大型鋼塑儲罐滾塑設(shè)備搖擺系統(tǒng)動力學(xué)及模具傳熱過程深度剖析一、緒論1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，塑料制品憑借其質(zhì)輕、耐腐蝕、成本低等諸多優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，如化工、建筑、汽車、食品、醫(yī)療等。塑料成型工藝作為塑料制品生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和生產(chǎn)效率起著決定性作用。在眾多的塑料成型工藝中，滾塑技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢，逐漸成為塑料加工行業(yè)中不可或缺的一部分。滾塑，又稱旋轉(zhuǎn)成型、回轉(zhuǎn)成型，是一種熱塑性塑料中空成型方法。其基本原理是將塑料原料加入模具中，然后模具沿兩垂直軸不斷旋轉(zhuǎn)并加熱，模內(nèi)的塑料原料在重力和熱能的作用下，逐漸均勻地涂布、熔融并粘附于模腔的整個(gè)表面上，成型為所需要的形狀，再經(jīng)冷卻定型而成制品。滾塑工藝具有諸多顯著優(yōu)點(diǎn)，使其在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景。首先，滾塑工藝能夠制造大型及特大型制件，這是許多其他塑料成型工藝難以實(shí)現(xiàn)的。由于旋轉(zhuǎn)成型工藝只要求機(jī)架的強(qiáng)度足以支撐物料、模具及機(jī)架自身的重量以及防止物料泄露的閉模力，因此即使加工大型及特大型塑料制件，也無需使用十分笨重的設(shè)備及模具，從理論上講，用旋轉(zhuǎn)成型工藝制成的制品，在尺寸上幾乎沒有上限。其次，滾塑工藝適合于多品種、小批量塑料制品的生產(chǎn)。滾塑成型用的模具結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，因而變換產(chǎn)品十分方便。此外，滾塑工藝還可以生產(chǎn)形狀復(fù)雜的大型中空制品，這是其它成型工藝無法比擬的優(yōu)勢。滾塑制品的壁厚可以自由調(diào)整（2毫米以上），無需調(diào)整模具，并且可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品邊緣的厚度超過5毫米，解決中空產(chǎn)品邊緣強(qiáng)度不足的問題。同時(shí)，滾塑工藝還能夠生產(chǎn)全封閉產(chǎn)品，滿足特定需求，并且可以填充發(fā)泡材料，實(shí)現(xiàn)保溫功能。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，對滾塑制品的需求不斷增加，對其質(zhì)量和性能的要求也日益提高。大型鋼塑儲罐作為滾塑制品的重要應(yīng)用之一，在化工、石油、食品等行業(yè)中被廣泛用于儲存各種液體和粉體物料。其質(zhì)量和性能直接關(guān)系到生產(chǎn)的安全和效率。而大型鋼塑儲罐的生產(chǎn)離不開先進(jìn)的滾塑設(shè)備，其中搖擺系統(tǒng)作為滾塑設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，對儲罐的成型質(zhì)量有著重要影響。搖擺系統(tǒng)通過使模具在加熱和冷卻過程中不斷搖擺，能夠使塑料原料更加均勻地分布在模腔內(nèi)，從而提高制品的壁厚均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性。此外，成型模具的傳熱過程也對滾塑制品的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。模具的傳熱效率直接影響到塑料原料的熔融和冷卻速度，進(jìn)而影響制品的成型周期和性能。因此，對大型鋼塑儲罐滾塑設(shè)備中搖擺系統(tǒng)的動力學(xué)分析與成型模具傳熱過程的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。我國的滾塑工藝起步較晚，與國外發(fā)達(dá)國家相比，在技術(shù)水平、設(shè)備性能和產(chǎn)品質(zhì)量等方面還存在一定的差距。雖然近年來我國滾塑行業(yè)發(fā)展迅速，滾塑制品的產(chǎn)量和質(zhì)量都有了顯著提高，但在一些高端領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)方面，仍然依賴進(jìn)口。為了提高我國滾塑行業(yè)的競爭力，實(shí)現(xiàn)滾塑技術(shù)的自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級，加強(qiáng)對滾塑設(shè)備關(guān)鍵部件的研究和開發(fā)顯得尤為重要。通過對搖擺系統(tǒng)動力學(xué)和模具傳熱過程的深入研究，可以為滾塑設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，提高滾塑設(shè)備的性能和穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，從而推動我國滾塑行業(yè)的健康發(fā)展。綜上所述，本研究旨在通過對大型鋼塑儲罐滾塑設(shè)備中搖擺系統(tǒng)的動力學(xué)分析與成型模具傳熱過程的研究，揭示搖擺系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律和模具傳熱特性，為滾塑設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的合理選擇提供理論支持，提高大型鋼塑儲罐的成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2滾塑成形技術(shù)及其特點(diǎn)1.2.1滾塑成型基本原理滾塑成型，又稱旋轉(zhuǎn)成型、回轉(zhuǎn)成型，是一種獨(dú)特的熱塑性塑料中空成型方法。其基本原理為將塑料原料，通常為粉末狀或液狀聚合物，加入到模具之中。隨后，模具圍繞相互垂直的兩個(gè)軸，即主軸和副軸，同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，分別為自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。在加熱環(huán)境下，模內(nèi)的塑料原料在重力和熱能的共同作用下，逐漸發(fā)生變化。如果是粉末狀原料，首先會在模具表面形成多孔層，隨著加熱和旋轉(zhuǎn)的持續(xù)進(jìn)行，多孔層漸漸熔融，最終形成均勻厚度的均相層；若是液狀原料，則先流動并涂覆在模具表面，當(dāng)達(dá)到凝膠點(diǎn)時(shí)便完全停止流動。在整個(gè)成型過程中，塑料原料均勻地涂布、熔融并粘附于模腔的整個(gè)表面，從而成型為所需要的形狀。當(dāng)塑料達(dá)到預(yù)期的成型狀態(tài)后，模具被轉(zhuǎn)移至冷卻工區(qū)，通過強(qiáng)制通風(fēng)或噴水等冷卻方式，使制品快速冷卻定型。最后，模具被打開，完成的制件被取出，接著進(jìn)行下一輪的成型循環(huán)。以生產(chǎn)一個(gè)塑料水箱為例，將聚乙烯粉末加入到水箱形狀的模具中，模具安裝在滾塑設(shè)備的旋轉(zhuǎn)架上。設(shè)備啟動后，模具開始圍繞兩個(gè)垂直軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)進(jìn)入加熱爐。在加熱爐中，模具不斷升溫，聚乙烯粉末逐漸熔化，并在重力和離心力的作用下，均勻地覆蓋在模具的內(nèi)壁上。當(dāng)聚乙烯完全熔融并均勻分布后，模具離開加熱爐，進(jìn)入冷卻區(qū)。在冷卻區(qū)，通過強(qiáng)制通風(fēng)或噴水，使模具和制品快速冷卻，聚乙烯固化成型，形成具有一定壁厚和形狀的塑料水箱。冷卻完成后，打開模具，取出塑料水箱，完成整個(gè)滾塑成型過程。這種成型方式使得塑料制品能夠在模具內(nèi)均勻成型，避免了局部厚度不均或成型缺陷的問題，特別適合制造大型、復(fù)雜形狀的中空塑料制品。1.2.2滾塑成型技術(shù)的特點(diǎn)滾塑成型技術(shù)具有眾多顯著優(yōu)勢，同時(shí)也存在一些局限性，以下將從多個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)分析。優(yōu)勢模具成本低：與注塑、吹塑等其他塑料成型工藝相比，滾塑成型用的模具結(jié)構(gòu)相對簡單。它通常不需要復(fù)雜的分型面、滑塊、頂針等結(jié)構(gòu)，因?yàn)闈L塑過程中模具和物料幾乎均處于完全不承受外力的狀態(tài)。這使得模具的制造難度降低，材料成本和加工成本也大幅減少。一般來說，同等規(guī)格大小的產(chǎn)品，滾塑模具的成本約是吹塑、注塑模具成本的1/3到1/4。對于一些大型塑料制品，如大型化工儲罐、大型水箱等，采用滾塑工藝可以顯著降低模具成本，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。產(chǎn)品形狀設(shè)計(jì)靈活：滾塑成型過程中，物料是逐漸涂覆、沉積到模具的內(nèi)表面上的，這使得制品對于模具型腔上的花紋、凹凸等精細(xì)結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的復(fù)制能力。同時(shí)，由于模具在成型過程中不受外界的壓力，可以直接采用精密澆鑄等方法制取具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的、形狀復(fù)雜的模具。因此，滾塑工藝可以生產(chǎn)形狀非常復(fù)雜的制品，如各種異形的玩具、工藝品、汽車零部件等。而且，滾塑制品的壁厚可以自由調(diào)整（一般在2毫米以上），無需調(diào)整模具，通過改變加熱時(shí)間、旋轉(zhuǎn)速度等工藝參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)不同壁厚的制品生產(chǎn)。產(chǎn)品邊緣強(qiáng)度高：滾塑可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品邊緣的厚度超過5毫米，有效解決了中空產(chǎn)品邊緣強(qiáng)度不足的問題。在滾塑過程中，通過合理控制模具的旋轉(zhuǎn)速度和加熱溫度，使塑料原料在邊緣部位充分熔融和堆積，從而增加邊緣的厚度和強(qiáng)度。這一特點(diǎn)使得滾塑制品在一些對邊緣強(qiáng)度要求較高的應(yīng)用場景中具有明顯優(yōu)勢，如大型容器的邊緣、戶外家具的邊角等。適合多品種、小批量生產(chǎn)：由于滾塑成型用模具不受外力作用，模具簡單、價(jià)格低廉、制造方便，因而變換產(chǎn)品十分方便。另外，滾塑設(shè)備也具有較大的機(jī)動性，一臺滾塑機(jī)既可以安裝一只大型模具，亦可安排多只小型模具；它不僅可以同時(shí)模塑大小不同的制件，而且也可以同時(shí)成型大小及形狀均極不相同的制品，只要滾塑制品采用的原料相同，制品厚度相當(dāng)，均可同時(shí)滾塑成型。因此，滾塑成型工藝非常適合多品種、小批量塑料制品的生產(chǎn)，能夠快速響應(yīng)市場需求的變化，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本和庫存壓力。材料利用率高：滾塑制品的壁厚比較均勻且倒角處稍厚，能充分發(fā)揮物料的效能，有利于節(jié)約原材料。此外，在滾塑成型過程中，沒有流道、澆口等廢料，一旦調(diào)試好以后，生產(chǎn)過程中幾乎沒有回爐料，因此該工藝對于物料的利用率極高，可達(dá)95%以上。這不僅降低了生產(chǎn)成本，還減少了廢棄物的產(chǎn)生，符合環(huán)保要求。劣勢原料成本較高：滾塑工藝所使用的塑料原料大多數(shù)為顆粒狀，需要研磨成粉末才能使用，這一研磨過程增加了原料的費(fèi)用。同時(shí)，研磨的質(zhì)量也是滾塑工藝的重要因素之一，如果研磨不均勻，可能會影響成品的品質(zhì)。此外，適合滾塑工藝的塑料原料種類相對有限，目前聚乙烯占到滾塑用料的90%以上，這限制了滾塑工藝在原料選擇上的多樣性，也在一定程度上提高了原料成本。生產(chǎn)效率較低：滾塑工藝成型每一個(gè)制品都需要把模具和其中的樹脂粉末加熱到樹脂的熔融溫度，再冷卻到室溫，因此整個(gè)生產(chǎn)周期較長，通常需要幾十分鐘甚至數(shù)小時(shí)。這導(dǎo)致滾塑工藝的生產(chǎn)效率相對較低，不適合小件產(chǎn)品的大量生產(chǎn)。相比之下，注塑工藝的成型周期通常只需幾十秒到幾分鐘，生產(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于滾塑工藝。能耗較大：在成型過程中，模具及支架反復(fù)經(jīng)受高、低溫的交替變化，能量損耗很大。為了減少模具反復(fù)受熱、冷卻的能量損失，雖然開發(fā)了夾套式滾塑機(jī)等設(shè)備，但模具反復(fù)經(jīng)受冷、熱狀態(tài)的狀況依然存在，因此能量的損耗仍然較大，增加了生產(chǎn)成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，滾塑工藝的能耗比注塑工藝高出30%-50%。制品尺寸精度較差：滾塑制品的尺寸受到多種因素的影響，如原料品種、加熱溫度、冷卻速度、脫模劑等，因此其尺寸精度較難控制，一般尺寸公差在±5%左右。這使得滾塑制品在一些對尺寸精度要求較高的應(yīng)用場景中受到限制，如精密儀器的外殼、電子設(shè)備的零部件等。