熱封包裝機(jī)熱壓輥熱-結(jié)構(gòu)耦合分析及優(yōu)化

田文昊，馬智彬，劉文芝

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051）

熱封包裝機(jī)熱壓輥熱-結(jié)構(gòu)耦合分析及優(yōu)化

田文昊，馬智彬，劉文芝

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051）

利用Pro/E5.0軟件的強(qiáng)大三維造型功能對(duì)熱壓輥進(jìn)行零件建模與裝配，得到其三維實(shí)體。再將得到的三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，在ANSYS Workbench中對(duì)熱壓輥進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，求出其在工作溫度下的變形。并且在保證熱壓輥表面溫度的情況下，對(duì)加熱棒數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

Pro/E；熱壓輥；ANSYS Workbench；耦合分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

冰勺熱封包裝機(jī)的核心是熱封部分，而熱壓輥又是熱封部分的核心組件。熱壓輥的功能是對(duì)復(fù)合PE膜（淋膜紙）進(jìn)行加熱加壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)冰勺的緊密封合。當(dāng)復(fù)合PE膜厚度0.085mm～0.100mm時(shí)，其最適宜的熱封溫度區(qū)間為185℃～205℃。在考慮到高溫情況下，熱壓輥會(huì)不可避免的會(huì)產(chǎn)生形變，對(duì)包裝機(jī)的正常工作產(chǎn)生不可忽略的影響——壓輥膨脹卡死，因而在機(jī)器設(shè)計(jì)之初對(duì)熱壓輥進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析是很有必要的。本文利用Pro/E5.0軟件對(duì)熱壓輥進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立樣機(jī)模型，并將其導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，使-得熱壓輥設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)始終處于可控制與可預(yù)見(jiàn)狀態(tài)，進(jìn)而降低成本，縮短設(shè)計(jì)周期。

1 熱壓輥有限元模型

1.1 熱壓輥的三維模型

Pro/E是美國(guó)PTC公司一款極其優(yōu)秀的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件，是現(xiàn)今的主流CAD/CAM/CAE軟件之一，占據(jù)了國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要位置[1]。本文利用Pro/E技術(shù)對(duì)熱壓輥進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并建立三維樣機(jī)模型。根據(jù)功能要求，熱壓輥主要由傳熱部分、定位槽筒組成。傳熱部分上有加熱孔，孔內(nèi)插電加熱棒，以此來(lái)對(duì)熱壓輥進(jìn)行加熱。建模時(shí)，需要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，例如：模型中的圓角和倒角以及對(duì)分析結(jié)果不造成很大影響的小孔應(yīng)該盡量省略。簡(jiǎn)化后得到的三維模型如圖1所示。

圖1 熱壓輥模型

1.2 熱壓輥有限元計(jì)算模型

在對(duì)熱壓輥進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析之前，要對(duì)其三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將Pro/E中建立的模型保存為后綴名為“.xt”格式的Parasolid文件，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench中。Workbench軟件提供多種劃分網(wǎng)格的方法，本文采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法，并對(duì)其進(jìn)行Sizing設(shè)置。網(wǎng)格劃分完畢后得到306870個(gè)節(jié)點(diǎn)，203089個(gè)單元。熱壓輥有限元模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分模型

2 熱壓輥的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

在ANSYS Workbench中進(jìn)行的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，是在熱分析的基礎(chǔ)上，將熱分析所得的結(jié)果作為后續(xù)結(jié)構(gòu)分析所需要的載荷，導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析中，從而得到在溫度載荷作用下熱壓輥?zhàn)冃吻闆r的分析方法。

2.1 設(shè)置材料屬性

根據(jù)實(shí)際情況定義熱壓輥各部分的材料屬性。考慮傳熱部分與熱封槽筒要具備良好的傳熱性能、機(jī)械性能與經(jīng)濟(jì)性，在此選擇鋁合金（87Al-13Si），材料參數(shù)如表1所示。

