带把手HDPE油桶挤出吹塑型坯壁厚的数值模拟优化_刘沙粒

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1、合 成 树 脂 及 塑 料，2013，30（1）：64加工与应用CHINASYNTHETICRESINANDPLASTICS带把手HDPE油桶挤出吹塑型坯壁厚的数值模拟优化11*1221刘沙粒，彭 炯，李 静，张 丁，于 涛，陈晋南（1.北京理工大学化工与环境学院，北京市100081；2.中国石油化工股份有限公司燕山分公司树脂应用研究所，北京市102400）摘 要：使用计算流体力学软件（POLYFLOW），在温度和吹气压力相同的条件下，分别数值模拟了均一壁厚初始型坯和优化的非均一壁厚初始型坯挤出吹塑高密度聚乙烯（HDPE

2、）带把手油桶的过程。用POLYFLOW软件中的型坯控制程序，将初始型坯分成10段，通过控制这10段型坯的厚度来控制吹塑制品的壁厚。结果表明：均一壁厚5.0mm的初始型坯经过吹胀阶段后，油桶大部分壁厚都小于3.0mm；使用POLYFLOW后处理程序对油桶型坯6次优化后，吹塑制品壁厚均大于3.0mm，且在第4次优化的基础上将油桶质量从646.89g降至642.68g。关键词：高密度聚乙烯数值模拟挤出吹塑油桶优化+中图分类号：TQ325.12；TQ320.5文献标识码：B文章编号：1002-1396（2013）01-0064-

3、04挤出吹塑成型起源于20世纪30年代，经过几十145.0mm。模具是开合结构的，型坯置于模具中年的发展，目前已成为第三大塑料成型方法。中空间，模具距离原点100.0mm。由于壁厚尺寸比其他吹塑制品按用途可分为包装容器（如瓶、桶、罐等）三维尺寸小2~3个数量级，所以采用shell模型，即和工业制件（如汽车零件、家用电器配件、办公用用面网格代替体网格；又由于型坯和模具结构对[1][2]品等）两大类。2003年，Gauvin等结合性能优化和称，所以只需要计算一半的型坯和模具，可节省计工艺优化的方法，在吹塑制品能够承受适当应力

4、的算时间。型坯和模具结构如图2所示。[3]情况下，减少制品质量以降低成本。2008年，Attar等ćĈ运用K-BKZ本构方程，数值模拟挤出吹塑高密度聚乙烯（HDPE）哑铃的过程，改变工艺参数优化[4]哑铃壁厚和质量。2010年，王海民数值模拟了二维挤出吹塑HDPE油箱的吹胀过程。在吹塑过程中，初始为圆柱形的型坯不容易[5]形成把手，鲜见数值模拟研究挤出吹塑带把手油桶过程的报道。本工作使用计算流体力学软件ćĈ（POLYFLOW），在吹气压力和温度恒定的条件图1油桶几何模型下，数值模拟挤出吹塑带把手HDPE油桶的过程。Fig

5、.1Geometricmodeloftheoildrum通过多次优化型坯壁厚，使油桶壁最薄处的厚度大于设计值。收稿日期：2012-07-31。1数学物理模型和数值计算方法修回日期：2012-10-29。根据某公司提供的油桶模型尺寸建立了油作者简介：刘沙粒，1988年生，硕士，2012年毕业于北京理工大学化学工程桶的三维立体图（见图1）。挤出吹塑中空制品过专业，现从事催化剂研究工作。E-mail：程包括型坯成型、型坯吹胀和冷却固化3个阶段。shali880422@163.com。本工作主要研究型坯的吹胀阶段。初始型坯壁厚*

6、通讯联系人。E-mail：jiongpeng@163.为5.0mm，型坯底面中心与原点重合，型坯直径为com；联系电话：（010）68918603。第1期刘沙粒等.带把手HDPE油桶挤出吹塑型坯壁厚的数值模拟优化.65.表1190℃时HDPE的松弛时间谱Tab.1RelaxationspectrumfortheHDPEat190℃℃运动模式λk/sηk/(Pa·s)10.01001529.48ۀۋഴХ20.06313192.9630.39817498.1042.51209921.83515.85003314.006100

7、.000015215.60使用POLYFLOW软件包数值求解式（1）~式（4）。HDPE熔体流场中的压力采用常数插值求图2型坯和模具结构解，速度采用线性插值求解，壁厚采用常数插值Fig.2Geometricconfigurationoftheparisonandmould-3求解，数值计算的收敛精度为10，采用隐式欧拉考虑到挤出吹塑过程的实际工艺条件和聚合法迭代求解离散的控制方程。在等温和相同吹气物熔体的流变特性，假设：1）在吹胀过程中聚合压力下，分别数值模拟了均一壁厚初始型坯和优物熔体为等温流动；2）考虑到吹胀时间短，

8、重力化的非均一壁厚初始型坯挤出吹塑HDPE油桶的的影响可以忽略；3）吹胀过程中，型坯与模具接过程。触表面无滑移；4）初始型坯各处壁厚相等。由于模具的结构复杂，拐角和把手处曲率以此为基础，建立描述吹胀过程中HDPE流动大，因此，采用三角形和四边形网格划分模具，在[5-6]的控制方程[见式（1）~式（4）]。拐角和把手处