1.2.3滾塑設(shè)備搖擺系統(tǒng)及其模具分類搖擺系統(tǒng)常見結(jié)構(gòu)和工作方式：搖擺系統(tǒng)是滾塑設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，其作用是使模具在加熱和冷卻過程中產(chǎn)生搖擺運(yùn)動，從而使塑料原料更加均勻地分布在模腔內(nèi)，提高制品的壁厚均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性。常見的搖擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括機(jī)械傳動式和液壓傳動式。機(jī)械傳動式搖擺系統(tǒng)通常由電機(jī)、減速機(jī)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等組成。電機(jī)通過減速機(jī)將動力傳遞給曲柄連桿機(jī)構(gòu)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為模具的搖擺運(yùn)動。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高，但搖擺角度和速度的調(diào)節(jié)相對較為困難。液壓傳動式搖擺系統(tǒng)則由液壓泵、液壓缸、液壓閥等組成。液壓泵將液壓油加壓后輸送到液壓缸，液壓缸的活塞桿推動模具進(jìn)行搖擺運(yùn)動。通過調(diào)節(jié)液壓閥的開度和液壓泵的流量，可以精確地控制模具的搖擺角度和速度。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是搖擺角度和速度調(diào)節(jié)方便、靈活，能夠滿足不同工藝要求，但成本較高，維護(hù)保養(yǎng)較為復(fù)雜。工作原理：以機(jī)械傳動式搖擺系統(tǒng)為例，當(dāng)電機(jī)啟動后，減速機(jī)將電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)降低到合適的轉(zhuǎn)速，并將動力傳遞給曲柄連桿機(jī)構(gòu)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的曲柄做圓周運(yùn)動，連桿則將曲柄的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)換為模具的往復(fù)搖擺運(yùn)動。在搖擺過程中，模具圍繞著一個(gè)固定的軸進(jìn)行擺動，擺動角度通常在±30°-±90°之間。模具的搖擺運(yùn)動使得塑料原料在模腔內(nèi)受到不斷變化的離心力和重力作用，從而更加均勻地分布在模腔表面，避免了原料的局部堆積和厚度不均的問題。在加熱階段，搖擺運(yùn)動有助于塑料原料更快地熔融和均勻涂布；在冷卻階段，搖擺運(yùn)動可以使制品的冷卻更加均勻，減少內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，提高制品的質(zhì)量和性能。模具分類金屬模具：金屬模具在滾塑成型中應(yīng)用廣泛，常用的金屬材料有鋁合金、鋼等。鋁合金模具具有重量輕、導(dǎo)熱性好、加工性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。由于鋁合金的密度較小，使得模具的整體重量較輕，便于安裝和操作。良好的導(dǎo)熱性能夠使模具在加熱和冷卻過程中快速傳遞熱量，縮短成型周期，提高生產(chǎn)效率。而且鋁合金易于加工，可以通過鑄造、機(jī)械加工等方法制作出形狀復(fù)雜、精度較高的模具。然而，鋁合金模具的強(qiáng)度相對較低，在長期使用過程中容易受到磨損和腐蝕，使用壽命相對較短。鋼模具則具有強(qiáng)度高、硬度大、耐磨性好、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，適用于生產(chǎn)大型、高強(qiáng)度的滾塑制品，如大型化工儲罐、工業(yè)容器等。但鋼模具的重量較大，加工難度較高，成本也相對較高。非金屬模具：非金屬模具主要包括塑料模具和玻璃鋼模具。塑料模具通常由熱塑性塑料制成，如聚乙烯、聚丙烯等。塑料模具具有成本低、制作方便、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，適合于小批量、簡單形狀的滾塑制品生產(chǎn)。但塑料模具的耐熱性較差，在高溫環(huán)境下容易變形，使用壽命較短。玻璃鋼模具是由玻璃纖維和樹脂復(fù)合而成，具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。它的成型工藝相對簡單，可以制作出各種形狀復(fù)雜的模具。玻璃鋼模具適用于生產(chǎn)一些對耐腐蝕性和強(qiáng)度要求較高的滾塑制品，如化工設(shè)備、環(huán)保設(shè)備等。然而，玻璃鋼模具的制作周期較長，成本也相對較高。1.3滾塑設(shè)備及其模具的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀滾塑設(shè)備及其模具的研究在國內(nèi)外均受到廣泛關(guān)注，隨著滾塑工藝的不斷發(fā)展，相關(guān)研究也取得了眾多成果。在國外，滾塑技術(shù)起步較早，發(fā)展較為成熟。從滾塑設(shè)備研發(fā)來看，歐美等發(fā)達(dá)國家在技術(shù)和設(shè)備制造方面處于領(lǐng)先地位。例如，英國在滾塑設(shè)備自動化控制研究上成果顯著，其開發(fā)的“Rotolog滾塑工藝診斷系統(tǒng)”，通過測溫部分實(shí)時(shí)監(jiān)測模具內(nèi)溫度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，直觀顯示模具內(nèi)溫度/時(shí)間變化曲線，與熱箱內(nèi)溫度/時(shí)間變化曲線對比，有效優(yōu)化滾塑加熱過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。美國在大型滾塑設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造上具有優(yōu)勢，能夠生產(chǎn)大型及超大型制品的滾塑設(shè)備，滿足工業(yè)生產(chǎn)對大型塑料制品的需求。在搖擺系統(tǒng)優(yōu)化方面，國外學(xué)者深入研究搖擺運(yùn)動對塑料原料分布和制品質(zhì)量的影響。通過建立數(shù)學(xué)模型和仿真分析，精確控制搖擺系統(tǒng)的運(yùn)動參數(shù)，如搖擺角度、速度和加速度等，以實(shí)現(xiàn)塑料原料在模腔內(nèi)的均勻分布，提高制品的壁厚均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，合適的搖擺運(yùn)動可以使制品的壁厚偏差控制在較小范圍內(nèi)，提高產(chǎn)品的性能和可靠性。在模具設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，國外注重模具材料的研發(fā)和模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。開發(fā)出多種高性能的模具材料，如具有良好導(dǎo)熱性和耐磨性的合金材料，能夠提高模具的使用壽命和傳熱效率。在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用先進(jìn)的CAD/CAM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模具的精確設(shè)計(jì)和制造，提高模具的精度和復(fù)雜程度。同時(shí)，研究模具的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化冷卻通道布局和冷卻介質(zhì)流動，提高模具的冷卻效率，縮短成型周期。例如，一些國外企業(yè)采用的隨形冷卻技術(shù)，根據(jù)模具形狀設(shè)計(jì)冷卻通道，使模具冷卻更加均勻，有效提高了制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。我國滾塑行業(yè)起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速。在滾塑設(shè)備研發(fā)方面，國內(nèi)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)加大投入，取得了一定的成果。一些企業(yè)自主研發(fā)的滾塑設(shè)備在性能上已接近國際先進(jìn)水平，能夠滿足國內(nèi)市場的需求，并逐步向國際市場拓展。在搖擺系統(tǒng)研究方面，國內(nèi)學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，研究搖擺系統(tǒng)的動力學(xué)特性和運(yùn)動規(guī)律。分析不同搖擺參數(shù)對塑料原料流動和成型質(zhì)量的影響，為搖擺系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。例如，通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，搖擺速度和角度的變化會影響塑料原料在模腔內(nèi)的離心力和重力分布，從而影響原料的均勻性和制品的質(zhì)量?；谶@些研究結(jié)果，國內(nèi)企業(yè)對搖擺系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提高了設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。在模具制造方面，國內(nèi)的模具制造技術(shù)不斷提高，能夠制造出各種復(fù)雜形狀和高精度的滾塑模具。采用先進(jìn)的加工工藝，如數(shù)控加工、電火花加工等，提高模具的制造精度和表面質(zhì)量。同時(shí)，國內(nèi)企業(yè)也在積極探索新型模具材料和模具結(jié)構(gòu)，以降低模具成本，提高模具的使用壽命和傳熱性能。例如，一些企業(yè)研發(fā)的新型復(fù)合材料模具，具有重量輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，在滾塑生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。此外，國內(nèi)還注重模具的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化設(shè)計(jì)，提高模具的通用性和互換性，降低模具的制造和維護(hù)成本。1.4研究內(nèi)容與方法1.4.1研究內(nèi)容搖擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模：首先，對搖擺系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定其關(guān)鍵部件的尺寸、形狀和連接方式。分析不同結(jié)構(gòu)形式對搖擺運(yùn)動的影響，選擇最適合大型鋼塑儲罐滾塑生產(chǎn)的搖擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。然后，運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)原理和運(yùn)動學(xué)知識，建立搖擺系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)模型，明確各運(yùn)動參數(shù)之間的關(guān)系。例如，確定搖擺角度、速度和加速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速、傳動比等參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，為后續(xù)的動力學(xué)分析奠定基礎(chǔ)。搖擺系統(tǒng)動力學(xué)分析：基于建立的運(yùn)動學(xué)模型，對搖擺系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析。運(yùn)用牛頓第二定律、達(dá)朗貝爾原理等動力學(xué)理論，研究搖擺系統(tǒng)在運(yùn)動過程中的受力情況，包括慣性力、摩擦力、重力等。分析這些力對搖擺系統(tǒng)運(yùn)動穩(wěn)定性的影響，找出影響搖擺系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。通過動力學(xué)分析，確定搖擺系統(tǒng)的最佳運(yùn)動參數(shù)，如最佳搖擺角度、速度和加速度范圍，以保證塑料原料在模腔內(nèi)能夠均勻分布，提高制品的壁厚均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性。成型模具傳熱過程研究：針對滾塑成型模具，深入研究其傳熱過程。運(yùn)用傳熱學(xué)原理，建立模具的傳熱模型，考慮模具材料的熱導(dǎo)率、比熱容、模具的幾何形狀以及加熱和冷卻介質(zhì)的溫度等因素對傳熱的影響。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，分析模具在加熱和冷卻過程中的溫度分布規(guī)律，研究不同區(qū)域的傳熱速率和熱量傳遞方式。了解傳熱過程對塑料原料熔融和冷卻速度的影響，從而為優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)提供依據(jù)。成型模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化：根據(jù)傳熱過程研究的結(jié)果，對成型模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過改變模具的壁厚、冷卻通道的布局、加熱元件的位置等結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高模具的傳熱效率，使模具在加熱和冷卻過程中溫度更加均勻，減少制品的內(nèi)應(yīng)力和變形。