2.2 熱壓輥的穩(wěn)態(tài)熱分析

計(jì)算熱力學(xué)在工程問(wèn)題中至關(guān)重要。熱分析的目的就是計(jì)算模型內(nèi)的溫度分布以及熱流密度、熱梯度等物理量[2]。基于傅里葉傳熱定律與能量守恒定律，可以建立熱分析問(wèn)題的微分方程，即物體的瞬態(tài)溫度場(chǎng)T（x，y，z，t）應(yīng)該滿(mǎn)足如下方程[3]。

其中，cT為材料比熱；ρ為材料密度；kx、ky、kz分別為沿x、y、z方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Q為物體內(nèi)部熱源強(qiáng)度。如果邊界上的換熱條件與物體內(nèi)部熱源都不隨時(shí)間發(fā)生變化，那么經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的熱交換后，物體內(nèi)部的溫度也不隨時(shí)間變化，即：

則方程(1)變?yōu)椋?/p>

進(jìn)而，可以得到穩(wěn)態(tài)熱分析的有限元一般方程的矩陣形式：

其中[K]為熱傳導(dǎo)矩陣，包含對(duì)流系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)與輻射和形狀系數(shù)；[T]為節(jié)點(diǎn)溫度向量；[Q]為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。ANSYS Workbench利用模型的幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所設(shè)定的邊界條件，生成[K]{T}和{Q}。

求解過(guò)程如下：

1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，加載工作溫度，每個(gè)加熱孔加載溫度200℃，共8處。

2）邊界條件的設(shè)定：

邊界條件包括熱對(duì)流與熱輻射。本文所分析的內(nèi)容，輻射量較小，故而忽略，只考慮熱對(duì)流。要求出對(duì)流傳熱，則必須要知道對(duì)流換熱系數(shù)。對(duì)流換熱系數(shù)表示流體與固體表面之間的換熱能力。根據(jù)Nusselt準(zhǔn)則，對(duì)流換熱系數(shù)h的計(jì)算公式[4]為：

其中：Nu為Nusselt系數(shù)；k為流體導(dǎo)熱系數(shù)；L為特征長(zhǎng)度。由上式可知，只要知道Nusselt系數(shù)，便可計(jì)算出對(duì)流換熱系數(shù)h。

在設(shè)備正常工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)的熱壓輥會(huì)加速與空氣的對(duì)流換熱，此時(shí)Nusselt系數(shù)公式[5]為：

表1 材料參數(shù)

3）求解結(jié)果，設(shè)置好邊界條件，所得結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱壓輥的溫度分布云圖

從圖上可以看出，熱壓輥上最低溫度為199.27℃，完全滿(mǎn)足工作要求。

3 熱壓輥的熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算

在求得熱壓輥的溫度分布之后，對(duì)其進(jìn)行其熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。熱-結(jié)構(gòu)耦合分析是在靜力學(xué)分析與熱分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。利用ANSYS Workbench進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析時(shí)常用的分析方法有兩種[6]：直接耦合分析方法與順序耦合分析方法。直接耦合分析方法是直接采用具有位移和溫度自由度的耦合單元，并且得到熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果的方法。順序耦合分析方法是包含兩個(gè)或多個(gè)相關(guān)物理場(chǎng)并按一定順序排列進(jìn)行分析。即通過(guò)第一個(gè)物理場(chǎng)分析得到的結(jié)果做為第二個(gè)物理場(chǎng)分析的載荷邊界條件從而實(shí)現(xiàn)兩種物理場(chǎng)的耦合。考慮到熱壓輥不存在高度的非線(xiàn)性作用，所以采用順序耦合方法更為有效。其熱-結(jié)構(gòu)耦合載荷傳遞分析界面如圖4所示。

圖4 熱-結(jié)構(gòu)耦合載荷傳遞分析界面

進(jìn)入Static Structural模塊后，為了還原熱壓輥在真實(shí)工作情況下的變形情況，對(duì)熱壓輥與軸的接合面施加固定約束。然后對(duì)其熱變形進(jìn)行求解得到熱壓輥的綜合變形云圖如圖5所示。

