要因素,很有必要对这3个阶段的机理进行研究.为此,本课题组从吹塑过程中抽提出所存在的基本科学问题,提出新模型和新理论以及集成的模拟方法,对吹塑三阶段的共性机理进行了研究,着重使理论分析、数值模拟和实验研究相协调,促进对新现象和新规律的创新研究.1.1.1形成就是这样型坯成型阶段主要受离模膨胀和垂伸这两种复杂流变现象的影响,它们的综合效应决定了型坯吹胀前的尺寸和形状.1模型尺寸预测基于实验或有限元(FE)模拟获得的系列数据,建立了可在一定范围内预测型坯尺寸(直径D和壁厚H)分布的神经网络(NN)模型.结果表明,所建立的NN模型预测的型坯尺寸分布与实验结果相当吻合(误差平方和小于0.01),并且揭示了型坯尺寸的分布规律.进一步地,建立了如图1所示的两个串联的NN模型,其中NN模型1用于预测不同加工参数(熔体温度T和流量Q)下型坯长度(L)随时间(t)的演变,NN模型2预测不同型坯长度下型坯上若干(如20个)位置的尺寸.综合这两个NN模型,可预测任意长度或时刻下型坯上若干位置的尺寸.采用上述的建模方法,每一实验只能获得一个数据组对NN模型进行训练,这样,需要较多的实验次数.为此,建立了如图2所示的NN模型,可预测型坯上任意位置的尺寸.此外,采用这种建模方法,每一实验可获得若干(如20个)数据组,从而可大大减少实验次数.上述研究表明,将NN方法应用于受多因素影响的型坯成型的研究,可确定型坯尺寸与机械参数、材料性能参数和加工参数之间的定量关系,具有不需或最少的简化假设、不需采用本构方程、可在线预测、较快的响应等优点.利用建立的NN模型预测的结果与实验结果很吻合,为型坯尺寸的在线控制提供了理论依据.2基于“-集成”的变间隙模拟方法针对目前商业软件无法模拟变机头模口间隙下型坯膨胀的难题,在对型坯膨胀进行FE模拟的基础上,采取“分割-集成”的方法,提出了一种可有效模拟变间隙下型坯膨胀的巧妙方法,为复杂制品吹塑的模拟提供了新思路.该方法简述如下:对每个预设的模口间隙,均采用FE法进行一次模拟;把在各个模口间隙下模拟获得的型坯子段组合在一起,即可得到模口间隙变化情况下挤出的整段型坯,最终获得的型坯轮廓和尺寸分布与实验结果较为吻合.1.1.2型坯吹胀的预测结果吹胀阶段型坯要经受大变形,且涉及几何、材料和接触三方面的非线性,故对其建模和仿真有较大的难度.从对型坯(薄壳)微体积元的力平衡出发,建立了图3所示的型坯自由吹胀的物理模型.基于薄膜近似和neo-Hookean本构关系,推导出描述型坯自由吹胀的数学模型:⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪dr˜/dx˜=Stgθdθdx˜=S[(r˜1−13r˜3)1r˜−ΔPr0h0Gcosθ](1r˜−131r˜3)−1d1dx˜=Stgθ(r˜1−331r˜3)(1+341r˜2)−1(1)式中各符号的物理意义见文献.采用打靶法求解藕合的非线性差分方程组(式(1)),得出了型坯自由吹胀时的轮廓分布,其与可视化实验观察结果较吻合.上述建立的数学模型可用于预测型坯自由吹胀时局部的拉伸比、轴向和周向的局部应力分布以及壁厚分布,还可预测型坯的自由吹胀对材料性能、型坯尺寸和加工参数等的依赖性.进一步地,以Mooney-Rivlin本构关系描述型坯吹胀时的流变行为,采用FE法,对型坯的自由吹胀和受约束吹胀进行了理论模拟,着重考虑无量纲化后的综合因素对型坯吹胀的影响.通过可视化在线观察,发现拉伸吹胀过程中型坯存在海豚型、积沙型和双泡型3种轮廓演变模式.