橡胶制品挤出口模的数字化设计方法.pdf

本发明公开了一种橡胶制品挤出口模的数字化设计方法，在原来试差法的口模设计和口模加工之间增加了三个步骤，即口模的计算机辅助工程分析、判断分析结果是否满足设计要求、和修正口模设计三个步骤。口模的计算机辅助工程分析是本发明的关键步骤，主要包括：选择合适的熔体本构方程，根据橡胶材料的流变实验拟合得到本构方程中的参数；利用计算机辅助设计技术建立几何模型，进行网格划分，确定边界条件；选择有限元数值方法和计算参数，进行求解计算，把计算结果进行变形和应力分析，判断所求口模形状是否满足设计要求。这样，口模的设计是在有限元的环境下完成的，可减少口模的修正次数，提高橡胶制品的成品率，同时，不依赖于经验进行橡胶制品挤出口模的设计。

1.  橡胶制品挤出口模的数字化设计方法，其特征在于比原来试差法的口模设计和口模加工之间增加了三个步骤，即口模的计算机辅助工程分析、判断分析结果是否满足设计要求和修正口模设计三个步骤，其中口模的计算机辅助工程分析包括七个步骤，依次是设置数学模型参数，先根据橡胶材料的流变特性，选择合适的流体本构方程，再根据橡胶材料的流变实验拟合得到本构方程中的参数；利用计算机辅助设计技术根据产品的设计图纸建立几何模型；建立物理模型，把几何模型导入有限元界面中，进行网格划分，确定边界条件类型；选择合适的有限元数值方法和计算参数，进行求解计算；把计算结果进行后处理分析，进行变形分析、应力分析；判断所求口模形状是否满足要求；进行计算参数修正。

