毕业设计拉挤成型计算机辅助分析及优化.docx
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毕业设计拉挤成型计算机辅助分析及优化
本科毕业设计（论文）
题目：
拉挤成型计算机辅助分析及优化
ComputeraidedengineeringandoptimizationonPultrusionprocess
学院机械工程与力学院
专业机械设计制造及其自动化（国贸）
班级机械国贸118
学号116130019
学生姓名岑圣栋
指导教师陈兴
完成日期2015/4
诚信承诺
我谨在此承诺：
本人所写的毕业论文《拉挤成型计算机辅助分析及优化》的主体均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担并愿接受校方的处分。
承诺人（签名）：
年月日
目 录
4.1.3实验三4
4.1.4实验四4
4.1.5实验五4
4.1.6实验六4
4.1.7实验七4
4.1.8实验八4
拉挤成型计算机辅助分析及优化
【摘要】复合材料具有的比强度较高，质量较轻等优点，应用范围涵盖交通，电气，航空，航天，医疗等多个领域，作为复合材料众多成型方法之一拉挤成型，是复合材料工业生产中一项必不可少的技术。
拉挤成型模是其重要的工具，本文将以拉挤成型三维夹板产品为分析例子，利用正交实验法设计分析实例，并利用有限元软件完成分析对拉挤力、拉挤速度等参数进行分析，通过对边界温度控制装置的安排布置，控制模内温度的分布进而得到材料固化的合理分布，为最终得到较为优化的成型方案提供可行的设计依据。
【关键词】拉挤成型；正交实验；热固性；工艺优化
ComputeraidedengineeringandoptimizationonPultrusionprocess
【ABSTRACT】Compositematerialswithahighspecificstrength,lightweightcanbefoundwideapplicationinmanufacturingindustryoftransportation,electrical,aviation,aerospace,medicalandotherfields.Pultrusionbecomeanindispensableindustrialproductiontechnologyforcompositesmaterial.Pultrusiondieistheimportanttoolforpultrusionprocess.Thispaperwillestablish3Dfiniteelementmodelofsandwichforpultrusionprocess.Usingthefiniteelementsoftwareanalysis-LUSASsoftware,pulstrusionprocessissimulated.Basedondesignofexperiments（DOE）,pultrusionspeed,temperatureboundaryconditionisanalyzedandoptimizedtoobtainoptimizeddistributionofdegreeofcuring.Finally,theoptimizedprocessandconfigurationcanbeachieved.
【KEYWORDS】pultrusion；Theorthogonalexperimentmethod；Compositematerials；Processoptimization
1概述
1.1社会背景
人类追求制造方便可塑性强又强度高的材料从古至今都是社会主流的问题，世界历史经历的石器时代的石制材料到青铜器时代的跨越，中国的历史上也经历了从青铜器到铁器的演化。
而在现在社会中，这种追求材料本身的性能转变为对材料工艺处理的技术优化，相同的材料在不同的工艺条件展现出来的性能特点也是不同的。
因此优化工艺成为了人类追求优秀材料的一种途径。
拉挤工艺在当前社会中由于其特殊的性能优势有着不可替代的地位。
目前还处在飞速发展的状态中。
主要用来生产大尺寸或者截面较为复杂的产品。
截止2008年年底，全球拉挤成型工业呈现出飞速的增长趋势，2009-2014年的发展趋势也想当乐观。
同时，告诉的工艺发展对拉挤产品的事情也会产生相当大的影响。
全球拉挤成型的市场范围相当全面，主要涵盖以下应用领域：