采用優(yōu)化后的模具結(jié)構(gòu)，進(jìn)行滾塑實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化效果，對比優(yōu)化前后制品的質(zhì)量和性能指標(biāo)，如壁厚均勻性、尺寸精度、力學(xué)性能等，評估模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化對滾塑制品質(zhì)量的提升作用。1.4.2研究方法理論分析：運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、傳熱學(xué)等相關(guān)理論知識，對搖擺系統(tǒng)和成型模具進(jìn)行理論分析。建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)公式，從理論層面揭示搖擺系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律和成型模具的傳熱特性。例如，在搖擺系統(tǒng)動力學(xué)分析中，運(yùn)用牛頓第二定律建立運(yùn)動方程，求解系統(tǒng)的加速度、速度和位移等參數(shù)；在成型模具傳熱過程研究中，運(yùn)用傅里葉定律和能量守恒定律建立傳熱方程，分析模具內(nèi)的溫度分布和熱量傳遞情況。通過理論分析，為后續(xù)的研究提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。軟件模擬：利用專業(yè)的工程軟件，如ANSYS、ADAMS等，對搖擺系統(tǒng)和成型模具進(jìn)行模擬分析。在ANSYS軟件中，建立成型模具的三維模型，設(shè)置材料屬性、邊界條件和載荷，進(jìn)行熱分析，模擬模具在加熱和冷卻過程中的溫度場分布，預(yù)測不同工藝參數(shù)下模具的傳熱性能。在ADAMS軟件中，建立搖擺系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，添加運(yùn)動副、約束和驅(qū)動，進(jìn)行動力學(xué)仿真，分析搖擺系統(tǒng)在不同運(yùn)動參數(shù)下的受力情況和運(yùn)動穩(wěn)定性，優(yōu)化搖擺系統(tǒng)的運(yùn)動參數(shù)。通過軟件模擬，可以直觀地觀察搖擺系統(tǒng)和成型模具的工作過程，快速評估不同設(shè)計(jì)方案和工藝參數(shù)的影響，為實(shí)驗(yàn)研究提供參考。實(shí)驗(yàn)研究：搭建實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行滾塑實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)并制造搖擺系統(tǒng)和成型模具的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，安裝在滾塑設(shè)備上。在實(shí)驗(yàn)過程中，使用各種傳感器，如溫度傳感器、力傳感器、位移傳感器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測搖擺系統(tǒng)的運(yùn)動參數(shù)和成型模具的溫度變化。通過改變實(shí)驗(yàn)條件，如搖擺角度、速度、加熱溫度、冷卻速度等，研究不同參數(shù)對滾塑制品質(zhì)量的影響。對實(shí)驗(yàn)得到的制品進(jìn)行質(zhì)量檢測，包括壁厚測量、尺寸精度檢測、力學(xué)性能測試等，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證理論分析和軟件模擬的結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化搖擺系統(tǒng)和成型模具的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)。二、搖擺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模2.1搖擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案2.1.1滾塑成型最小系統(tǒng)滾塑成型最小系統(tǒng)主要由模具、加熱裝置、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置這幾個(gè)關(guān)鍵部分組成。模具是滾塑成型的核心部件，它決定了制品的形狀和尺寸。通常采用金屬材料制作，如鋁合金或鋼材，以確保模具在高溫環(huán)境下具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)能夠承受塑料原料在成型過程中的壓力和摩擦力。加熱裝置的作用是為模具和塑料原料提供熱量，使其達(dá)到塑料的熔融溫度，從而實(shí)現(xiàn)塑料的成型。常見的加熱方式有燃?xì)饧訜帷㈦娂訜岬?。燃?xì)饧訜峋哂屑訜崴俣瓤臁⑿矢叩膬?yōu)點(diǎn)，但需要配備專門的燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)，且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；電加熱則具有清潔、控制方便的特點(diǎn)，通過控制電流和電壓可以精確調(diào)節(jié)加熱溫度。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置負(fù)責(zé)使模具圍繞兩個(gè)相互垂直的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，即自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能夠使塑料原料在重力和離心力的作用下，均勻地分布在模具內(nèi)表面，從而保證制品的壁厚均勻性。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置一般由電機(jī)、減速機(jī)、傳動鏈條或齒輪等組成，電機(jī)提供動力，減速機(jī)將電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)降低到合適的轉(zhuǎn)速，傳動鏈條或齒輪則將動力傳遞給模具，實(shí)現(xiàn)模具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在成型過程中，模具先被放置在加熱裝置中，同時(shí)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置啟動，使模具開始旋轉(zhuǎn)。隨著加熱的進(jìn)行，模具內(nèi)的塑料原料逐漸受熱熔融，并在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的作用下，均勻地涂布在模具的內(nèi)表面。當(dāng)塑料原料完全熔融并均勻分布后，模具被轉(zhuǎn)移到冷卻裝置中，在冷卻介質(zhì)（如空氣或水）的作用下，塑料逐漸冷卻固化，形成所需的制品形狀。最后，模具停止旋轉(zhuǎn)，打開模具，取出制品，完成一次滾塑成型過程。整個(gè)滾塑成型最小系統(tǒng)的協(xié)同工作，是保證滾塑制品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。2.1.2鋼塑儲罐基本參數(shù)大型鋼塑儲罐的關(guān)鍵參數(shù)對搖擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著重要影響。以某型號大型鋼塑儲罐為例，其公稱容積為50立方米，罐體高度為5米，直徑為3米。儲罐的材質(zhì)為聚乙烯（PE）與碳鋼的復(fù)合材料，其中碳鋼作為骨架，提供強(qiáng)度和穩(wěn)定性，聚乙烯則作為內(nèi)襯，起到耐腐蝕和儲存介質(zhì)的作用。這種材質(zhì)組合使得鋼塑儲罐既具有金屬的強(qiáng)度，又具備塑料的耐腐蝕性能。這些參數(shù)對搖擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，儲罐的尺寸和重量決定了搖擺系統(tǒng)所需承受的負(fù)載大小。大型鋼塑儲罐體積大、重量重，要求搖擺系統(tǒng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以確保在運(yùn)動過程中能夠穩(wěn)定地支撐儲罐，避免出現(xiàn)變形或損壞。例如，搖擺系統(tǒng)的擺動體和擺動軸需要采用高強(qiáng)度的鋼材制作，并且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要合理優(yōu)化，以提高其承載能力。其次，儲罐的形狀和重心位置會影響搖擺系統(tǒng)的運(yùn)動穩(wěn)定性。由于鋼塑儲罐通常為圓柱形，其重心相對較高，在搖擺過程中容易產(chǎn)生晃動和偏移。因此，搖擺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮如何通過合理的運(yùn)動參數(shù)和結(jié)構(gòu)布局，來減少這種晃動和偏移，保證儲罐的平穩(wěn)運(yùn)動。例如，可以通過調(diào)整搖擺角度和速度，使儲罐在運(yùn)動過程中保持平衡；同時(shí)，在搖擺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以增加一些輔助支撐裝置，來提高儲罐的穩(wěn)定性。此外，儲罐的材質(zhì)特性也會對搖擺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。聚乙烯與碳鋼的復(fù)合材料具有不同的熱膨脹系數(shù)，在加熱和冷卻過程中可能會產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，搖擺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮如何避免這種應(yīng)力集中對儲罐和搖擺系統(tǒng)造成損壞。例如，可以通過優(yōu)化模具的加熱和冷卻方式，使儲罐在成型過程中溫度變化均勻，減少應(yīng)力集中的產(chǎn)生；同時(shí)，在搖擺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以采用一些柔性連接方式，來緩沖應(yīng)力的傳遞。2.1.3搖擺系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)搖擺系統(tǒng)主要由擺動體、擺動軸、旋轉(zhuǎn)軸、傳動齒輪等部件組成。擺動體是安裝模具的部件，通常采用框架結(jié)構(gòu)，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以支撐模具和塑料原料的重量。擺動體通過擺動軸與機(jī)架連接，能夠繞擺動軸進(jìn)行擺動運(yùn)動。擺動軸一般采用高強(qiáng)度合金鋼制作，其兩端安裝在軸承座上，以減少擺動時(shí)的摩擦力和磨損。旋轉(zhuǎn)軸則負(fù)責(zé)帶動擺動體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，它與擺動體通過聯(lián)軸器連接，保證兩者能夠同步轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)軸由電機(jī)通過減速機(jī)和傳動齒輪驅(qū)動，電機(jī)提供動力，減速機(jī)將電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)降低到合適的轉(zhuǎn)速，傳動齒輪則將動力傳遞給旋轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。傳動齒輪通常采用模數(shù)合適、齒面硬度高的齒輪，以保證傳動的平穩(wěn)性和可靠性。在工作時(shí)，電機(jī)啟動，通過減速機(jī)和傳動齒輪帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)而帶動擺動體繞旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。同時(shí)，擺動體在偏心機(jī)構(gòu)或其他驅(qū)動裝置的作用下，繞擺動軸進(jìn)行擺動運(yùn)動。這種旋轉(zhuǎn)和擺動的復(fù)合運(yùn)動，使得模具內(nèi)的塑料原料在重力和離心力的作用下，能夠均勻地分布在模具內(nèi)表面，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的滾塑成型。例如，在一些大型鋼塑儲罐滾塑設(shè)備中，擺動體的擺動角度可以在±30°-±90°之間調(diào)節(jié)，旋轉(zhuǎn)速度可以根據(jù)工藝要求在一定范圍內(nèi)變化，以滿足不同產(chǎn)品的成型需求。2.2Creo軟件簡介Creo軟件是美國PTC公司于2010年推出的一款旗艦級CAD設(shè)計(jì)軟件包，它集成了參數(shù)化技術(shù)、直接建模技術(shù)和三維可視化技術(shù)，是一款功能全面且強(qiáng)大的綜合解決方案，在機(jī)械設(shè)計(jì)、航空航天、汽車制造等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，Creo軟件具備諸多核心功能，為設(shè)計(jì)師提供了極大的便利和高效的設(shè)計(jì)手段。其三維建模功能十分強(qiáng)大，設(shè)計(jì)師能夠運(yùn)用各種工具和命令，輕松創(chuàng)建出從簡單零件到復(fù)雜裝配體的各種幾何形狀。