圖5 熱壓輥的綜合變形云圖

從圖5中可以看出，除了固定位置沒(méi)有產(chǎn)生位移，其他所有地方均因受熱產(chǎn)生了位移。熱壓輥?zhàn)畲鬅嶙冃挝恢脼槎ㄎ徊弁餐鈧?cè)，其大小約為0.299mm。由于熱封基材為雙層復(fù)合PE膜，其總厚度為0.170mm～0.200mm。所以熱壓輥的熱變形對(duì)于設(shè)備能夠正常工作的影響不能忽略，因此在設(shè)計(jì)包裝機(jī)熱封部分時(shí)應(yīng)著重考慮熱壓輥的合理裝配位置與裝配精度。熱封槽也因熱封槽筒受熱變形而受到影響，變形區(qū)間約為0.199mm～0.299mm。由于熱封槽變形屬于外擴(kuò)型變形，因此不會(huì)影響到冰勺正常的嵌入。

4 加熱棒數(shù)量的優(yōu)化

對(duì)熱壓輥進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析后可以知道，只要有溫升，熱壓輥就會(huì)發(fā)生變形。在不影響熱壓輥正常工作時(shí)的溫度條件下，本文通過(guò)將原來(lái)8個(gè)加熱棒減少為4個(gè)加熱棒來(lái)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，然后對(duì)優(yōu)化加熱棒數(shù)量后的熱壓輥進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得出分析結(jié)果，并與優(yōu)

【】【】化前的的結(jié)果進(jìn)行比較和分析，確定設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。

通過(guò)優(yōu)化后的分析結(jié)果可以看出，優(yōu)化為4個(gè)加熱棒后的熱壓輥表面溫度最低為188.64℃，大于復(fù)合PE膜的最低熱封溫度，滿(mǎn)足工作要求。最大熱變形由原來(lái)的0.299mm降低為0.153mm。通過(guò)減少加熱棒的數(shù)量，不僅減少了熱壓輥48.8%的熱變形量，還可以降低生產(chǎn)成本。圖6、圖7分別為優(yōu)化加熱棒數(shù)量之后的熱壓輥的溫度云圖與綜合變形云圖。

圖6 優(yōu)化后的熱壓輥溫度云圖

圖7 優(yōu)化后的熱壓輥綜合變形云圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)冰勺熱封包裝機(jī)的熱壓輥進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得到了熱壓輥的溫度分布云圖、綜合變形云圖，能夠驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性以及預(yù)測(cè)在未來(lái)裝配機(jī)器時(shí)所遇到的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析和研究，對(duì)熱壓輥的電加熱棒數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析，來(lái)確定優(yōu)化后的熱壓輥是否能夠滿(mǎn)足實(shí)際要求，為冰勺熱封包裝機(jī)的裝配及進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本文通過(guò)Pro/E5.0軟件建立熱壓輥的三維模型，并將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，在ANSYS Workbench中對(duì)其進(jìn)行其穩(wěn)態(tài)熱分析、熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，然后再對(duì)其電加熱棒數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，這為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)節(jié)省大量的時(shí)間。此技術(shù)的成熟可簡(jiǎn)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程，縮短開(kāi)發(fā)周期，減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用和成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

[1] 張?jiān)旗o.Pro/ENGINEER野火5.0中文版從入門(mén)到精通[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[2] 黃志新,劉成住.ANSYS Workbench14.0 超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京:人民郵電出版社,2014:314-315.

[3] 趙騰倫,姚新軍.ABAQUS6.6在機(jī)械工程中的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2007:157-159.

[4] 鄒君陽(yáng),肖民,何云.基于ANSYS Workbench的機(jī)床熱結(jié)構(gòu)與熱平衡分析[J].機(jī)械制造,2012,(10):8-10.

[5] Jin Kyung Choi,Dai Gil Lee.Thermal Characteristics of the Spindle Bearing System with a Gear Located on the Bearing Span[J].International Journal of Machine Tools&Manufactu re,1998:1019-1032.

[6] 火統(tǒng)龍,葛文杰,趙煒.減速器箱體的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析[J].機(jī)械傳動(dòng),2014,(4):134-135.

Optimization and thermal-structure coupling analysis of heat-seal packing machine heat-press roller

TIAN Wen-hao, MA Zhi-bin, LIU Wen-zhi

TB486

：A

1009-0134(2017)03-0090-03

2016-11-15

田文昊（1989 -），男，內(nèi)蒙古烏海人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與理論。