CN114239327A - 一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法及系统，建立螺杆挤出机整体装配模型和物料颗粒模型，对螺杆挤出机整体装配模型进行几何清理和网格划分得到有限元网格模型，利用有限元网格模型设定螺杆挤出机整体装配模型的仿真参数，根据建立的物料颗粒模型对螺杆挤出机整体装配模型进行仿真获取仿真结果，对螺杆挤出机整体装配模型中螺杆挤出机进料段结构参数进行调整优化，本发明可针对不同物料进行针对性的挤出螺杆结构设计，能够分析物料在螺杆旋转过程中的受力情况和能量变化，改进螺杆进料段的结构和进料系统的空间布置形式，提高进料效率并减少物料对料筒的摩擦、冲击和振动，提高了螺杆进料设计效率，确保了螺杆挤出效果和挤出效率。
Description
技术领域
本发明属于物料输送领域，具体涉及一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法及系统。
背景技术
单螺杆挤出机是聚合物加工中应用最广泛的装备之一，即通过外部动力传递和外部加热元件的传热进行固体的输送、压实、熔融、剪切挤出成型。挤出机不同区域有不同的功能，一般单螺杆挤出系统可以分为3段设计：进料段、压缩短和均化段。其中，进料段螺沟较深，其功能为负责预热与塑料固体压实和输送，形成固体赛向前移动，保证塑料在进料段结束时开始熔融。固体输送段在提高挤出机的产量和挤出过程中的稳定性方面起着至关重要的作用，因此固体输送性能的优劣直接影响到挤出机的功效。
目前工程上螺杆挤出设计主要参考设计准测，对设计人员的要求较高，要求设计人员有较强的设计经验和综合素质。现有设计方法在大型FDM螺杆挤出系统的设计过程中存在很大的局限性，远远不能满足工程需求。工业级FDM设备的挤出系统选用长臂螺杆三段式设计，不同的颗粒物料需要匹配不同的螺杆结构，特别是对于新研发材料的打印，螺杆挤出效果和挤出效率难以保证，持续性出现物料堵塞、堆积、产量不足等问题，影响设备的正常运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法及系统，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法，包括以下步骤：
步骤1)、建立螺杆挤出机整体装配模型和物料颗粒模型；
步骤2)、对螺杆挤出机整体装配模型进行几何清理和网格划分得到有限元网格模型；
步骤3)、在有限元网格模型基础上设定螺杆挤出机整体装配模型的仿真参数，利用物料颗粒模型对螺杆挤出机整体装配模型进行仿真获取仿真结果；
步骤4)、根据仿真结果中螺杆受冲击的程度，预测螺杆结构薄弱部位，对螺杆挤出机整体装配模型中螺杆挤出机进料段结构参数进行调整优化，然后重复步骤3)和步骤4)，完成螺杆挤出机单螺杆进料的优化。
进一步的，通过三维软件构建螺杆挤出机各部分离散单元的三维模型，根据各部分离散单元的三维模型螺杆挤出机整体装配模型。
进一步的，各部分离散单元的三维模型包括进料漏斗、料筒、连接漏斗和料筒的弯管及螺杆结构。
进一步的，对物料颗粒进行物性参数实验，获得物料的物性参数，并根据物料的物性参数创建物料颗粒模型。
进一步的，物料的物性参数包括密度、泊松比和剪切模量。
进一步的，单元尺寸划分网格尺寸小于物料颗粒模型尺寸，单元类型选择壳单元。
进一步的，仿真参数包括挤出颗粒和离散单元自身材料属性、颗粒与颗粒之间、颗粒与离散单元之间的接触属性、输送的颗粒量、漏斗进料速度、螺杆旋转速度和运行时间。
进一步的，仿真结果包括物料颗粒是否会发生堵料、合料是否混料均匀、进料段是否压实以及结束端是否形成固体塞。
进一步的，仿真结果包括螺杆的法向受力、切向受力及总受力参数。
一种基于离散元法的单螺杆进料优化系统，包括模型建立模块、模型参数调整模块以及模型仿真模块；