2.  如权利要求1所述的橡胶制品挤出口模的数字化设计方法，其特征在于口模形状不包含因挤出膨胀和牵引力引起的变形或包含因挤出膨胀和牵引力引起的变形。

橡胶制品挤出口模的数字化设计方法
技术领域：
本发明提供一种模具的设计方法，特别涉及橡胶制品挤出口模的数字化设计方法。
背景技术：
现有技术中，橡胶制品挤出口模的设计加工采用的是试差法(见图1)，有以下几个步骤组成：口模设计(S1)、口模加工(S2)、产品试制(S3)、检验产品形状是否符合设计要求(S4)、修正口模(S5)。由于S1是凭经验进行的，从S3到S5需要多次反复，因此产品试制时间过长、成本较高；S1的不合理还会造成生产成品率难以提高。
1997年西峰尚秀等人用有限元法(FEM)进行塑料制品的热收缩变形模拟，发明了在树脂充分冷却前从金属模具中取出的树脂制容器的金属模具设计方法(中国专利申请号：97190340.9)。此技术仅考虑材质的热传导率和线膨胀系数等参数，主要用于塑料制品吹塑成型工艺分析。由于此技术没有涉及出口胀大和璧面滑移等挤出特性，因而不能用来分析橡胶制品的挤出成型工艺分析。
2002年高桥昌平用计算机辅助设计(CAD)技术开发了一种模具部件设计辅助方法(中国专利申请号：02140024.5)，供给模具本体和模附属部件等的专业厂商的标准部件数据内置在模具设计辅助系统中，作为具有基于专业厂商的加工标准(尺寸、材质、加工方法等)的各种属性的形状符号。此技术用CAD中间文件供给设计数据，选择可使用的模具本体和模部件。此技术是CAD技术应用的一个特例，没有涉及橡胶制品的挤出口模设计。
发明内容：
本发明是鉴于现有技术存在的问题与不足而做出的，其目的是提供一种橡胶制品挤出模的设计方法，用该方法制造的制品形状，具有补偿因挤出变形而产生的畸变形状。本发明的另一目的是提供不依靠经验进行挤出口模设计的模具设计方法。
本发明基于计算机辅助设计(以下简称CAD)和计算机辅助工程(以下简称CAE)技术，根据橡胶制品挤出成型的特点，提出了一种全新的模具数字化设计方法，得到所要求的制品外形同时获得内部结构合理的高性能制品。与原有技术相比，增加了口模的计算机辅助工程分析，把CAD/CAE技术融合在一起。
为更好地理解本发明的技术方案，对具体的实施方案作进一步描述：
图1是采用试差法对橡胶制品挤出口模进行设计的过程，一共有5个步骤，即口模设计(S1)、口模加工(S2)、产品试制(S3)、检验产品形状是否符合设计要求(S4)和修正口模(S5)。图2为本发明的橡胶制品模具的数字化设计过程，与图1所示的试差法相比，在S1和S2之间增加了口模CAE分析(S6)-判断分析结果是否满足设计要求(S7)-修正口模设计(S8)三个步骤，其中S6是本发明的关键步骤。S6可用图3来具体描述，主要包括7个步骤，依次为：设置数学模型参数(S61)，先根据橡胶材料的流变特性，选择合适的流体本构方程，再根据橡胶材料的流变实验拟合得到本构方程中的参数；利用CAD技术根据产品的设计图纸建立几何模型(S62)；建立物理模型(S63)，把几何模型导入FEM界面中，进行网格划分，确定边界条件类型；求解计算(S64)，选择合适的有限元数值方法和计算参数，进行求解计算；结果分析(S65)，把计算结果进行后处理分析，可进行变形分析、应力分析；在S65的基础上进行分析，判断所求口模形状是否满足要求(S66)，如果满足要求计算结束；如果不满足要求，进行计算参数修正(S67)，重复S64-S66，直到满足设计要求。
采用本发明不仅可以缩短新产品开发周期，降低生产成本，而且可以优化挤出生产工艺，提升产品性能与质量。本发明可用于橡胶制品的新产品研发，也可用于现有产品性能的改进，找到产品在加工过程中存在缺陷的原因，提出改进结构设计与加工工艺的措施，是一种有效和快捷的挤出口模的设计方法。
附图说明：
图1为橡胶制品挤出口模试差法设计过程流程图
图2为橡胶制品挤出口模的数字化设计过程流程图
图3为橡胶制品挤出口模的CAE分析过程流程图
图4为说明橡胶制品二维几何模型的图
图5为说明三维有限元分析模型和边界条件的图
图6为根据挤出口模预测的挤出物形状图
图7为根据产品形状设计的模具形状图
具体实施方式：
通过下面实施例，以进一步说明本发明实质性特点和显著进步，但不限制本
发明的范围。
实施例1
参照图3说明本发明根据模具的几何形状来计算挤出物的形状，确定挤出物的变形规律。
1建立数学模型(S61)
通常橡胶熔体可以简化为粘弹性不可压缩流体，其流动控制方程可表示为
质量守恒方程：
·v＝0
动量守恒方程：
Re dv dt = - ▿ · p + ▿ · τ + f ]]>
其中v是速度，Re是Reynolds准数，p为压力，f为体积力，τ为粘弹性流体流动时的偏应力。
流体本构方程
橡胶熔体可以用微分型粘弹性本构方程Phan-Thien-Tanner(PTT)模型表示，PTT模型是从网络理论推导出来的，它同时包含两个非线性项：F_c(τ，D)和F_d(τ)。
F_c(τ，D)＝ξ(D·τ·D^T)
式中，D为形变速率张量，可表示为 D = 1 2 ( L + L T ) , ]]>L为速度梯度张量，可表示为L＝v。
F_c的引入能够描述聚合物熔体的非仿射形变，式中0 ≤ξ≤2对大分子线团的滑移程度有影响，能够导致熔体剪切变稀，ξ＝0和ξ＝2分别表示上随体和下随体导数，而ξ＝1则为共传导数。
F_d(τ)与熔体线团的产生和解缠的速率有关，它有两种形式：
PTTa : F d ( τ ) = e ϵ G tr ( τ ) ]]>
PTTb : F d ( τ ) = 1 + ϵ G tr ( τ ) ]]>
式中ε主要对稳态拉伸有影响，导致拉伸粘度地减小。PTTa和PTTb的差别在于PTTa能够预测拉伸速率下熔体的拉伸变稀特性，而PTTb只能得到一无穷拉伸粘度的平台。
2建立口模的几何模型(S62)
由于产品的横截面形状比较复杂，首先利用CAD建立二维几何模型。图4为橡胶制品的二维CAD几何模型。
3建立物理模型，进行网格划分，设置边界条件(S63)
把二维CAD几何模型导入有限元中，进行有限元网格划分，得到三维有限元分析模型，如图5所示。分析模型分两个区域：SD1为挤出口模区域，SD2为挤出物区域。
在分析中，设置四类边界条件：
第一个边界条件为入口流量，假设口模入口处为充分发展流动，如
Q₀＝5000m³/s。
第二个边界条件为挤出口模壁面，假设表面无滑移，所以可设为：法向速度v_n＝0和切向速度v_s＝0。
第三个边界条件为挤出物自由表面，满足v·n＝0，其中n是表面法向矢量。
第四个边界条件为出口，对于粘弹性流体，可设定为法向力f_n＝0和切向力f_s＝0，也可以加上一个拉伸速度，如v_x＝0，v_y＝0和v_z＝58m/s。
5模型求解(S64)
求解区域内的数值模拟采用有限元数值方法进行，采用Galerkin修正方法。计算参数采用进化算法(Evolution)以解决自由表面引起的非线性问题。
6计算结果分析(S65)
图6为根据挤出口模预测的挤出物形状，挤出物在拉伸作用下，其形状大小比挤出口模的形状要小。
实施例2
参照图3说明本发明根据所期望的挤出物的形状(即制品形状)来计算模具的几何构型。
根据挤出物的形状来计算模具的几何形状，其计算过程与实施例1基本相同，实施例1的计算步骤为S61-S65，实施例2的计算步骤增加了S66和S67。计算步骤S66为根据计算结果判断所求口模形状是否满足设计要求，如果满足要求计算结束，如果不满足，则修正计算参数(S67)，重复S65，直到满足设计要求。图7为根据挤出物形状计算出的模具形状。
由于实施例2和实施例1的计算目的不同，因而他们的网格重置区域不同，区域设置见图5。
(1)在实施例1中，根据挤出口模预测挤出物形状，口模区域的位置是确定的，挤出物区域的位置是不确定的，因此只对挤出物区域进行网格重置。
(2)在实施例2中，根据挤出物的形状来计算模具的几何形状，由于口模和挤出物的位置均不确定，因此需要对挤出物区域和口模区域两个区域进行网格重置。
实施例3
图3中的设置数学模型参数(S61)说明不同橡胶材料的本构模型参数的确定方法。
为了确定本构模型参数，需要进行下列流变实验：
(1)毛细管流变仪实验：用来确定高剪切速率范围内剪切速率与粘度的关系；
(2)旋转流变仪实验：用来确定低剪切速率范围内剪切速率与粘度的关系；
把橡胶材料的流变实验数据进行参数拟合就可得到本构模型中的参数。表1为三元乙丙橡胶(EPDM)和丁苯橡胶(SBR)的PTT模型的材料参数，利用此参数可以进行橡胶挤出过程的模拟计算。图6和图7是利用PTT模型根据表1的EPDM的材料参数得到的计算结果。
                      表1