熱壓機(jī)壓頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及傳熱性能

分析研究答辯學(xué)生：NortheastDianliUniversityMechanicalEngineeringCollege目錄CONTENTS研究意義與思路設(shè)計(jì)過程總結(jié)展望有限元傳熱分析12342研究意義與思路PARTONE31研究的意義與思路

課題選用聚合物微結(jié)構(gòu)熱壓成型機(jī)進(jìn)行研究，技術(shù)其制造周期短、方法簡易，聚合物微流控芯片已經(jīng)廣泛被使用，因此具有分析與研究的價(jià)值。本次設(shè)計(jì)從機(jī)械能力與熱傳遞能力依次分析熱壓頭性能特點(diǎn)。熱壓機(jī)是一種在加壓過程的同時(shí)給制件加熱使之膠合、塑化、固化或硫化成型的一種機(jī)器。因此，它不但有壓力機(jī)的壓力系統(tǒng)和主體結(jié)構(gòu)，而且增加了熱壓機(jī)所特有的加熱和冷卻系統(tǒng)。

ge四柱式熱壓機(jī)4PARTTWO2設(shè)計(jì)過程52設(shè)計(jì)過程

如左側(cè)圖片為簡單設(shè)計(jì)的包括熱壓頭的熱壓機(jī)模型，其主要的兩大部分組成是熱壓機(jī)主體及控制機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。液壓機(jī)主體部分包括液壓缸、活動(dòng)橫梁、立柱、上下工作橫梁、上下熱壓頭等結(jié)構(gòu)組成。該結(jié)構(gòu)采用四柱三板式，活動(dòng)板的垂直精度由四組控制精密的導(dǎo)套來實(shí)現(xiàn)。在所敘述的立式四柱熱壓機(jī)中,液壓缸固定在上橫梁上,柱塞與活動(dòng)梁剛性連接?；顒?dòng)梁由柱引導(dǎo),在工作流體的壓力下上下移動(dòng)。本文主要是對(duì)機(jī)械主機(jī)本體中熱壓機(jī)壓頭進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，不包括液壓系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)，所以不分析液壓系統(tǒng)。

62設(shè)計(jì)過程

熱壓頭是熱壓機(jī)中控制溫度的重要零部件之一，熱壓頭的表面精度、強(qiáng)度以及里面加熱通道的安放會(huì)影響溫度場的分布和熱介質(zhì)的流動(dòng)，進(jìn)而影響所加工聚合物的品質(zhì)。熱壓頭通過剛性連接固定在熱壓機(jī)的移動(dòng)板上，通過立柱的導(dǎo)向作用上下移動(dòng)來對(duì)聚合物進(jìn)行熱壓過程。熱壓頭的結(jié)構(gòu)一般包括下加熱板、加熱片、連接板組、固定板組以及水箱。下面對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

熱壓頭模型及結(jié)構(gòu)圖7

加熱板：熱壓機(jī)下板，對(duì)目標(biāo)聚合物進(jìn)行熱壓成型的接觸板，一般采用合金結(jié)構(gòu)鋼制成。加熱板表面設(shè)計(jì)成加熱孔道。2設(shè)計(jì)過程熱壓頭加熱板模型8加熱片：加熱片是一種電子元件，通常利用電阻絲來加熱，其作為熱壓頭唯一的加熱件被水箱固定在加熱板的上方。2設(shè)計(jì)過程加熱片模型及結(jié)構(gòu)圖9

連接板：熱壓頭的中間及兩側(cè)板用于連接與固定整個(gè)熱壓機(jī)壓頭結(jié)構(gòu)，整個(gè)連接板截面呈現(xiàn)“工”字型形狀。這種“工”字型連接板需要至少三塊平面板，中間一塊板起支撐作用，另兩塊中間開孔使用緊固螺栓將其與中間板固定住。2設(shè)計(jì)過程連接板模型圖10

水箱：在熱壓機(jī)壓頭兩側(cè)處分別放置水箱，將其置于發(fā)熱片上方將其固定，主要作用是將加熱的熱量進(jìn)行保溫，結(jié)構(gòu)類似于階梯狀，中空結(jié)構(gòu)，用于加注水、油等液體進(jìn)行熱量的保存。內(nèi)部要求熱損耗小保溫效果好，上下部分用螺釘連接緊固，方便安裝與拆卸用于檢修與維護(hù)并更換水箱中的液體。2設(shè)計(jì)過程水箱模型圖11PARTTHREE3.有限元傳熱分析123.1有限元簡介