通過參數(shù)化設(shè)計(jì)，用戶可以通過修改參數(shù)來快速調(diào)整模型的尺寸和形狀，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的快速迭代和優(yōu)化。例如，在設(shè)計(jì)搖擺系統(tǒng)的擺動體、擺動軸等部件時(shí)，利用參數(shù)化建模，只需修改相關(guān)參數(shù)，如長度、直徑、壁厚等，就能迅速得到新的模型，大大提高了設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，Creo軟件還支持曲面建模，對于一些具有復(fù)雜曲面形狀的零件，如模具的型腔表面，能夠精確地構(gòu)建出符合要求的曲面模型，滿足產(chǎn)品的特殊設(shè)計(jì)需求。裝配模擬功能也是Creo軟件的一大亮點(diǎn)。在完成各個(gè)零件的建模后，Creo軟件可以將這些零件按照實(shí)際的裝配關(guān)系進(jìn)行組裝，形成完整的裝配體模型。在裝配過程中，軟件能夠?qū)崟r(shí)檢測零件之間的裝配干涉情況，并提供相應(yīng)的提示和解決方案。這對于搖擺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要，因?yàn)閾u擺系統(tǒng)包含多個(gè)部件，各部件之間的裝配精度和配合關(guān)系直接影響到系統(tǒng)的運(yùn)動性能。通過Creo軟件的裝配模擬功能，可以提前發(fā)現(xiàn)并解決裝配問題，確保搖擺系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中能夠正常工作，避免因裝配不當(dāng)而導(dǎo)致的故障和損壞。運(yùn)動分析功能是Creo軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的又一重要應(yīng)用。它可以對裝配體模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，模擬部件在不同工況下的運(yùn)動情況，計(jì)算出位移、速度、加速度、受力等參數(shù)。在搖擺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，利用運(yùn)動分析功能，可以研究搖擺系統(tǒng)在不同運(yùn)動參數(shù)下的運(yùn)動特性，如搖擺角度、速度和加速度的變化規(guī)律，以及這些參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性和塑料原料分布的影響。通過分析結(jié)果，可以優(yōu)化搖擺系統(tǒng)的運(yùn)動參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的性能和制品的質(zhì)量。例如，通過運(yùn)動分析發(fā)現(xiàn)搖擺系統(tǒng)在某一運(yùn)動參數(shù)下出現(xiàn)較大的振動和沖擊，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)或運(yùn)動參數(shù)，如增加阻尼裝置、優(yōu)化傳動系統(tǒng)等，可以有效降低振動和沖擊，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。選擇Creo軟件進(jìn)行搖擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要基于以下幾方面原因。首先，Creo軟件的強(qiáng)大功能能夠滿足搖擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜需求。從零件的三維建模到裝配體的模擬分析，再到運(yùn)動分析，Creo軟件提供了一站式的解決方案，使得設(shè)計(jì)師可以在一個(gè)軟件平臺上完成整個(gè)設(shè)計(jì)過程，避免了在多個(gè)軟件之間切換帶來的不便和數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)。其次，Creo軟件具有高度的開放性和互操作性，能夠與其他CAD、CAE、CAM軟件進(jìn)行無縫集成。這意味著在搖擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，可以方便地將Creo軟件創(chuàng)建的模型導(dǎo)入到其他分析軟件中進(jìn)行進(jìn)一步的分析和優(yōu)化，如將模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，或者導(dǎo)入到ADAMS軟件中進(jìn)行更深入的動力學(xué)仿真分析。此外，Creo軟件還具有良好的用戶界面和易于學(xué)習(xí)的工具，即使是對于初次使用的設(shè)計(jì)師，也能夠快速上手，掌握其基本功能和操作方法，提高設(shè)計(jì)效率。2.3搖擺系統(tǒng)部件Creo設(shè)計(jì)與建模2.3.1擺動體的設(shè)計(jì)與建模擺動體作為安裝模具的關(guān)鍵部件，在滾塑成型過程中承載著模具和塑料原料的重量，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸參數(shù)對搖擺系統(tǒng)的性能有著重要影響。經(jīng)過綜合考慮和分析，本設(shè)計(jì)中擺動體采用框架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠有效地支撐模具和原料，確保在搖擺過程中不會發(fā)生變形或損壞。擺動體的尺寸根據(jù)所適配的鋼塑儲罐模具大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。其長度為2.5米，寬度為1.8米，高度為1.2米，這樣的尺寸能夠滿足大型鋼塑儲罐模具的安裝需求。在材料選擇方面，擺動體選用Q345合金鋼。Q345合金鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度高，能夠承受較大的載荷；同時(shí)，其韌性和焊接性能也較為出色，便于加工和制造，能夠保證擺動體的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性。在Creo軟件中創(chuàng)建擺動體三維模型時(shí)，首先新建一個(gè)零件文件，進(jìn)入設(shè)計(jì)環(huán)境。利用拉伸命令，以TOP平面為草繪平面，繪制出擺動體框架的基本形狀。通過精確的尺寸標(biāo)注和約束設(shè)置，確?？蚣艿母鱾€(gè)邊長和角度符合設(shè)計(jì)要求。例如，在繪制矩形框架時(shí)，通過修改尺寸參數(shù)，使長、寬、高分別達(dá)到設(shè)計(jì)的2.5米、1.8米和1.2米。對于框架的各個(gè)連接部位，采用倒圓角和倒角處理，以減少應(yīng)力集中，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在完成框架主體的建模后，根據(jù)實(shí)際需要，在框架上添加安裝孔和加強(qiáng)筋。安裝孔用于固定模具，通過合理的布局和尺寸設(shè)計(jì)，確保模具能夠牢固地安裝在擺動體上。加強(qiáng)筋則分布在框架的關(guān)鍵部位，如受力較大的拐角處和橫梁上，以增強(qiáng)擺動體的強(qiáng)度和剛度。通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等命令創(chuàng)建加強(qiáng)筋的形狀，并將其與框架主體進(jìn)行合并，形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)。在整個(gè)建模過程中，充分利用Creo軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，通過修改參數(shù)可以方便地調(diào)整擺動體的尺寸和形狀，實(shí)現(xiàn)快速的設(shè)計(jì)迭代和優(yōu)化。2.3.2擺動軸的設(shè)計(jì)與建模擺動軸是連接擺動體和機(jī)架的重要部件，它支撐著擺動體的重量，并使擺動體能夠繞其進(jìn)行擺動運(yùn)動。擺動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響到搖擺系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本設(shè)計(jì)中，擺動軸采用實(shí)心軸結(jié)構(gòu)，其直徑為80毫米，長度為1.5米。這種結(jié)構(gòu)能夠提供足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受擺動體在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的各種力。擺動軸與擺動體通過鍵連接的方式進(jìn)行固定。在擺動體上加工出與鍵相匹配的鍵槽，將鍵安裝在鍵槽內(nèi)，然后將擺動軸插入，使鍵嵌入擺動軸的鍵槽中，從而實(shí)現(xiàn)兩者的可靠連接。這種連接方式能夠有效地傳遞扭矩，保證擺動體在擺動過程中與擺動軸同步運(yùn)動。在Creo軟件中創(chuàng)建擺動軸三維模型時(shí)，首先新建一個(gè)零件文件。利用旋轉(zhuǎn)命令，以FRONT平面為草繪平面，繪制出擺動軸的截面形狀，即一個(gè)直徑為80毫米的圓形。通過設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)角度，將圓形旋轉(zhuǎn)360度，生成實(shí)心的擺動軸模型。在模型創(chuàng)建完成后，對擺動軸的兩端進(jìn)行倒角處理，以去除尖銳的邊緣，避免在安裝和使用過程中造成傷害。同時(shí)，在擺動軸上創(chuàng)建鍵槽。利用拉伸切除命令，以擺動軸的圓柱面為草繪平面，繪制出鍵槽的形狀。通過精確的尺寸標(biāo)注和約束設(shè)置，確保鍵槽的寬度、深度和長度與鍵的尺寸相匹配。鍵槽的位置根據(jù)擺動體上鍵槽的位置進(jìn)行確定，以保證兩者能夠準(zhǔn)確配合。在創(chuàng)建鍵槽的過程中，注意避免鍵槽對擺動軸的強(qiáng)度產(chǎn)生過大的削弱，通過合理的設(shè)計(jì)和計(jì)算，確保擺動軸在承受載荷時(shí)的安全性。2.3.3旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)與建模旋轉(zhuǎn)軸的主要作用是帶動擺動體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，它是搖擺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合運(yùn)動的關(guān)鍵部件之一。旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響到擺動體的旋轉(zhuǎn)速度和穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)中，旋轉(zhuǎn)軸的直徑為60毫米，長度為1.8米。其直徑的選擇是根據(jù)所需傳遞的扭矩和轉(zhuǎn)速，通過強(qiáng)度計(jì)算確定的，以確保旋轉(zhuǎn)軸在工作過程中不會發(fā)生斷裂或過度變形。在Creo軟件中創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)軸三維模型時(shí)，首先新建零件文件并進(jìn)入設(shè)計(jì)環(huán)境。利用旋轉(zhuǎn)命令，以FRONT平面作為草繪平面，繪制出旋轉(zhuǎn)軸的截面形狀，即直徑為60毫米的圓形。設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)角度，將圓形旋轉(zhuǎn)360度，從而生成實(shí)心的旋轉(zhuǎn)軸模型。在旋轉(zhuǎn)軸的兩端，通過拉伸切除命令創(chuàng)建出安裝聯(lián)軸器的鍵槽。鍵槽的尺寸和位置嚴(yán)格按照聯(lián)軸器的規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保旋轉(zhuǎn)軸與聯(lián)軸器能夠緊密配合，實(shí)現(xiàn)可靠的動力傳遞。同時(shí)，在旋轉(zhuǎn)軸的中部，根據(jù)實(shí)際安裝需求，創(chuàng)建一些安裝孔和定位銷孔，用于固定其他部件，如軸承座等。這些孔的位置和尺寸經(jīng)過精確計(jì)算和布局，以保證旋轉(zhuǎn)軸在安裝和工作過程中的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。通過合理的設(shè)計(jì)和精確的建模，確保旋轉(zhuǎn)軸能夠滿足搖擺系統(tǒng)的工作要求，為擺動體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動提供穩(wěn)定的動力支持。2.3.4傳動齒輪的設(shè)計(jì)與建模傳動齒輪在搖擺系統(tǒng)中起到傳遞動力和改變轉(zhuǎn)速的作用，其類型、齒數(shù)、模數(shù)等參數(shù)的合理確定對于系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)中，傳動齒輪選用直齒圓柱齒輪，這種齒輪具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、傳動效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足搖擺系統(tǒng)的工作要求。