格栅、建筑用型材、窗户型材、梯栏杆、电绝缘体、工具手柄、电线杆等。
拉挤成型市场区域性比较明显，拉挤成型一般使用的材料是如增强材料和树脂。
1.2拉挤成型工艺发展史
拉挤成型是一种以连续纤维及其织物或毡类材料增强型材的工艺方法。
基本工艺过程，将增强材料通过外力的牵引之后，经过浸胶、预成型、热模固化、在连续出模下经定长切割或一定的后加工，得到型材制品。
拉挤成型技术专利最早在1951年注册于美国。
直到60年代,拉挤成型的还没有得到真正的推广，其适用范围还非常的少，一般用来生产固体芯棒和电绝缘材料。
到了60年代中期，高强度，质量轻，耐腐蚀的材料成为了主流，人们追求这种特性的材料以求得到产品的质量提升，拉挤成型行业得到了长足的发展，其中具有里程碑意义的事连续纤维毡的出现。
它解决了拉挤成型材料横向强度的问题。
在70年代，拉挤产品开始进入结构材料的领域，并且以每年20%左右的速度增长，成为复合材料行业非常重要的成型技术。
从此开始,拉挤成型过程得到了全方面快速的发展和广泛的应用。
于此同时，国内对拉挤成型的关注度也开始慢慢上升。
1.3拉挤工艺现状
拉挤成型工艺目前正处在飞速发展的阶段。
综合国内外发展趋势，它主要用来生产一些尺寸大，携带轻便，强度要求高的产品，发展重点为：
新型海洋用复合材料、电力传输、民用工程的结构组件、以及高层建筑土木工程项目。
目前世上最厚的拉挤成型产品达到了101.6mm，同时拉挤工艺也从各种各样不同的研究发展到能以更加科学的手段来进行实验，反复借助各种电子设备，模具设计等手段模拟其过程，最后优化这种工艺。
随着科技和设备的发展，那些之前被认为是不可能的工艺也散发出了曙光。
拉挤成型的特点：
一是工艺简单、高效，适合于高性能纤维复合材料的大规模生产。
拉挤成型的速度可以达到4m/min以上，同时又可以进行多件产品的生产使得它有很高的生产效率。
二是拉挤成型最能发挥出增强纤维的作用。
在大多数复合材料制造工艺中纤维是不连续的，这使纤维强度损失极大，即使连续纤维缠绕，由于纤维的弯曲、交迭等也使其强度有一定损失。
例如螺旋缠绕中，纤维的张度发挥一般只有75%～85%。
在拉挤成型中，纤维不仅连续而且充分展直，是发挥纤维强度的理想形式。
三是质量波动小。
拉挤工艺工序步骤少，使用时间少，外界环境和人为操作对制品的影响小。
因此使用相同的材料进行制造是，拉挤成型产生的制品的质量要高于其他工艺制造的产品。
2拉挤工艺分析及成型方法
2.1工艺分析
2.1.1拉挤工艺成型简介
拉挤成型是一种生产横截面不变的连续长度的复合型材的过程。
原材料包括树脂基体和增强纤维。
这种工艺比较适合生产玻璃钢型材，这些制品往往拉伸强度高，自由性强，弹性好，绝缘性强，耐腐蚀而且可以定制很多不同的颜色。
2.1.2拉挤工艺优缺点
拉挤成型是复合材料成型工艺中的一种特殊工艺，其优点是：
1生产过程全自动化控制，而且生产效率高；
2最后制品的纤维含量很高，能充分发挥增强材料作用使得产品的强度很高；
3制品不同方向上的强度可以随意进行调整，这样可以满足不同的产品力学性能的要求；
4生产过程无其他废料，产品无需后期处理，所以这工艺更节能，节省材料和能源消耗；
5最后产品质量好，可以进行切割以满足不同的需求。
拉挤成型工艺的缺点是：
不能利用非连续增强材料；
产品的形状比较单一，而且横向的强度不是很高；
制作产品的模具的花费高；
一般生产产品的横截面固定。
2.1.3拉挤工艺成型流程
拉挤成型工艺过程是由送纱、浸胶、预成型、固化定型、牵引、切断等工序组成。
无捻粗纱从纱架引出后，经过排纱器进入浸胶槽浸透树脂胶液，然后进入预成型模，将多余树脂和气泡排出，再进入成型模凝胶、固化。
固化后的制品由牵引机连续不断地从模具拔出，最后由切断机定长切断。
在成型过程中，每道工序都可以有不同方法：
如送纱工序，可以增加连续纤维毡，环向缠绕纱或用三向织物以提高制品横向强度。
拉挤成型的种类有很多。
如间歇式和连续式，立式和卧式，湿法和干法，履带式牵引和夹持式牵引，模内固化和模内凝胶模外固化，加热方式有电加热、红外加热、高频加热、微波加热或组合式加热等。
拉挤成型典型工艺流程为：
玻璃纤维粗纱排布浸胶→预成型→挤压模塑及固化→牵引→切割→制品
图2.1拉挤成型工艺流程图
（1）排沙：
排沙是将安装在纱架上的增强材料从纱筒上引出并均匀整齐排布的过程。
（2）树脂浸渍：
是将排布整齐的增强纤维均匀浸渍上已配制好的不饱和树脂的过程，一般是采用将纤维通过装有树脂胶槽时进行的。
一般分为：