模型建立模块用于根据螺杆挤出机建立螺杆挤出机整体装配模型，以及根据物料颗粒参数建立物料颗粒模型，然后对螺杆挤出机整体装配模型进行几何清理和网格划分得到有限元网格模型，有限元网格模型传输至模型仿真模块和模型参数调整模块，模型参数调整模块用于修订调整有限元网格模型参数，调整后的有限元网格模型输入至模型仿真模块，模型仿真模块根据设定螺杆挤出机整体装配模型的仿真参数，以及建立的物料颗粒模型对螺杆挤出机整体装配模型进行仿真获取仿真结果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法，通过建立螺杆挤出机整体装配模型和物料颗粒模型，然后对螺杆挤出机整体装配模型进行几何清理和网格划分得到有限元网格模型，利用有限元网格模型设定螺杆挤出机整体装配模型的仿真参数，根据建立的物料颗粒模型对螺杆挤出机整体装配模型进行仿真获取仿真结果，然后根据仿真结果中螺杆受冲击的程度，预测螺杆结构薄弱部位，对螺杆挤出机整体装配模型中螺杆挤出机进料段结构参数进行调整优化，完成螺杆挤出机单螺杆进料的优化，可针对不同物料进行针对性的挤出螺杆结构设计，能够分析物料在螺杆旋转过程中的受力情况和能量变化，改进螺杆进料段的结构和进料系统的空间布置形式，提高进料效率并减少物料对料筒的摩擦、冲击和振动，提高了单螺杆进料设计效率，确保了螺杆挤出效果和挤出效率。
进一步的，通过三维软件构建螺杆挤出机各部分离散单元的三维模型，根据各部分离散单元的三维模型螺杆挤出机整体装配模型，能够对每个部件进行参数修改，提高优化设计精度。
进一步的，根据物料的密度、泊松比和剪切模量建立物料模型，能够真实反映物料挤压过程中与螺杆之间的受力情况，更佳真实的反应了螺杆的工况，有利于优化参数的调整。
进一步的，单元尺寸划分网格尺寸小于物料颗粒模型尺寸，能够提高优化精度。
本发明一种基于离散元法的单螺杆进料优化系统，结构简单，能够分析物料在螺杆旋转过程中的受力情况和能量变化，改进螺杆进料段的结构和进料系统的空间布置形式，提高进料效率并减少物料对料筒的摩擦、冲击和振动，提高了单螺杆进料设计效率，确保了螺杆挤出效果和挤出效率。
附图说明
图1为本发明实施例中螺杆挤出进料分析流程图。
图2为发明实施例中对模型进行网格划分示意图。
图3为本发明实施例中具体颗粒运动轨迹分布图。
图中，1—进料漏斗、2—连接漏斗和料筒的弯管、3—料筒、4—螺杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法，包括以下步骤：
步骤1)、构建螺杆挤出机各部分离散单元的三维模型，建立螺杆挤出机整体装配模型；
通过三维软件构建螺杆挤出机各部分离散单元的三维模型，所述各部分离散单元的三维模型包括进料漏斗1、料筒3、连接漏斗和料筒的弯管2及螺杆4，并将三维模型导入前处理软件ANSA，模型如图2所示；
步骤2)、利用前处理软件对螺杆挤出机整体装配模型进行几何清理和网格划分得到有限元网格模型，并将有限元网格模型导入离散元模型软件EDEM；构建物料颗粒模型，并将物料颗粒模型导入离散元模型软件EDEM；
对物料颗粒进行物性参数实验，获得物料的物性参数，并根据物料的物性参数创建物料颗粒模型，物料的物性参数包括密度、泊松比和剪切模量。
单元尺寸划分网格尺寸小于物料颗粒模型尺寸，单元类型选择壳单元。
步骤3)、设定螺杆挤出机整体装配模型的仿真参数，利用物料颗粒模型对螺杆挤出机整体装配模型进行仿真获取仿真结果；
仿真参数包括挤出颗粒和离散单元自身材料属性、颗粒与颗粒之间、颗粒与离散单元之间的接触属性、输送的颗粒量、漏斗进料速度、螺杆旋转速度和运行时间。选择Hertz-Mindlin with heat conduction传热模型，设定颗粒模型初始温度及颗粒模型之间的热导率参数。
步骤4)、根据仿真结果中螺杆受冲击的程度，预测螺杆结构薄弱部位，对螺杆挤出机整体装配模型中螺杆挤出机进料段结构参数进行优化，然后重复步骤3)和步骤4)，完成螺杆挤出机单螺杆进料的优化；具体仿真如图3所示。
仿真结果包括螺杆的法向受力，切向受力及总受力情况，比较螺杆受冲击的程度，预测螺杆结构薄弱部位并进行改进。
仿真结果还包括模拟得到颗粒之间热传导过程。设定螺杆旋转速度大小和旋转轴，螺杆沿逆时针方向旋转；所述提交计算，输出仿真结果，需要观测物料颗粒在螺杆中的运行状态，得到物料颗粒是否会发生堵料、合料是否混料均匀、进料段是否压实以及结束端是否形成固体塞。