在此基础上,推导出型坯轴向和周向的应力分布:σl=⎧⎩⎨Fδ2+2Rδ=Fδ(δ+2R)=Fμ‚仅拉伸时F+PR2mδ(δ+2R)=F+PR2mμ‚拉伸和吹胀时(2)σh=2RlP2lδ=PRδ=Pν(3)式中各符号的物理意义见文献.由式(2)和(3)可知,与型坯厚度和内径相关的两个参数(μ和ν)的变化导致型坯应力的变化.结合应力分布、温度分布和材料本构关系,分析了不同型坯轮廓演变模式的形变机理,有助于优化型坯的设计和设定合适的加工条件.上述预测的吹胀阶段型坯的形状变化、变薄性能和壁厚分布,为根据预期的过程参数优化设计吹塑模具或针对已有设备条件优化过程参数、以低成本(如采用最少的原料消耗)成型出最佳的制品提供了理论依据.1.1.3吹塑制品壁内的热-黏弹性本构模型的建立制品的冷却效率直接影响吹塑的生产率和能耗,而且是制品内形成的晶体结构的主要影响因素之一,其少量变化就会导致晶体生长从而使制品性能发生较大变化.建立了吹塑制品冷却阶段的三维温度场、结晶动力学和制品杨氏模量(E)的数学模型:ρ∂H∂T∂T∂t=∂∂x(kx∂T∂x)+∂∂y(ky∂T∂y)+∂∂z(kz∂T∂z)(4)dθdt=nK(T)(1−θ)[ln(11−θ)]n−1n(5)E15=E15AM(1−Xc)+E15CR(Xc)(6)式中各符号的物理意义见文献.通过模拟,预测了吹塑制品壁内的瞬态温度分布,并与实验结果进行了比较,这为进一步分析制品的微结构性能(取向度、结晶度、密度和残余热应力)和最终性能提供了温度数据.例如,采用下述的热-黏弹性本构模型,对复杂制品的残余应力和翘曲进行了模拟:式中各符号的物理意义见文献.图4为某车型某吹塑制件冷却120s时翘曲分布的模拟结果.由于该制件呈宽扁状,冷却时如存在较大温差,会引起不均匀收缩而导致制品翘曲.1.2吹塑制品壁厚的加工控制工业生产中采用型坯壁厚程序控制器对吹塑制品壁厚进行控制,其存在依赖操作人员经验进行反复调试、调试过程中原料消耗量大和制品质量不稳定等缺点.随吹塑制品复杂程度的提高,采用这种方法难以获得合适的制品壁厚分布.为此,本课题组提出了吹塑制品壁厚的控制策略.1.2.1模型建立的实验提出的吹塑制品壁厚迭代优化与控制的总体方案见文献,目的是根据制品壁厚要求反向推算型坯机头模口间隙曲线应如何设置,才能使被挤出的型坯可吹塑出给定壁厚的制品,而又尽可能地减少材料的用量.该方案由两部分4阶段组成:(1)采用FE法,模拟给定模口间隙下挤出型坯的外径和壁厚分布以及型坯吹胀后的制品壁厚分布,确定初始的模口间隙曲线;(2)以该初始间隙曲线为基准,通过正交实验设计进行实验,对实验结果进行灵敏度分析,反推理论上最优的间隙曲线,并按该曲线进行实验;(3)采用实验获得的制品壁厚分布和对应的模口间隙曲线,建立NN模型;(4)采用上述NN模型计算目标函数值,并采用带精英保留策略和嵌入有模拟退火算法的遗传算法进行全局优化,推导一条新的模口间隙曲线,根据制品壁厚要求对该间隙曲线进行迭代优化,以使最终得出的制品壁厚完全落入目标区间.阶段(1)、(2)为该方案的第一部分,阶段(3)、(4)为第二部分.为提高NN建模的训练速度,还提出并采用了一种快速BP神经网络算法——QLMBP.1.2.2基于nn模型的模型建立在上述研究的基础上,进一步提出了一种集数值模拟、最优化技术、在线检测和在线控制于一体的吹塑制品壁厚智能化控制策略,该智能化控制策略主要包括如下几点.(1)型坯壁厚优化.对吹塑过程进行FE模拟,利用模拟结果建立型坯壁厚分布与优化目标函数之间的NN模型,采用该模型实时求解优化迭代过程中的目标函数;结合多种群并行遗传算法,以获得所需的吹塑制品壁厚为目标,建立型坯壁厚优化的数学模型;求解该模型获得优化的型坯壁厚分布曲线,并根据实验获得的机头模口间隙与型坯壁厚之间的关系确定优化的初始机头模口间隙曲线.