直槽浸渍法和滚筒浸渍法，其中以直槽浸渍法最为常用。
（3）预成型：
预浸好的增强材料穿过预成型装置，以连续方式运转，以便确保它们的相应位置，经预成型装置将预浸好的增强材料逐步过渡成为型材的形状同时挤出多余的树脂，然后进入模具，进行成型固化。
（4）模塑及固化：
成为型材形状的浸胶增强材料进入模具在模具中固化成型
（5）牵引切割：
产品从出口出来然后被切割成所需的长度。
这过程中产品被切割的力量和重量可以与传统的金属型材钢和铝的强度和重量相比较。
2.1.4拉挤成型的各种模型
在过去的30年里,许多研究人员已经产生了不同版本的拉挤成型传热和固化的模型。
这样设计出的模型很有价值。
率先提出的模型教简单,但只限于等温和绝热过程，这显然不合乎实际非等温的情形。
在1986年,Roy使用一级动力学和二维空间传热分析了拉挤成型的过程。
他的模型被应用于不规则形状的情况。
Ma（Ma,M,Lee,Lee,&Hwang,1986）然后提出了一种热传递-解释了环氧树脂是采用轴向热传递。
然而轴向传导的意义没给出科学的解释。
当Tulig（T.J.,1985）和Buck（Buck,H.J,Blankenship,&Bryan,1989）提出了一个利用边界条件来模拟从加热带进行热输入并且空气也通过对流产生热损失的模型，拉挤成型得到了重大的发展。
Larock（J.A.,Hahn,&Evans,1989）和Astrom（T.&Pipes,1991）使用非等温结晶动力学方程得出了一个热塑性塑料在拉挤成型过程中冷却的时候放热的模型。
在1989年，Batch和Macosko（L.&Macosko,1987）利用实验展示了拉挤成型过程中温度，树脂压强和牵引力。
它也分析了在通过模具时的热传递。
Ruan和Liu使用有限元分析法和二维稳态传热模型演示了纤维增强热塑性拉挤成型的过程。
在这模型中，不同材料界面的热传递也被考虑进去。
Suratno（Suratno,Ye,&Mai,1996）然后采用了一个迭代的计算方法来模拟拉挤成型过程。
在这个模型中,运用二维有限元的方法模拟传热传递和温度分布。
在1999年，Lam（Liu,Crouch,&Lam,2000）利用了LUSAS软件的有限元求解功能和LUSAS软件的二次开发功能,开发出拉挤成型中热传递和固化反应的模型。
该模型是建立在三维和瞬态基础上的,因此能有效的设计和控制各种拉挤变量，例如拉挤速度,纤维体积分数和加热方法,得到各种条件下的分析结果供设计人员分析和参考.
2.2DOE实验介绍
2.2.1Taguchi实验介绍
Taguchi实验设计方法是采用正交矩阵对多个实验因数的优化方法，无需进行大量的实验就可以找到在所有影响因素及对应水平条件下的最优水平组合和各个实验因数对实验指标的影响效果。
运用正交矩阵的目的是避免进行繁琐复杂的重复工作，高效便捷的在多因素的变量控制实验中得出最优的试验组合，正交实验设计（Orthogonalexperimentaldesign）是研究多因素多水平的又一种设计方法，它的原理是在所有因素的组合中挑选出具有代表性的组合进行实验这些被称为具有代表性的点，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，正交实验设计是分式析因设计的主要方法。
是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。
日本著名的统计学家田口玄一将正交实验选择的水平组合列成表格，称为正交表。
例如作一个三因素三水平的实验，按全面实验要求，须进行33=27种组合的实验，且尚未考虑每一组合的重复数。
若按L
9（3
）正交表按排实验，只需作9次，按L
（3
）正交表进行18次实验，显然大大减少了工作量。
因而正交实验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用
2.2.2正交表的性质
所谓正交表就是一套规则的设计表格，用途是进行正交实验。
L为正交表的代号，n为实验的次数，t为水平数，c为列数，也就是可能安排最多的因素个数。
例如L4（23）表示的是需要做4次实验，最多可以观察3个因素，每个因素为3水平。
若各列的水平数不相同，也可以设计成混合型正交表。
如L8（4×24），表的5列中，有1列为4水平，4列为2水平。
每一列中，不同的数字出现的次数相等。
例如在两水平正交表中，任何一列都有数码“1”与“2”，且任何一列中它们出现的次数是相等的；如在三水平正交表中，任何一列都有“1”、“2”、“3”，且在任一列的出现数均相等。