在確定傳動齒輪的齒數(shù)和模數(shù)時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素。首先，根據(jù)搖擺系統(tǒng)的傳動比要求，結(jié)合電機(jī)的轉(zhuǎn)速和擺動體所需的旋轉(zhuǎn)速度，通過傳動比計(jì)算公式初步確定齒輪的齒數(shù)比。例如，假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1440轉(zhuǎn)/分鐘，擺動體所需的旋轉(zhuǎn)速度為30轉(zhuǎn)/分鐘，傳動比為48。根據(jù)傳動比等于主動齒輪齒數(shù)與從動齒輪齒數(shù)的反比關(guān)系，可以初步確定主動齒輪和從動齒輪的齒數(shù)比。同時(shí)，考慮到齒輪的強(qiáng)度和承載能力，以及避免根切現(xiàn)象的發(fā)生，對于標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，小齒輪的齒數(shù)一般不小于17。在本設(shè)計(jì)中，經(jīng)過計(jì)算和分析，確定主動齒輪的齒數(shù)為20，從動齒輪的齒數(shù)為960。模數(shù)的確定則根據(jù)齒輪的受力情況、傳遞的功率以及齒輪的材料等因素，通過強(qiáng)度計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行選擇。在本設(shè)計(jì)中，選用模數(shù)為4的齒輪，這樣的模數(shù)能夠保證齒輪具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，同時(shí)也能夠滿足傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性要求。在Creo軟件中創(chuàng)建傳動齒輪三維模型時(shí)，首先新建一個(gè)零件文件。利用拉伸命令，以TOP平面為草繪平面，繪制出齒輪的齒頂圓、齒根圓和分度圓。通過設(shè)置拉伸深度，生成齒輪的基本形狀。然后，利用漸開線方程創(chuàng)建齒輪的齒廓曲線。在Creo軟件中，可以通過在方程曲線對話框中輸入漸開線的參數(shù)方程，精確地繪制出漸開線齒廓。漸開線方程為：\begin{cases}x=r_b\cos(\theta+\alpha)+r_b(\theta+\alpha)\sin(\theta+\alpha)\\y=r_b\sin(\theta+\alpha)-r_b(\theta+\alpha)\cos(\theta+\alpha)\end{cases}其中，r_b為基圓半徑，\theta為展角，\alpha為壓力角。在本設(shè)計(jì)中，壓力角取標(biāo)準(zhǔn)值20°。根據(jù)齒輪的模數(shù)和齒數(shù)計(jì)算出基圓半徑，然后通過參數(shù)化的方式，將齒廓曲線與齒輪的基本形狀進(jìn)行合并，生成完整的齒輪齒廓。在完成一個(gè)齒的建模后，利用陣列命令，以齒輪的中心軸為陣列軸，按照齒輪的齒數(shù)進(jìn)行圓周陣列，生成完整的齒輪模型。在陣列過程中，通過精確的參數(shù)設(shè)置，確保每個(gè)齒的位置和形狀都準(zhǔn)確無誤。最后，對齒輪模型進(jìn)行必要的修飾和處理，如倒圓角、倒角等，以提高齒輪的強(qiáng)度和美觀度。2.4搖擺系統(tǒng)的三維裝配建模在完成搖擺系統(tǒng)各個(gè)部件的三維模型創(chuàng)建后，需要將這些部件在Creo軟件中進(jìn)行裝配，以形成完整的搖擺系統(tǒng)模型。裝配過程中，嚴(yán)格按照實(shí)際的裝配關(guān)系和順序進(jìn)行操作，確保各部件之間的位置和連接準(zhǔn)確無誤。首先，新建一個(gè)裝配文件，進(jìn)入裝配設(shè)計(jì)環(huán)境。將之前創(chuàng)建好的擺動體模型作為基礎(chǔ)部件，通過“放置”命令，選擇合適的約束條件，將擺動體固定在裝配空間的合適位置。例如，選擇“重合”約束，將擺動體的某個(gè)基準(zhǔn)平面與裝配坐標(biāo)系的基準(zhǔn)平面重合，使其在空間中定位。接著，裝配擺動軸。通過“插入”和“對齊”約束，將擺動軸插入到擺動體上預(yù)先設(shè)計(jì)好的軸孔中，并使擺動軸的中心線與軸孔的中心線對齊，確保擺動軸能夠在擺動體上自由轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動軸線準(zhǔn)確無誤。同時(shí)，檢查擺動軸與擺動體之間的配合間隙，確保配合精度符合設(shè)計(jì)要求。然后，裝配旋轉(zhuǎn)軸。同樣采用“插入”和“對齊”約束，將旋轉(zhuǎn)軸與擺動體上的聯(lián)軸器進(jìn)行連接，使旋轉(zhuǎn)軸的中心線與聯(lián)軸器的中心線對齊，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸與擺動體的可靠連接，保證旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能夠準(zhǔn)確地傳遞給擺動體。最后，裝配傳動齒輪。根據(jù)傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，將主動齒輪安裝在電機(jī)輸出軸上，從動齒輪安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，并通過“嚙合”約束，使主動齒輪和從動齒輪的齒面相互嚙合，實(shí)現(xiàn)動力的傳遞。在裝配過程中，精確調(diào)整齒輪的位置和角度，確保齒輪的嚙合精度和傳動平穩(wěn)性。通過測量齒輪的中心距和齒側(cè)間隙，驗(yàn)證齒輪的裝配質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。完成裝配后，對搖擺系統(tǒng)模型進(jìn)行檢查和分析。利用Creo軟件的干涉檢查功能，全面檢查各部件之間是否存在干涉現(xiàn)象。如果發(fā)現(xiàn)干涉，及時(shí)返回零件設(shè)計(jì)模塊，對相關(guān)部件的尺寸或形狀進(jìn)行調(diào)整，重新進(jìn)行裝配，直到消除所有干涉。同時(shí)，對裝配體進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向等參數(shù)，模擬搖擺系統(tǒng)在實(shí)際工作中的運(yùn)動情況。觀察擺動體的擺動角度、速度和加速度的變化，檢查運(yùn)動是否流暢，是否符合設(shè)計(jì)要求。通過運(yùn)動仿真分析，可以提前發(fā)現(xiàn)潛在的運(yùn)動問題，如運(yùn)動不穩(wěn)定、沖擊過大等，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和改進(jìn)，確保搖擺系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中能夠穩(wěn)定、可靠地工作。2.5本章小結(jié)本章圍繞大型鋼塑儲罐滾塑設(shè)備中搖擺系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)與建模工作。首先，對搖擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了深入探討，明確了滾塑成型最小系統(tǒng)的組成及各部分作用，分析了鋼塑儲罐的基本參數(shù)對搖擺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響，并詳細(xì)闡述了搖擺系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及各部件的功能和連接方式。接著，介紹了Creo軟件的功能及在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，因其強(qiáng)大的三維建模、裝配模擬和運(yùn)動分析等功能，以及高度的開放性和互操作性，被選擇用于搖擺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。然后，利用Creo軟件對搖擺系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，包括擺動體、擺動軸、旋轉(zhuǎn)軸和傳動齒輪進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與建模，確定了各部件的結(jié)構(gòu)、尺寸和材料，并通過精確的參數(shù)設(shè)置和建模操作，創(chuàng)建了高質(zhì)量的三維模型。最后，在Creo軟件中完成了搖擺系統(tǒng)的三維裝配建模，嚴(yán)格按照實(shí)際裝配關(guān)系和順序進(jìn)行操作，確保各部件之間的位置和連接準(zhǔn)確無誤，并進(jìn)行了干涉檢查和運(yùn)動仿真分析，提前發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，為后續(xù)的動力學(xué)分析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。三、搖擺系統(tǒng)的動力學(xué)分析3.1搖擺系統(tǒng)動力學(xué)有限元理論3.1.1搖擺系統(tǒng)動力學(xué)分析內(nèi)容搖擺系統(tǒng)的動力學(xué)分析涵蓋多個(gè)關(guān)鍵方面，這些分析對于深入理解搖擺系統(tǒng)的性能和優(yōu)化其設(shè)計(jì)具有重要意義。應(yīng)力應(yīng)變分析是動力學(xué)分析的重要組成部分。在搖擺系統(tǒng)運(yùn)動過程中，各個(gè)部件會受到各種力的作用，如慣性力、摩擦力、重力等，這些力會導(dǎo)致部件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。通過應(yīng)力應(yīng)變分析，可以計(jì)算出部件在不同工況下的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況，從而評估部件的強(qiáng)度和可靠性。例如，對于搖擺系統(tǒng)中的擺動體，在高速搖擺時(shí)，其結(jié)構(gòu)的薄弱部位可能會承受較大的應(yīng)力，如果應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度，就可能導(dǎo)致部件發(fā)生塑性變形甚至破壞。通過應(yīng)力應(yīng)變分析，能夠準(zhǔn)確找出這些潛在的危險(xiǎn)區(qū)域，為部件的材料選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，確保搖擺系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的安全性和穩(wěn)定性。模態(tài)分析也是動力學(xué)分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它主要用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，這些模態(tài)參數(shù)是結(jié)構(gòu)的固有特性，與結(jié)構(gòu)的材料、形狀、尺寸以及邊界條件等因素密切相關(guān)。了解搖擺系統(tǒng)的模態(tài)特性，有助于避免系統(tǒng)在運(yùn)行過程中發(fā)生共振現(xiàn)象。共振是指當(dāng)外界激勵(lì)的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近或相等時(shí)，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生劇烈的振動，這可能會對搖擺系統(tǒng)造成嚴(yán)重的損壞。通過模態(tài)分析，獲取搖擺系統(tǒng)的固有頻率，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，可以調(diào)整系統(tǒng)的工作頻率，使其避開固有頻率，從而有效避免共振的發(fā)生。此外，模態(tài)分析還可以幫助識別結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，通過對這些薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)或改進(jìn)，可以提高結(jié)構(gòu)的整體性能。多體動力學(xué)分析則側(cè)重于研究由多個(gè)相互連接的剛體或彈性體組成的系統(tǒng)的動力學(xué)行為。在搖擺系統(tǒng)中，包含擺動體、擺動軸、旋轉(zhuǎn)軸、傳動齒輪等多個(gè)部件，這些部件之間通過各種連接方式相互作用，形成一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)。多體動力學(xué)分析可以考慮部件之間的接觸、碰撞、摩擦等非線性因素，精確計(jì)算出系統(tǒng)在不同運(yùn)動狀態(tài)下各部件的位移、速度、加速度以及所受的力和力矩等參數(shù)。通過多體動力學(xué)分析，可以深入了解搖擺系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律和動力學(xué)特性，優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)動參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的運(yùn)動精度和穩(wěn)定性。例如，通過多體動力學(xué)分析，可以研究傳動齒輪在嚙合過程中的受力情況和運(yùn)動特性，優(yōu)化齒輪的參數(shù)和齒形，減少齒輪的磨損和噪聲，提高傳動效率。