(2)制品壁厚在线检测.构建多通道超声波检测装置,开发具有多通道数据采集、信号处理、壁厚识别和壁厚输出功能的检测软件,实现吹塑过程中制品壁厚的模内在线检测.(3)自整定模糊高阶PD型迭代学习控制算法设计.结合模糊算法和迭代学习控制算法,提出一种自整定模糊高阶PD型迭代学习控制算法,其在迭代学习的基础上增加一个自整定模糊高阶PD型控制器,充分发挥迭代学习控制和模糊控制的优点,既提高鲁棒性又保证精度.2高性能低能耗设备与关键技术的开发在上述研究取得的理论成果的基础上,本课题组经过大量的试验,成功研制了多种具有自主知识产权的吹塑设备和关键技术.下面介绍其中的4种.2.1风动力牵引三维吹塑设备的基本性能为解决采用常规吹塑技术成型弯曲状管件时产生大量飞边和夹坯缝等问题,研制成功了风动力牵引三维吹塑设备与技术.该设备由型坯成型与控制装置、风动力产生与控制装置和模具构成.成型过程简述如下:挤出机把聚合物熔体泵入机头内,两半模具合上,同时上、下嵌块打开形成一个上下连通的模具型腔;启动气泵,空气经阀门和气体比例阀进入风环,经稳定后的气流通过风环的环形通道后进入模腔;挤出型坯,并同时启动气泵,空气经阀门后进入型坯内;型坯在气流的牵引力作用下沿弯曲的模腔向下移动,当型坯末端到达预定位置时,光电传感器发出信号使下嵌块合上,封住型坯下端口,上嵌块合上并封住型坯上端口,接着注入压缩空气,使型坯吹胀而贴紧模腔,并在模具内得到冷却,最终成型为三维弯曲状管件(见图5).对图5所示外径、投影宽度和投影长度分别为36、240和420mm的三维弯管,风动力牵引三维吹塑与常规吹塑设备的主要技术指标比较见表1.该三维吹塑设备的先进性和创新性体现在3个方面.(1)结构简单、紧凑.该设备主要利用风动力产生与控制装置形成的气流牵引着型坯,并借助在模腔与型坯之间形成的气垫,使型坯“悬浮”在该气垫上沿弯曲的模腔移动而成型为几乎无飞边的三维弯管,设备结构较简单、制造成本较低,便于推广应用.(2)节材降耗.合模时仅在型坯两端夹坯,故可大幅度减少飞边量(比常规吹塑减少20%～90%,对图5所示弯管约减少89%),提高材料利用率,减小除飞边和飞边破碎回收等的加工量;成型相似的三维弯管时,可采用明显较小的挤出机和型坯机头(见表1),模具夹坯口刃短,明显降低锁模力.这样,可大幅度降低加工能耗(对图5所示弯管,单件制品加工能耗降低约53%).(3)制品性能高.型坯进入模腔后,其外表面与模腔表面不会过早地接触,这可避免型坯发生凹陷变形,使制品周向壁厚分布较均匀;尤其是由于制品轴向上不形成夹坯缝,可明显提高其力学性能和使用寿命,使该设备特别适于生产受压的三维弯管(如汽车进气和排气管件等);对内部有流体流动的弯管,轴向无夹坯缝还可避免流动不稳定等现象;飞边量少使回收料加入量少,也可提高制品的性能.2.2吹塑制品壁厚的智能化控制长期以来依靠操作人员的经验通过“试错法”来调控吹塑制品的壁厚和性能,这与快速发展的吹塑技术很不相称,更难适应大型、复杂吹塑对制品尺寸和性能所提出的高要求.为此,在上述吹塑制品壁厚控制策略研究的基础上,研制成功了吹塑制品壁厚智能化控制系统,其硬件包括模内制品壁厚超声波在线检测、工控处理和模口间隙控制3个模块,控制流程见文献.以一轴对称吹塑制品(其目标壁厚为1.3mm)为控制对象,控制前后制品的剖面照片如图6所示.由图6可见,控制前制品的壁厚分布明显不均匀,经迭代控制后壁厚分布均匀性明显提高(实测值为(1.3±0.1)mm).还以图5所示三维弯管轴向的平均周向壁厚作为控制目标,进行了离线控制,经1次和5次迭代后吹塑三维弯管的轴向壁厚分布如图7所示.