另外，任意两列的数字排列齐全且均衡，这也是正交表的一个性质。
在两水平的正交表中，任意两列有序对子共有四组：
（1，1）、（1，2）、（2，1）、（2，2），且出现次数相同。
这些性质体现了正交实验“均匀分散，整齐可比”的特点。
2.2.3常用的正交表的介绍
以下介绍几种常用的正交表，一般简单的问题可以通过这些正交表解决。
其构造方法本文不做过多的介绍。
表2.1L9（34）正交表
列号
1
2
3
4
试验号
1
1
1
1
1
2
1
2
2
2
3
1
3
3
3
4
2
1
2
3
5
2
2
3
1
6
2
3
1
2
7
3
1
3
2
8
3
2
1
3
9
3
3
2
1
表2.2L4（23）正交表
列号
1
2
3
实验号
1
1
1
1
2
1
2
2
3
2
1
2
4
2
2
1
表2.3L8（27）
列号
1
2
3
4
5
6
7
实验号
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
2
2
2
2
3
1
2
2
1
1
2
2
4
1
2
2
2
2
1
1
5
2
1
2
1
2
1
2
6
2
1
2
2
1
2
1
7
2
2
1
1
2
2
1
8
2
2
1
2
1
1
2
3因素的确定与模型的建立
3.1软件LUSASmodeler简介
有限元分析，就是将连续体或结构划分为许多单元，通过一节点把有限个单元连成集合体代替原来的连续体或结构，即把连续体转化为离散模型来进行力学分析。
根据分块近似的思想，选择简单的函数近似地表示单元内位移变化规律，利用力学推导建立单元的平衡方程组，再把所有单元的方程组集合成表示整个结构的力学特性的代数方程组，最后引入边界条件求解代数方程组获得数值解。
划分的单元愈多、愈密集、就愈能反应实际结构的状况，计算精度就愈高。
但同时计算工作量会增大，所以在实际计算中采用计算机完成方程组的求解。
因此，它具有物理概念清晰，容易理解和掌握；适应性强，应用范围广泛；许多复杂的工况和边界条件都可灵活考虑的优点。
而本次我采用的是LUSAS软件。
LUSAS包括LUSASBridge，LUSAScivil&Structural,LUSASComposite等不同功能的系列。
其中LUSAS Analyst 包含了许多可以用于分析的工具，这可以满足各种类型的设计。
从梁和板的简单二维线性分析到壳和实体模型的高级三维非线性分析，LUSASAnalyst将总是会缩短你的设计和校验时间，并给出可靠的结果。
LUSASAnalyst具有强大的温度单元和扩展工具，可进行简单和复杂的稳态或瞬态温度分析。
包括由于传导引起的热传递、对流和辐射问题，都可以进行求解。
材料的相改变效应也可以被考虑。
如果温度的分布对材料属性影响比较大，那么可以采用半耦合的温度/机械分析。
组成成分形态的改变也可以通过完全耦合分析来实现。
3.2模型的建立
在进行分析前，首先利用有限元分析软件LUSASModeller创建一个可以对其分析拉挤成型过程的三维夹板模型。
图3-2LUSASModeller建立的三维模型
如图所示是用LUSAS软件创建的模型，其中包括了三维夹板本身和模具。
红色区域为顶部的模具上配置的三个加热器，3个加热器分布在不同的区域。
未经处理的三维夹板外层和内部材料通过模具出来后就固化了。
3.3三维夹板拉挤成型过程分析
3.3.1模型大小
建立的模型参照飞机机翼的三维夹板，实际情况按照6:
1的比例缩小
长度：
600mm
宽度：
230mm（夹板=200mm，模具30mm）
高度：
50mm（其中模具高度为30mm,夹板高度为20mm，）
模型包含有3000个单元，每个单元长度为5mm
其中模型顶端单元包设置为加热器：
3.3.2分析模型
图3模型横截面各节点
如图所示表示了模型其中一个横截面的36个节点，这些节点组成了25个单元。
其中
～
单元表示模具，其余单元为拉挤产品,根据产品的对称性特点,该模型取实际产品的四分之一为分析模型。
3.4实验因素的选择
在拉挤成型实验过程中，影响成型效果的因素有很多。
我们在选择的时候要考虑到全面具有代表性。
在三维夹板的拉挤成型过程中，对其影响较大的因素有：
拉挤速度、加热器温度与配置、三维夹板不同厚度配置、初始边界条件（入口温度）。
我们选择这四个影响较大的因素作为研究对象。
表3.1实验因子和实验因子水平
因子水平
符号
因子水平
因子水平