ANSYS軟件通用有限元分析軟件，是融機(jī)構(gòu)、液流體、電磁場分析于一體的有限元分析軟件。ANSYS具有以下特點(diǎn)：使用方便，滿足各種工程要求；不僅可以進(jìn)行線性分析，而且可以進(jìn)行非線性分析。本文用ANSYSWorkbench分析軟件來研究微型管道的熱壓機(jī)壓頭的熱傳遞過程，對(duì)熱壓頭進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得出熱壓頭加熱過程中的溫度變化，驗(yàn)證溫度對(duì)熱壓頭的影響，對(duì)熱壓頭進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)與幫助。由于熱壓機(jī)壓頭一系列傳熱過程與時(shí)間有關(guān)，我們選擇瞬態(tài)熱分析進(jìn)行熱壓頭的分析。Workbench主界面13

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加載和求解施加初始邊界條件與系統(tǒng)溫度最后求解3.1ANSYSWorkbench熱分析過程前處理在三維畫圖軟件中創(chuàng)建模型并建立網(wǎng)格后處理加載出結(jié)果云圖Workbench主要有三個(gè)過程：

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143.2Workbench材料參數(shù)的確定要進(jìn)行workbench分析首先確立參數(shù)153.3建模與劃分網(wǎng)格

為了分析系統(tǒng)的熱特性，首先需要建立系統(tǒng)的三維實(shí)體模型。

在熱分析之前先對(duì)熱壓機(jī)壓頭的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格化的有限元模型。163.4建立初始條件初始條件3.5建立分析過程分析過程173.6熱流過程熱流過程：對(duì)熱壓頭上表面進(jìn)行加熱3.7熱流過程保溫過程：熱壓頭整體溫度保持不變183.8對(duì)流過程對(duì)流過程：目的是為了溫度逐漸下降193.9后處理結(jié)果熱分析結(jié)果云圖時(shí)間分布結(jié)果203.9后處理結(jié)果隨著時(shí)間的變化，熱壓頭各個(gè)位置溫度的大小213.9后處理結(jié)果保溫過程冷卻過程223.9后處理結(jié)果視頻233.9后處理結(jié)果熱壓頭最大溫度熱壓頭最小溫度243.9后處理結(jié)果

從變化曲線圖中可以看到最大溫度從室溫22℃開始逐漸升溫直達(dá)140℃后溫度保持不變一段時(shí)間最后下降為室溫，這與我們的預(yù)計(jì)結(jié)果類似，但這時(shí)再看最小溫度當(dāng)其溫度上升到80℃左右時(shí)有一個(gè)溫度突變區(qū)溫度在很短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)120℃，這是因?yàn)橐婚_始導(dǎo)入Workbench中的熱壓頭三維模型是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)也就是說它并沒有下加熱板、中間板等機(jī)械部分組成。當(dāng)我們將熱流加到加熱板上表面時(shí)，這個(gè)表面溫度就是最大溫度，而因?yàn)闊醾鬟f的原因壓頭的頂端溫度最低，這兩者之間始終存在溫度差，而給出的條件是讓壓頭在某一時(shí)刻溫度相等，因此便出現(xiàn)了溫度突變的現(xiàn)象?？梢钥闯鲈谕蛔兒笞畲鬁囟扰c最小溫度的變化曲線基本相似。為此必須在做一組分析。

253.10新建模型3.11參數(shù)設(shè)定263.12后處理結(jié)果

云圖中對(duì)于熱壓頭的熱傳遞研究可以直觀的看出每一時(shí)刻的溫度變化及數(shù)值大小，且熱壓頭溫度上升，在緩慢下降且溫度沒有突變的過程，符合加熱的規(guī)律。273.12后處理結(jié)果視頻284總結(jié)展望

雖然本文提出了一種聚合物微通道熱壓機(jī)，并設(shè)計(jì)了熱壓壓頭主體結(jié)構(gòu)并且對(duì)其進(jìn)行了一些熱量分析，但論文還是存在錯(cuò)誤與不合理的地方由于能力有限在熱壓機(jī)壓頭主體結(jié)構(gòu)傳熱性能分析過程中，只考慮了瞬態(tài)熱