基于流固耦合的衣架型模头多目标优化设计

论文摘要

衣架型模头是锂电池隔膜生产线中的关键设备—挤出机的成型部件,作用是使得来自挤出机的熔体聚合物在模头型腔内得到良好的流动分布,从而控制隔膜铸片挤出时的速度和成型厚度的均匀性,其内部流道设计的好坏也直接影响隔膜产品的生产效率和质量水平。本文针对当下模头设计过程中较少考虑流固耦合、数值模拟较多但实验验证较少、优化理论的系统性不够等问题,进行基于流固耦合变形和多目标优化的仿真和算法研究及相关实验论证,以设计出最优的模头结构和工艺参数为目标,从而保证出膜产品的质量。根据现场实物测绘和文献调研的数据公式推导,基于平均滞留时间相同和剪切速率相同两种设计准则,建立衣架型模头内流道的三维参数化模型。同时运用专业的流场分析软件Fluent对两种准则下的模型进行聚合物挤出过程对比仿真,对仿真结果进行压力场和速度场的定性和定量分析。采用相似理论进行实验设计,利用美国TA旋转流变仪测量实验用流体HPMC的流变参数,同时运用PIV技术非接触测量聚合物熔体在模具内的流速分布,通过对比仿真和实验条件下出口中心线上的流速分布数据(CV%),吻合情况较好,以此来验证数值模型的正确性。模头出口处固体壁面变形对于松弛区夹缝的宽度均匀性影响很大,基于流固耦合分析,探讨了矩形、梯形和曲形模头的变形规律。以出口流速变异系数、全程平均压降、松弛区差异变形量为优化目标,运用正交设计方法,对5个初始变量进行筛选并确定变量优化区间。DOE设计了38种参数组合方案,以响应面技术拟合模型并创建目标优化函数,利用多目标遗传算法在变量空间内对拟合模型进行全局寻优。本文所运用的优化体系及总结的相关规律,对于类似产品的结构设计以及开发流程、寻优算法的研究都具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 衣架型模头产品介绍
•     1.1.1 工程应用背景
•     1.1.2 课题研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 模头流道设计不考虑流固耦合分析时国内外研究现状
•     1.2.2 模头流道设计考虑流固耦合分析时国内外研究现状
•     1.2.3 模头流道设计的优化方法国内外研究现状
•     1.2.4 研究现状总结
•   1.3 本文主要研究内容
•     1.3.1 研究目标
•     1.3.2 研究内容
•     1.3.3 技术路线
• 2 衣架型模头流道结构设计及数值仿真分析
•   2.1 模头内流动的数学模型
•     2.1.1 基本假设
•     2.1.2 数学方程
•   2.2 基于流变学的流道设计
•     2.2.1 基于平均滞留时间相同的设计准则
•     2.2.2 基于剪切速率与压降相同的设计准则
•   2.3 数值仿真前处理
•     2.3.1 定义材料属性
•     2.3.2 网格划分及边界条件设置
•   2.4 仿真结果分析
•     2.4.1 平均滞留时间相同设计准则下的模型分析
•     2.4.2 剪切速率相同设计准则下的模型分析
•   2.5 本章小结
• 3 衣架型模头内流动情况的实验验证
•   3.1 实验设计思路
•     3.1.1 模型相似理论
•     3.1.2 PIV粒子测速技术
•   3.2 实验器材
•     3.2.1 PIV粒子测速系统
•     3.2.2 抽液泵
•     3.2.3 衣架型模头
•   3.3 液体实验物料
•     3.3.1 羟丙基甲基纤维素（HPMC）介绍
•     3.3.2 羟丙基甲基纤维素流变参数测定
•   3.4 实验数据采集
•     3.4.1 总实验系统搭建
•     3.4.2 实验流程
•   3.5 实验结果论证
•     3.5.1 实验结果
•     3.5.2 误差分析
•   3.6 本章小结
• 4 衣架型模头的流固耦合分析
•   4.1 流固耦合分析的研究思路
•   4.2 模型前处理
•     4.2.1 几何模型
•     4.2.2 网格和边界条件
•     4.2.3 材料物性参数
•   4.3 模具流固耦合变形分析
•     4.3.1 矩形壁面变形结果
•     4.3.2 梯形壁面变形结果
•     4.3.3 曲形壁面变形结果
•   4.4 本章小结
• 5 衣架型模头的参数优化设计
•   5.1 衣架型模头的正交设计
•     5.1.1 正交设计原理
•     5.1.2 模头优化目标和优化参数选择
•     5.1.3 正交设计结果分析
•   5.2 响应面优化设计方法及模型分析
•     5.2.1 DOE组合试验设计
•     5.2.2 响应面建模分析
•   5.3 多目标遗传算法
•     5.3.1 多目标遗传算法介绍
•     5.3.2 建立多目标优化方程
•     5.3.3 遗传算法的操作及算子设计
•     5.3.4 结果与分析
•   5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王晨语

导师: 张宏

关键词: 衣架型模头,实验,流固耦合,响应面,多目标优化

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,电力工业

单位: 大连理工大学

分类号: TM912;O224

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.002220

总页数: 91

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