因子水平
拉速度mm/s
A
2.5mm/s
6.667mm/s
8mm/s
加热器配置℃
B
加热器1160℃
加热器2160℃
加热器3170℃
加热器1160℃
加热器2170℃
加热器3160℃
加热器1170℃
加热器2160℃
加热器3160℃
玻璃钢厚度mm
C
2mm
4mm
6mm
入口温度℃
D
45℃
50℃
55℃
由于我们研究的是4因素3水平的正交实验，我们选择L9（34）正交表：
列号
A
B
C
D
试验号
实验1
1
1
1
1
实验2
1
2
2
2
实验3
1
3
3
3
实验4
2
1
2
3
实验5
2
2
3
1
实验6
2
3
1
2
实验7
3
1
3
2
实验8
3
2
1
3
实验9
3
3
2
1
3.5材料的选择
整个拉挤成型过程中材料的选择总共包括4个部分。
外部有加热模具，其中配置了加热器对材料进行加热。
其余包括三维夹板的中心泡沫，加固物和树脂。
泡沫的主要作用是缓冲，加固物则增强了力学性能，而树脂则赋予最后产品不同的特性。
组件
材料
加热模具
Crome
中心
硬质聚氨酯泡沫
树脂
乙烯基酯树脂
加固物
玻璃纤维
热固性树脂的成型工艺有很多种类，这些成型工艺在过程和原理上有很多不同，但是他们都有一个共同的阶段，就是树脂分子之间交联反应固化成型的过程。
拉挤实验中使用的玻璃纤维聚酯树脂的热固性特性在温度不同时会表现出不同的特点。
在拉挤成型工艺，树脂材料固化反应放热造成材料温度升高，使得固化程度受到不同程度的影响。
其动力学方程式可：
式中，
代表的是树脂的反应速率，α=α（t）代表的是固化程度。
t表示的是反应时间，
表示的是频率因子是一个常数，
代表的是活化能，T表示的是绝对温度，R表示的是通用气体常数，n表示的是反映的顺序（动力学指数）。
Hr（树脂最终反应放热）和树脂的反应速率可以通过差示扫描热法（DSC）进行测定，从中可以得到该材料的温度与固化度的函数。
4拉挤过程分析
4.1基于正交实验法的拉挤过程模拟
4.1.1实验一
实验条件：
时间步：
200拉挤速度：
2.5mm/s单元大小：
5mm
三维夹板配置：
玻璃钢厚度为：
2mm夹心层泡沫厚度为18mm
加热器条件：
加热器1:
160℃加热器2：
160℃加热器3:
170℃
加热器功率：
0.230W/mm2
入口温度初始边界条件为45℃
模拟拉挤过程图：
图4-120时间步温度分布
图4-280时间步温度分布
图4-3140时间步温度分布
从实验结果来看，在该条件下模拟的拉挤过程由于拉挤速度过慢导致各部分温度明显相对于初始值偏低，随着拉挤的进行，加热器的不均匀分布导致了三块板之间有一定的温度差，且温差较大。
受热不均在实验结果上明显的显示。
因此该条件完全不利于拉挤成型的生产。
4.1.2实验二
实验条件：
时间步：
200拉挤速度：
2.5mm/s单元大小：
5mm
三维夹板配置：
玻璃钢厚度为：
4mm夹心层泡沫厚度为16mm
加热器条件：
加热器1:
160℃加热器2：
170℃加热器3:
160℃
加热器功率：
0.230W/mm2
入口温度初始边界条件为50℃
模拟拉挤过程图：
图4-420时间步温度分布
图4-580时间步温度分布
图4-6120时间步温度分布
本次实验中，三块板的温度相对均匀。
但实验结束时三维夹板的平均温度远低于初始值，由于热固性材料的特性，在温度过低的情况下三维夹板无法正常的完成固化，因此在这种条件并不适合热固性材料的固化。
4.1.3实验三
实验条件：
时间步：
200拉挤速度：
2.5mm/s单元大小：
5mm
三维夹板配置：
玻璃钢厚度为：
6mm夹心层泡沫厚度为14mm
加热器条件：
加热器1:
170℃加热器2：
160℃加热器3:
160℃
加热器功率：
0.230W/mm2
入口温度初始边界条件为55℃
模拟拉挤过程图：
图4-720时间步温度分布
图4-880时间步温度分布
图4-9120时间步温度分布
图4-10200时间步温度分布
在该实验条件下，，三维夹板的温度分布再次出现不同，而这次温度分布明显比初始条件高。
虽然对于热固性材料可能利于固化，但过高的温度也许会使固化的三维夹板再次受热而变软，热固性材料具有不可逆性，所以当加热器再次改变时，同样不利于拉挤成型的过程。
4.1.4实验四
实验条件：
时间步：
200拉挤速度：
6.667mm/s单元大
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