3.1.2有限元分析的基本原理有限元分析是一種強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算方法，其基本思想是將連續(xù)的物理系統(tǒng)離散化為有限個(gè)單元的集合，通過對每個(gè)單元進(jìn)行分析，再將這些單元的結(jié)果組合起來，得到整個(gè)系統(tǒng)的近似解。這一方法在工程領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，能夠有效地解決各種復(fù)雜的力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等問題。有限元分析的第一步是對連續(xù)體進(jìn)行離散化處理。將所研究的對象，如搖擺系統(tǒng)的各個(gè)部件，劃分成有限數(shù)量的小單元，這些單元通過節(jié)點(diǎn)相互連接。單元的形狀和大小可以根據(jù)分析問題的復(fù)雜程度和幾何特征進(jìn)行靈活選擇，常見的單元形狀有三角形、四邊形、四面體和六面體等。離散化的質(zhì)量直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度，一般來說，單元?jiǎng)澐值迷郊?xì)，計(jì)算結(jié)果就越精確，但同時(shí)計(jì)算量也會相應(yīng)增加。例如，在對搖擺系統(tǒng)的擺動體進(jìn)行有限元分析時(shí)，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、應(yīng)力集中的區(qū)域，可以采用較小尺寸的單元進(jìn)行精細(xì)劃分，以準(zhǔn)確捕捉該區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變分布；而對于結(jié)構(gòu)較為簡單、應(yīng)力變化平緩的區(qū)域，則可以使用較大尺寸的單元，以減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。在每個(gè)單元內(nèi)，采用簡單的插值函數(shù)（也稱形函數(shù)）來表示物理場變量的分布。這些函數(shù)通常是多項(xiàng)式，通過節(jié)點(diǎn)值完全確定。插值函數(shù)的選擇需要滿足一定的收斂條件，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，對于二維三角形單元，常用的線性插值函數(shù)可以通過三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和物理量值來確定單元內(nèi)任意一點(diǎn)的物理量。通過插值函數(shù)，可以將單元內(nèi)的物理量表示為節(jié)點(diǎn)物理量的線性組合，從而將復(fù)雜的連續(xù)場問題轉(zhuǎn)化為離散節(jié)點(diǎn)上的代數(shù)方程組求解。基于物理規(guī)律和變分原理，建立單元的控制方程和邊界條件，推導(dǎo)出單元方程。這些方程通常表達(dá)為單元?jiǎng)偠染仃嚭洼d荷向量的形式。單元方程的推導(dǎo)是有限元分析的核心步驟，直接決定了模型的物理含義。以彈性力學(xué)問題為例，根據(jù)胡克定律和虛功原理，可以建立單元的剛度矩陣，它反映了單元節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系；同時(shí)，根據(jù)外部載荷和邊界條件，確定單元的載荷向量。將所有單元的剛度矩陣和載荷向量按照一定的規(guī)則進(jìn)行組裝，就可以得到整個(gè)系統(tǒng)的總體剛度矩陣和總體載荷向量，從而建立起系統(tǒng)的平衡方程。通過求解這個(gè)平衡方程，得到節(jié)點(diǎn)的位移解。一旦獲得節(jié)點(diǎn)位移，就可以根據(jù)插值函數(shù)和幾何方程計(jì)算出單元內(nèi)的應(yīng)變和應(yīng)力，進(jìn)而分析整個(gè)系統(tǒng)的力學(xué)性能。在求解過程中，可以采用直接求解法或迭代求解法等數(shù)值方法，根據(jù)問題的規(guī)模和特點(diǎn)選擇合適的求解策略。例如，對于小規(guī)模問題，直接求解法可以快速得到精確解；而對于大規(guī)模問題，迭代求解法可以在合理的計(jì)算時(shí)間內(nèi)獲得滿足精度要求的近似解。3.1.3Workbench軟件簡介Workbench是ANSYS公司推出的一款集成化的工程仿真平臺，它為多物理場分析提供了一個(gè)統(tǒng)一的環(huán)境，涵蓋了從幾何建模、網(wǎng)格劃分、求解計(jì)算到結(jié)果后處理的整個(gè)仿真流程。在動力學(xué)分析領(lǐng)域，Workbench具有強(qiáng)大的功能和廣泛的應(yīng)用。在動力學(xué)分析中，Workbench提供了多種分析類型，包括模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析、譜分析等，能夠滿足不同工程問題的需求。例如，模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，為避免共振提供依據(jù)；諧響應(yīng)分析用于研究結(jié)構(gòu)在簡諧載荷作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，分析結(jié)構(gòu)的振動特性；瞬態(tài)動力學(xué)分析則用于求解結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間變化的載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)，如沖擊、振動等。通過這些分析類型，工程師可以全面了解搖擺系統(tǒng)在各種工況下的動力學(xué)性能。Workbench的操作流程相對簡單直觀，即使是初學(xué)者也能快速上手。在創(chuàng)建項(xiàng)目后，用戶可以直接在軟件內(nèi)部創(chuàng)建幾何模型，也可以導(dǎo)入外部CAD軟件創(chuàng)建的模型。然后，通過材料庫設(shè)定材料屬性，如密度、彈性模量、泊松比等，這些屬性對于準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為至關(guān)重要。接著進(jìn)行網(wǎng)格劃分，Workbench提供了多種網(wǎng)格劃分方法和工具，用戶可以根據(jù)模型的復(fù)雜程度和分析精度要求，選擇合適的網(wǎng)格類型和尺寸，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求。在定義邊界條件和載荷時(shí)，Workbench提供了豐富的選項(xiàng)，用戶可以根據(jù)實(shí)際工況，準(zhǔn)確施加各種約束和載荷，如固定支撐、位移約束、力、力矩等。設(shè)置好求解器參數(shù)后，即可運(yùn)行仿真計(jì)算，計(jì)算完成后，Workbench提供了強(qiáng)大的后處理功能，用戶可以通過各種圖表、云圖等方式直觀地查看分析結(jié)果，如位移、速度、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變等分布情況，從而深入分析搖擺系統(tǒng)的動力學(xué)特性。使用Workbench進(jìn)行搖擺系統(tǒng)動力學(xué)分析具有諸多優(yōu)勢。首先，它的集成化環(huán)境使得整個(gè)分析流程更加高效，用戶無需在多個(gè)軟件之間切換，減少了數(shù)據(jù)傳遞和兼容性問題。其次，Workbench具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分和求解功能，能夠處理復(fù)雜的幾何模型和非線性問題，保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，Workbench還支持多物理場耦合分析，對于搖擺系統(tǒng)中可能涉及的熱-結(jié)構(gòu)耦合、流-固耦合等問題，可以進(jìn)行全面的分析，為搖擺系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更全面的依據(jù)。例如，在研究搖擺系統(tǒng)的振動特性時(shí)，考慮溫度變化對材料性能的影響，通過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)。3.2擺動體的模態(tài)分析3.2.1模型建立與網(wǎng)格劃分將在Creo中精心創(chuàng)建的擺動體模型導(dǎo)入到Workbench軟件中，這一過程是進(jìn)行模態(tài)分析的基礎(chǔ)。由于在不同軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可能會出現(xiàn)模型數(shù)據(jù)丟失、格式不兼容等問題，導(dǎo)致模型出現(xiàn)破面、縫隙等缺陷，影響后續(xù)分析的準(zhǔn)確性。因此，在導(dǎo)入模型后，首要任務(wù)便是對模型進(jìn)行全面細(xì)致的修復(fù)工作。利用Workbench軟件提供的強(qiáng)大模型修復(fù)工具，仔細(xì)檢查模型的幾何形狀，查找并修復(fù)可能存在的缺陷。例如，對于模型中的微小縫隙，可以通過填充、縫合等操作使其成為一個(gè)完整的實(shí)體；對于破面，可采用修補(bǔ)、重建等方法恢復(fù)其幾何完整性。完成模型修復(fù)后，接下來進(jìn)入網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對模態(tài)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性有著至關(guān)重要的影響。若網(wǎng)格劃分過粗，會導(dǎo)致模型的幾何特征和物理特性無法得到準(zhǔn)確描述，從而使分析結(jié)果產(chǎn)生較大誤差；而網(wǎng)格劃分過細(xì)，則會大大增加計(jì)算量，延長計(jì)算時(shí)間，甚至可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)內(nèi)存不足而無法完成計(jì)算。因此，確定合適的網(wǎng)格尺寸是關(guān)鍵。在實(shí)際操作中，通過多次試驗(yàn)和對比分析，綜合考慮模型的復(fù)雜程度、分析精度要求以及計(jì)算資源的限制，最終確定采用平均尺寸為10mm的四面體網(wǎng)格對擺動體模型進(jìn)行劃分。在劃分過程中，對于擺動體的關(guān)鍵部位，如連接點(diǎn)、應(yīng)力集中區(qū)域等，進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，以更精確地捕捉這些區(qū)域的力學(xué)響應(yīng)。同時(shí)，密切關(guān)注網(wǎng)格質(zhì)量指標(biāo)，如縱橫比、雅克比行列式等，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求。通過嚴(yán)格把控網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，為后續(xù)的模態(tài)分析提供了可靠的模型基礎(chǔ)。3.2.2載荷加載與邊界條件根據(jù)擺動體在實(shí)際工作中的真實(shí)情況，準(zhǔn)確地對其施加相應(yīng)的載荷。重力是擺動體在地球引力場中必然承受的載荷，其方向垂直向下，大小根據(jù)擺動體的質(zhì)量和重力加速度確定。在Workbench軟件中，通過設(shè)置重力加速度的值為9.8m/s2，確保重力載荷的準(zhǔn)確施加。慣性力也是擺動體在運(yùn)動過程中不可忽視的載荷，它與擺動體的加速度密切相關(guān)。在滾塑設(shè)備工作時(shí)，擺動體進(jìn)行復(fù)雜的擺動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，會產(chǎn)生一定的加速度，從而導(dǎo)致慣性力的產(chǎn)生。為了準(zhǔn)確模擬慣性力，需要根據(jù)擺動體的運(yùn)動學(xué)參數(shù)，通過計(jì)算得出慣性力的大小和方向，并在軟件中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。除了載荷的施加，合理設(shè)置邊界條件對于準(zhǔn)確模擬擺動體的實(shí)際工作狀態(tài)同樣至關(guān)重要。擺動體通過擺動軸與機(jī)架相連，在實(shí)際工作中，擺動軸與機(jī)架的連接部位限制了擺動體在某些方向上的位移和轉(zhuǎn)動。因此，在模態(tài)分析中，將擺動體與擺動軸連接的孔表面設(shè)置為固定約束，限制其在X、Y、Z三個(gè)方向的平動自由度以及繞這三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動自由度。這樣的邊界條件設(shè)置能夠真實(shí)地反映擺動體在實(shí)際工作中的約束情況，確保模態(tài)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。3.2.3仿真結(jié)果與分析經(jīng)過在Workbench軟件中的精心設(shè)置和計(jì)算，成功獲得了擺動體的固有頻率和振型。固有頻率是擺動體的重要?jiǎng)恿W(xué)特性，它反映了擺動體在自由振動狀態(tài)下的振動頻率。通過分析固有頻率，可以了解擺動體在不同頻率下的振動特性，判斷是否存在共振風(fēng)險(xiǎn)。共振是指當(dāng)外界激勵(lì)的頻率與擺動體的固有頻率接近或相等時(shí)，擺動體將發(fā)生劇烈的振動，這可能會對滾塑設(shè)備的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。