由图7可见,经5次迭代后,弯管轴向14个位置的壁厚完全落入预定的目标壁厚范围[1.9,2.1].所研制的吹塑制品壁厚智能化控制系统和方法具有如下的先进性和创新性.(1)实时测量反馈调节控制,降低材料消耗,提高制品性能.本控制系统通过反馈调节控制机头模口间隙曲线,实现对吹塑制品壁厚的智能化控制,克服了因各种内部参数变化和外部干扰导致的制品壁厚偏差,明显缩短了获得预定壁厚分布的时间,降低了材料消耗和成型废品率,显著提高了制品性能.(2)保证制品壁厚和性能的一致性.吹塑制品壁厚和性能的传统控制采用抽样检查法;本控制系统对制品壁厚进行在线检测,可实现全检测,在线检测的壁厚数据可用于制品性能的控制,从而保证制品壁厚和性能的一致性.(3)操作简单,实现容易,成本较低.2.3全电驱动替代液压驱动的必要性传统的吹塑开合模和移模系统以及机头模口间隙调节系统由液压驱动,存在能耗高、环境不友好等缺点.因此,全电驱动替代液压驱动成为必然趋势,以适应如今全球低碳、环保、节能、减排的要求.2.3.1和移模的能耗经过反复研究,研制成功了全电动开合模和移模系统,其先进性和创新性主要体现在两方面.(1)单电机驱动,具备双传动功能.解决了开合模和移模因共用一台伺服电机带来的难点,有效地耦合开合模、移模和调模这三种功能之间的关系,采用一台伺服电机完成开合模和移模的整个流程,与现有的双电机开合模和移模系统相比,明显降低了成本.(2)大幅度降低能耗.经实测和分析,其实际能耗低于液压驱动的同规格开合模和移模系统能耗的1/10,因而可由小功率伺服电机驱动.原因是:①从能量转换和传递方面看,液压驱动系统一般需经过“电能-机械能-液压能-机械能”的能量转换过程,能量传递路径长,且在传递过程中存在功率、压力和流量损失,系统的总效率低,全电驱动系统只需经过“电能-机械能”一次能量转换,能量传递路径短,效率明显较高;②从成型过程中负载分布方面看,液压驱动开合模系统的能耗主要用在合模后的型坯吹胀和制品冷却阶段,其时间较长,电驱动开合模系统的能耗主要用于合模与开模,此时主要克服摩擦阻力,由于采用具有自锁特性的肘杆机构,在其撑直锁模后电机即停止运转,因此在型坯吹胀和制品冷却阶段并不消耗能量.2.3.2模口间隙电机控制系统性能分析所研制的吹塑型坯机头模口间隙电动调节系统见文献.该系统采用两台普通三相异步电机代替伺服电机,并通过离合器换向装置控制滚珠丝杆副的运动方向.控制过程为:控制器接收壁厚调节开始信号,从编码器读取机头芯棒的当前位置;由当前目标位置结合输出状态计算一个动作步长后的目标位置,将计算位置与目标曲线进行对比并计算误差,当误差超过所设定的允许误差时,改变输出状态,反之则保持当前输出状态并进入下一循环;当控制器接收壁厚调节结束信号时,制动离合器锁定,控制循环终止.该模口间隙电动调节系统具有如下的先进性和创新性.(1)结构紧凑,工作可靠,对电机的要求低.采用两台低功率的普通电机驱动,避免了现有技术中要求电机既响应快速又有较高负载能力的问题;采用离合器和联轴器等紧凑可靠、冲击较小的连接方式,而不需采用齿轮和链轮等在往复运动中可能出现间隙和冲击的传动机构;与现有同等规格吹塑设备的机头模口间隙电动调节系统相比,本系统能耗降低可达60%.(2)响应迅速,适于复杂制品成型.离合器的吸合和释放时间很短,在一个型坯成型周期中,可多次对模口间隙进行调节,适于壁厚分布较复杂制品的成型.包含上述全电动开合模和移模系统及模口间隙电动调节系统的全电动吹塑设备的能耗比同等规格普通吹塑设备的降低45%～55%.2.4系统的设计方法吹塑过程中模具的温度一般