物料颗粒在螺杆中的运行状态，具体包括：每个颗粒的速度、位置和运行轨迹，颗粒之间相互碰撞的级别、频率和分布以及颗粒碰撞、磨损、凝聚和分离相关的能量变化，得到物料是否会发生堵料、是否混料均匀、进料段是否压实并形成固体塞向前推动。
分析颗粒物料在螺杆旋转过程中的运动状态，评价物料的输送情况，若不满足工程设计要求，对螺杆挤出机整体装配模型中螺杆挤出机进料段结构参数进行优化，然后重复步骤4)和步骤5)，直至获取形成固体塞的螺杆设计长度，得到螺杆进料段的最优设计长度。
Claims (10)
1.一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、建立螺杆挤出机整体装配模型和物料颗粒模型；
步骤2)、对螺杆挤出机整体装配模型进行几何清理和网格划分得到有限元网格模型；
步骤3)、在有限元网格模型基础上设定螺杆挤出机整体装配模型的仿真参数，利用物料颗粒模型对螺杆挤出机整体装配模型进行仿真获取仿真结果；
步骤4)、根据仿真结果中螺杆受冲击的程度，预测螺杆结构薄弱部位，对螺杆挤出机整体装配模型中螺杆挤出机进料段结构参数进行调整优化，然后重复步骤3)和步骤4)，完成螺杆挤出机单螺杆进料的优化。
2.根据权利要求1所述的一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法，其特征在于，通过三维软件构建螺杆挤出机各部分离散单元的三维模型，根据各部分离散单元的三维模型螺杆挤出机整体装配模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法，其特征在于，各部分离散单元的三维模型包括进料漏斗、料筒、连接漏斗和料筒的弯管及螺杆结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法，其特征在于，对物料颗粒进行物性参数实验，获得物料的物性参数，并根据物料的物性参数创建物料颗粒模型。
5.根据权利要求4所述的一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法，其特征在于，物料的物性参数包括密度、泊松比和剪切模量。
6.根据权利要求1所述的一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法，其特征在于，单元尺寸划分网格尺寸小于物料颗粒模型尺寸，单元类型选择壳单元。
7.根据权利要求1所述的一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法，其特征在于，仿真参数包括挤出颗粒和离散单元自身材料属性、颗粒与颗粒之间、颗粒与离散单元之间的接触属性、输送的颗粒量、漏斗进料速度、螺杆旋转速度和运行时间。
8.根据权利要求1所述的一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法，其特征在于，仿真结果包括物料颗粒是否会发生堵料、合料是否混料均匀、进料段是否压实以及结束端是否形成固体塞。
9.根据权利要求1所述的一种基于离散元法的单螺杆进料优化方法及系统，其特征在于，仿真结果包括螺杆的法向受力、切向受力及总受力参数。
10.一种基于离散元法的单螺杆进料优化系统，其特征在于，包括模型建立模块、模型参数调整模块以及模型仿真模块；
模型建立模块用于根据螺杆挤出机建立螺杆挤出机整体装配模型，以及根据物料颗粒参数建立物料颗粒模型，然后对螺杆挤出机整体装配模型进行几何清理和网格划分得到有限元网格模型，有限元网格模型传输至模型仿真模块和模型参数调整模块，模型参数调整模块用于修订调整有限元网格模型参数，调整后的有限元网格模型输入至模型仿真模块，模型仿真模块根据设定螺杆挤出机整体装配模型的仿真参数，以及建立的物料颗粒模型对螺杆挤出机整体装配模型进行仿真获取仿真结果。
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