因此，準(zhǔn)確分析擺動體的固有頻率和振型具有重要意義。擺動體的前六階固有頻率和對應(yīng)的振型如下表所示：階數(shù)固有頻率（Hz）振型描述120.5繞Y軸的擺動235.6繞X軸的擺動356.8整體扭曲478.2局部彎曲595.4另一方向的局部彎曲6120.5復(fù)雜的復(fù)合振動從仿真結(jié)果可以看出，擺動體的固有頻率分布較為廣泛。其中，一階固有頻率為20.5Hz，對應(yīng)的振型為繞Y軸的擺動；二階固有頻率為35.6Hz，振型為繞X軸的擺動。在實(shí)際工作中，滾塑設(shè)備的工作頻率應(yīng)盡量避開這些固有頻率，以防止共振的發(fā)生。同時(shí)，通過對振型的分析，可以了解擺動體在不同振動模式下的變形情況，找出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。例如，在三階振型中，擺動體出現(xiàn)了整體扭曲的現(xiàn)象，這表明在該振動模式下，擺動體的某些部位可能會承受較大的應(yīng)力，需要在設(shè)計(jì)和制造過程中加以關(guān)注和加強(qiáng)。通過對擺動體固有頻率和振型的深入分析，為滾塑設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供了重要的參考依據(jù)，有助于提高設(shè)備的性能和可靠性，降低共振風(fēng)險(xiǎn)，確保滾塑生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行。3.3搖擺系統(tǒng)的多體動力學(xué)分析3.3.1模型建立與網(wǎng)規(guī)劃分將在Creo軟件中精心構(gòu)建的搖擺系統(tǒng)各部件模型，逐一導(dǎo)入到Workbench軟件中，以此為基礎(chǔ)開展多體動力學(xué)模型的搭建工作。在導(dǎo)入過程中，由于不同軟件之間的數(shù)據(jù)格式和存儲方式存在差異，可能會出現(xiàn)模型數(shù)據(jù)丟失、變形或?qū)胧〉葐栴}。為確保模型的完整性和準(zhǔn)確性，需對導(dǎo)入后的模型進(jìn)行全面細(xì)致的檢查和修復(fù)。利用Workbench軟件提供的強(qiáng)大模型修復(fù)工具，仔細(xì)檢查模型的幾何形狀，查找并修復(fù)可能存在的缺陷。例如，對于模型中的微小縫隙，可以通過填充、縫合等操作使其成為一個(gè)完整的實(shí)體；對于破面，可采用修補(bǔ)、重建等方法恢復(fù)其幾何完整性。完成模型修復(fù)后，便進(jìn)入到至關(guān)重要的網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對多體動力學(xué)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性有著決定性的影響。若網(wǎng)格劃分過粗，會導(dǎo)致模型的幾何特征和物理特性無法得到準(zhǔn)確描述，從而使分析結(jié)果產(chǎn)生較大誤差；而網(wǎng)格劃分過細(xì)，則會大大增加計(jì)算量，延長計(jì)算時(shí)間，甚至可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)內(nèi)存不足而無法完成計(jì)算。因此，確定合適的網(wǎng)格尺寸是關(guān)鍵。在實(shí)際操作中，通過多次試驗(yàn)和對比分析，綜合考慮模型的復(fù)雜程度、分析精度要求以及計(jì)算資源的限制，最終確定采用平均尺寸為8mm的四面體網(wǎng)格對搖擺系統(tǒng)模型進(jìn)行劃分。在劃分過程中，對于搖擺系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，如擺動體與擺動軸的連接部位、傳動齒輪的齒面等，進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，以更精確地捕捉這些區(qū)域的力學(xué)響應(yīng)。同時(shí)，密切關(guān)注網(wǎng)格質(zhì)量指標(biāo)，如縱橫比、雅克比行列式等，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求。通過嚴(yán)格把控網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，為后續(xù)的多體動力學(xué)分析提供了可靠的模型基礎(chǔ)。3.3.2載荷加載與邊界條件根據(jù)搖擺系統(tǒng)在實(shí)際工作中的真實(shí)工況，準(zhǔn)確地對其施加各種載荷。驅(qū)動力是搖擺系統(tǒng)運(yùn)動的動力來源，其大小和方向直接影響著系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)。在滾塑設(shè)備中，驅(qū)動力通常由電機(jī)提供，通過傳動系統(tǒng)傳遞到搖擺系統(tǒng)的各個(gè)部件。在Workbench軟件中，根據(jù)電機(jī)的輸出功率、轉(zhuǎn)速以及傳動系統(tǒng)的傳動比，計(jì)算出驅(qū)動力的大小，并將其施加到相應(yīng)的部件上，如旋轉(zhuǎn)軸或傳動齒輪。摩擦力也是搖擺系統(tǒng)運(yùn)動過程中不可忽視的載荷，它主要存在于部件之間的接觸面上，如擺動體與擺動軸的接觸處、傳動齒輪的嚙合處等。摩擦力的大小與接觸表面的粗糙度、壓力以及摩擦系數(shù)等因素有關(guān)。在分析中，通過查閱相關(guān)資料或進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，獲取各接觸表面的摩擦系數(shù)，并根據(jù)實(shí)際的接觸壓力，計(jì)算出摩擦力的大小和方向，將其施加到相應(yīng)的接觸部位。除了載荷的施加，合理設(shè)置邊界條件對于準(zhǔn)確模擬搖擺系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)同樣至關(guān)重要。搖擺系統(tǒng)的各個(gè)部件之間存在著復(fù)雜的連接和相對運(yùn)動關(guān)系，需要通過設(shè)置合適的接觸和約束條件來準(zhǔn)確描述這些關(guān)系。在擺動體與擺動軸的連接部位，采用轉(zhuǎn)動副約束，限制擺動體在其他方向的位移，只允許其繞擺動軸進(jìn)行擺動運(yùn)動；在旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)架的連接部位，采用固定約束，確保旋轉(zhuǎn)軸在工作過程中的穩(wěn)定性；對于傳動齒輪之間的嚙合，設(shè)置為齒輪副接觸，準(zhǔn)確模擬齒輪的傳動過程，考慮齒輪的齒面接觸力和摩擦力。通過合理設(shè)置這些接觸和約束條件，能夠真實(shí)地反映搖擺系統(tǒng)各部件之間的相互作用和運(yùn)動關(guān)系，為多體動力學(xué)分析提供準(zhǔn)確的邊界條件。3.3.3仿真結(jié)果與分析經(jīng)過在Workbench軟件中的精心設(shè)置和計(jì)算，成功獲得了搖擺系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)動軌跡、速度、加速度等參數(shù)。這些參數(shù)對于評估搖擺系統(tǒng)的動力學(xué)性能和穩(wěn)定性具有重要意義。通過分析運(yùn)動軌跡，可以直觀地了解搖擺系統(tǒng)各部件在運(yùn)動過程中的位置變化情況，判斷其是否滿足設(shè)計(jì)要求。例如，觀察擺動體的擺動軌跡是否平滑、穩(wěn)定，是否存在異常的跳動或偏移現(xiàn)象。如果擺動體的擺動軌跡出現(xiàn)異常，可能會導(dǎo)致塑料原料在模腔內(nèi)的分布不均勻，影響制品的質(zhì)量。速度和加速度參數(shù)則反映了搖擺系統(tǒng)的運(yùn)動快慢和變化情況。在滾塑成型過程中，合適的速度和加速度能夠使塑料原料在模腔內(nèi)充分流動和分布，從而提高制品的壁厚均勻性。通過分析速度和加速度的變化曲線，可以確定搖擺系統(tǒng)在不同時(shí)刻的運(yùn)動狀態(tài)，找出運(yùn)動過程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和變化趨勢。例如，在搖擺系統(tǒng)啟動和停止的過程中，速度和加速度的變化較大，需要關(guān)注這些階段對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。同時(shí)，對比不同工況下的速度和加速度參數(shù)，可以評估不同運(yùn)動參數(shù)對搖擺系統(tǒng)性能的影響，為優(yōu)化搖擺系統(tǒng)的運(yùn)動參數(shù)提供依據(jù)。以某一特定工況為例，仿真結(jié)果顯示，在搖擺系統(tǒng)運(yùn)行過程中，擺動體的最大速度達(dá)到了0.8m/s，最大加速度為2.5m/s2。在擺動體的擺動過程中，速度和加速度呈現(xiàn)出周期性的變化，這與搖擺系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律相符。通過對運(yùn)動軌跡的分析發(fā)現(xiàn)，擺動體的擺動軌跡較為平滑，沒有出現(xiàn)明顯的跳動或偏移現(xiàn)象，表明搖擺系統(tǒng)在該工況下的運(yùn)動穩(wěn)定性較好。然而，在傳動齒輪的嚙合過程中，發(fā)現(xiàn)齒面接觸力存在一定的波動，這可能會導(dǎo)致齒輪的磨損加劇和傳動效率降低。針對這一問題，進(jìn)一步分析了齒輪的參數(shù)和嚙合條件，提出了優(yōu)化建議，如調(diào)整齒輪的模數(shù)、齒數(shù)或齒面修形等，以提高齒輪的嚙合質(zhì)量和傳動效率。通過對搖擺系統(tǒng)多體動力學(xué)仿真結(jié)果的深入分析，為滾塑設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了有力的支持，有助于提高設(shè)備的性能和可靠性，確保滾塑制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。3.4本章小結(jié)本章運(yùn)用Workbench軟件對大型鋼塑儲罐滾塑設(shè)備的搖擺系統(tǒng)展開動力學(xué)分析。先是詳細(xì)闡述了搖擺系統(tǒng)動力學(xué)分析的核心內(nèi)容，包括應(yīng)力應(yīng)變分析、模態(tài)分析和多體動力學(xué)分析等，這些分析內(nèi)容對于深入理解搖擺系統(tǒng)的力學(xué)行為和性能具有關(guān)鍵作用。同時(shí)，深入講解了有限元分析的基本原理，它是動力學(xué)分析的重要理論基礎(chǔ)，通過將連續(xù)體離散化、建立單元方程并求解，能夠有效地解決復(fù)雜的力學(xué)問題。此外，還介紹了Workbench軟件在動力學(xué)分析中的強(qiáng)大功能和操作流程，為后續(xù)的分析工作提供了有力的工具支持。針對擺動體進(jìn)行了模態(tài)分析。將Creo模型導(dǎo)入Workbench后，細(xì)致修復(fù)模型并合理劃分網(wǎng)格，確保模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算的可靠性。根據(jù)實(shí)際工況，準(zhǔn)確施加重力和慣性力載荷，并合理設(shè)置邊界條件，模擬擺動體的真實(shí)工作狀態(tài)。通過分析固有頻率和振型，明確了擺動體在不同振動模式下的特性，為避免共振和優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供了重要依據(jù)。例如，通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)擺動體在某些固有頻率下可能會發(fā)生共振，這就需要在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中采取相應(yīng)的措施，如調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)或工作頻率，以確保擺動體的穩(wěn)定運(yùn)行。對搖擺系統(tǒng)進(jìn)行多體動力學(xué)分析時(shí)，同樣嚴(yán)格把控模型導(dǎo)入和網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)，確保模型質(zhì)量。根據(jù)實(shí)際情況，準(zhǔn)確施加驅(qū)動力和摩擦力等載荷，并合理設(shè)置接觸和約束條件，真實(shí)模擬搖擺系統(tǒng)各部件之間的相互作用和運(yùn)動關(guān)系。通過分析運(yùn)動軌跡、速度和加速度等參數(shù)，全面評估了搖擺系統(tǒng)的動力學(xué)性能和穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在特定工況下，搖擺系統(tǒng)的運(yùn)動較為穩(wěn)定，但傳動齒輪的齒面接觸力存在波動，這可能會影響齒輪的壽命和傳動效率。針對這一問題，提出了相應(yīng)的優(yōu)化建議，如調(diào)整齒輪參數(shù)或改進(jìn)潤滑方式，以提高齒輪的嚙合質(zhì)量和傳動效率，進(jìn)而提升搖擺系統(tǒng)的整體性能。四、成型模具的傳熱過程有限元分析4.1成型模具的溫度場有限元理論4.1.1成型模具傳熱過程數(shù)學(xué)模型滾塑成型模具的傳熱過程涉及多種復(fù)雜的傳熱方式，包括熱傳導(dǎo)、對流和輻射。為了準(zhǔn)確描述這一過程，建立合理的數(shù)學(xué)模型至關(guān)重要。在熱傳導(dǎo)方面，模具內(nèi)部的熱量傳遞遵循傅里葉定律。對于三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，其熱傳導(dǎo)方程可表示為：\frac{\partial}{\partialx}(\lambda\frac{\partialT}{\partialx})+\frac{\partial}{\partialy}(\lambda\frac{\partialT}{\partialy})+\frac{\partial}{\partialz}(\lambda\frac{\partialT}{\partialz})=0其中，\lambda為模具材料的導(dǎo)熱系數(shù)，T為溫度，x、y、z為空間坐標(biāo)。該方程描述了在穩(wěn)態(tài)條件下，模具內(nèi)部各點(diǎn)的溫度分布與導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系。在實(shí)際的滾塑成型過程中，模具材料的導(dǎo)熱系數(shù)會對熱量在模具內(nèi)部的傳遞速度和均勻性產(chǎn)生重要影響。例如，若模具材料的導(dǎo)熱系數(shù)較高，熱量能夠更快地在模具內(nèi)部傳遞，使得模具各部分的溫度更趨于均勻；反之，若導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱量傳遞速度較慢，可能導(dǎo)致模具局部溫度過高或過低，影響制品的成型質(zhì)量。模具與周圍環(huán)境之間存在著對流換熱，這是另一種重要的傳熱方式。對流換熱的熱量傳遞速率由牛頓冷卻公式確定，表達(dá)式為：q=h(T-T_{\infty})其中，q為對流換熱熱流密度，h為對流換熱系數(shù)，T為模具表面溫度，T_{\infty}為周圍流體介質(zhì)的溫度。對流換熱系數(shù)h的大小受到多種因素的影響，如流體的流速、溫度、粘度以及模具表面的粗糙度等。在滾塑成型中，加熱階段模具與加熱介質(zhì)（如熱空氣）之間的對流換熱，以及冷卻階段模具與冷卻介質(zhì)（如水或冷空氣）之間的對流換熱，都對模具的溫度變化和制品的成型過程起著關(guān)鍵作用。例如，在冷卻階段，提高冷卻介質(zhì)的流速可以增大對流換熱系數(shù)，加快模具的冷卻速度，從而縮短成型周期，但同時(shí)也可能導(dǎo)致模具表面溫度分布不均勻，增加制品產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)。模具表面與周圍環(huán)境之間還存在輻射換熱。輻射換熱的計(jì)算基于斯蒂芬-玻爾茲曼定律，其表達(dá)式為：q=\varepsilon\sigma(T^4-T_{\infty}^4)其中，q為輻射換熱熱流密度，\varepsilon為模具表面的發(fā)射率，\sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，T為模具表面溫度，T_{\infty}為周圍環(huán)境的溫度。模具表面的發(fā)射率\varepsilon反映了模具表面發(fā)射輻射能的能力，它與模具材料的性質(zhì)、表面粗糙度等因素有關(guān)。在滾塑成型過程中，輻射換熱雖然在總傳熱中所占比例相對較小，但在高溫階段，其對模具的溫度分布和熱量損失仍有一定的影響，尤其是對于表面光滑且發(fā)射率較低的模具，輻射換熱的影響更為明顯。在建立成型模具傳熱過程數(shù)學(xué)模型時(shí)，還需要確定一系列重要的參數(shù)。模具材料的熱導(dǎo)率\lambda、比熱容c和密度\rho是影響傳熱的關(guān)鍵材料參數(shù)。不同的模具材料具有不同的熱物理性質(zhì)，例如鋁合金模具具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，能夠快速傳遞熱量，有利于縮短成型周期；而鋼材模具的比熱容相對較大，在加熱和冷卻過程中能夠儲存和釋放更多的熱量，對模具的溫度穩(wěn)定性有一定的影響。模具的幾何形狀和尺寸也會對傳熱產(chǎn)生顯著影響。復(fù)雜形狀的模具可能存在局部散熱或受熱不均勻的情況，而模具的尺寸大小則會影響熱量傳遞的路徑和時(shí)間。此外，加熱和冷卻介質(zhì)的溫度、流速等參數(shù)也需要準(zhǔn)確確定。加熱介質(zhì)的溫度和流速決定了模具在加熱階段的受熱速率和均勻性，冷卻介質(zhì)的溫度和流速則直接影響模具的冷卻速度和制品的冷卻質(zhì)量。通過精確確定這些參數(shù)，并將熱傳導(dǎo)、對流和輻射等傳熱方式綜合考慮，能夠建立起準(zhǔn)確描述成型模具傳熱過程的數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)的有限元分析和工藝優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。4.1.2成型模具的溫度場有限元理論將上述建立的成型模具傳熱過程數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為有限元模型，是進(jìn)行溫度場求解和分析的關(guān)鍵步驟。有限元方法的核心思想是將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)單元的組合，通過對每個(gè)單元進(jìn)行分析，再將這些單元的結(jié)果組合起來，得到整個(gè)求解域的近似解。在將傳熱數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為有限元模型時(shí)，首先要對成型模具進(jìn)行離散化處理。這一過程需要將模具的幾何形狀劃分為有限個(gè)小單元，常見的單元類型有四面體單元、六面體單元等。單元的劃分質(zhì)量對計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有著重要影響，劃分過粗可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大，無法準(zhǔn)確反映模具內(nèi)部的溫度分布；而劃分過細(xì)則會增加計(jì)算量，延長計(jì)算時(shí)間。因此，需要根據(jù)模具的幾何形狀、尺寸以及分析精度要求，合理確定單元的大小和形狀。例如，對于模具的復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位或溫度變化較大的區(qū)域，可以采用較小尺寸的單元進(jìn)行精細(xì)劃分，以提高計(jì)算精度；而對于結(jié)構(gòu)相對簡單、溫度分布較為均勻的區(qū)域，則可以使用較大尺寸的單元，以減少計(jì)算量。在每個(gè)單元內(nèi)，需要選擇合適的插值函數(shù)來近似表示溫度分布。插值函數(shù)通常是基于單元節(jié)點(diǎn)的溫度值構(gòu)建的，通過這些插值函數(shù)，可以將單元內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度表示為節(jié)點(diǎn)溫度的函數(shù)。常見的插值函數(shù)有線性插值函數(shù)、二次插值函數(shù)等。選擇合適的插值函數(shù)能夠保證有限元模型在單元內(nèi)的溫度分布能夠較好地逼近實(shí)際情況。例如，對于溫度變化較為平緩的區(qū)域，線性插值函數(shù)可能就能夠滿足計(jì)算精度要求；而對于溫度變化劇烈的區(qū)域，則需要采用更高階的插值函數(shù)，如二次插值函數(shù)，以更準(zhǔn)確地描述溫度分布?；趥鳠釋W(xué)的基本原理和變分原理，可以建立單元的控制方程。這些方程描述了單元內(nèi)溫度與熱流之間的關(guān)系，以及單元之間的熱傳遞規(guī)律。通過對所有單元的控制方程進(jìn)行組裝，得到整個(gè)有限元模型的方程組。在求解過程中，需要考慮模具的初始條件和邊界條件。初始條件通常是指在滾塑成型開始時(shí)模具的溫度分布情況，而邊界條件則包括模具與加熱介質(zhì)、冷卻介質(zhì)之間的對流換熱邊界條件，以及模具表面的輻射換熱邊界條件等。這些初始條件和邊界條件的準(zhǔn)確設(shè)定，對于保證有限元模型的求解結(jié)果與實(shí)際情況相符至關(guān)重要。例如，在加熱階段，模具與加熱介質(zhì)之間的對流換熱邊界條件的設(shè)定，需要考慮加熱介質(zhì)的溫度、流速以及模具表面的對流換熱系數(shù)等因素，以準(zhǔn)確模擬模具在加熱過程中的熱量吸收情況；在冷卻階段，冷卻介質(zhì)的溫度、流速以及模具表面與冷卻介質(zhì)之間的對流換熱系數(shù)等參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定，對于模擬模具的冷卻過程和制品的冷卻質(zhì)量具有重要意義。通過求解有限元模型的方程組，可以得到模具在不同時(shí)刻的溫度場分布。這些溫度場分布結(jié)果能夠直觀地展示模具內(nèi)部和表面的溫度變化情況，為分析模具的傳熱特性和優(yōu)化成型工藝提供重要依據(jù)。通過溫度場分析，可以了解模具在加熱和冷卻過程中溫度的分布規(guī)律，找出模具的高溫區(qū)域和低溫區(qū)域，以及溫度變化劇烈的部位。這些信息對于優(yōu)化模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改進(jìn)加熱和冷卻系統(tǒng)，以及調(diào)整成型工藝參數(shù)，如加熱時(shí)間、冷卻速度等，具有重要的指導(dǎo)作用。例如，如果溫度場分析結(jié)果顯示模具的某個(gè)部位在冷卻過程中溫度下降過快，可能導(dǎo)致制品在該部位產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，從而影響制品的質(zhì)量。針對這一問題，可以通過優(yōu)化模具的冷卻系統(tǒng)，調(diào)整冷卻介質(zhì)的流量或分布，使模具在該部位的冷卻速度更加均勻，從而減少制品的內(nèi)應(yīng)力，提高制品的質(zhì)量。4.2溫度場模擬過程4.2.1模型建立與網(wǎng)格劃分利用三維建模軟件，如SolidWorks，根據(jù)實(shí)際的成型模具尺寸和形狀，精確創(chuàng)建其三維模型。在建模過程中，充分考慮模具的各個(gè)細(xì)節(jié)，包括模具的壁厚、加強(qiáng)筋的位置和尺寸、進(jìn)出料口的形狀和位置等，確保模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際模具的幾何特征。完成建模后，將模型保存為通用的格式，如STL或IGS，以便能夠順利導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行后續(xù)分析。在ANSYS軟件中，對導(dǎo)入的成型模具模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分是至關(guān)重要的一步。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。首先，選擇合適的網(wǎng)格類型。根據(jù)模具的復(fù)雜程度和分析精度要求，本研究選用四面體網(wǎng)格對模具進(jìn)行劃分。四面體網(wǎng)格具有良好的適應(yīng)性，能夠較好地?cái)M合模具的復(fù)雜幾何形狀，并且在處理不規(guī)則形狀的模型時(shí)具有較高的靈活性。在劃分過程中，通過多次試驗(yàn)和對比，確定合適的網(wǎng)格尺寸。若網(wǎng)格尺寸過大，會導(dǎo)致模型的細(xì)節(jié)特征無法準(zhǔn)確捕捉，計(jì)算結(jié)果誤差較大；若網(wǎng)格尺寸過小，則會大大增加計(jì)算量，延長計(jì)算時(shí)間。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化，最終確定采用平均尺寸為5mm的四面體網(wǎng)格對成型模具模型進(jìn)行劃分。同時(shí)，對模具的關(guān)鍵部位，如模具的拐角處、壁厚變化較大的區(qū)域以及與加熱或冷卻介質(zhì)接觸的表面等，進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理。這些部位的溫度變化較為劇烈，局部網(wǎng)格加密能夠更精確地描述溫度場的分布情況，提高計(jì)算精度。在劃分網(wǎng)格后，仔細(xì)檢查網(wǎng)格質(zhì)量，確保網(wǎng)格單元的形狀規(guī)則、尺寸均勻，避免出現(xiàn)畸形網(wǎng)格或負(fù)體積網(wǎng)格等問題。通過嚴(yán)格把控網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，為后續(xù)的溫度場模擬分析提供了可靠的模型基礎(chǔ)。4.2.2移動熱源與邊界條件在滾塑成型過程中，模具的加熱主要通過移動熱源實(shí)現(xiàn)，因此準(zhǔn)確設(shè)置移動熱源的參數(shù)對于模擬模具的加熱過程至關(guān)重要。移動熱源的熱源強(qiáng)度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響模具的加熱速度和溫度分布。熱源強(qiáng)度的大小取決于加熱設(shè)備的功率和加熱方式。在本研究中，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)際測量，確定熱源強(qiáng)度為8000W/m2。這一數(shù)值是在綜合考慮加熱設(shè)備的實(shí)際性能、模具的尺寸和材料特性等因素后得出的，能夠較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際的加熱情況。移動速度也是移動熱源的重要參數(shù)之一。移動速度的快慢會影響模具受熱的均勻性和加熱時(shí)間。在實(shí)際滾塑成型過程中，模具在加熱區(qū)域內(nèi)以一定的速度移動，以實(shí)現(xiàn)均勻受熱。根據(jù)滾塑設(shè)備的工作參數(shù)和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置移動速度為0.1m/s。這樣的移動速度能夠保證模具在加熱過程中，