阐述该课题的研究意义.docx

1、阐述该课题的研究意义一 . 阐述该课题的研究意义，或工程设计的价值和意义，国内外概况和发展趋势，选题的先进性和实用性，技术难度及工作量（3000字左右）。1）课题研究的背景20世纪以来，随着高分子材料科学的发展以及人类社会对高分子材料的大量需求，各种功能的高分子材料已在国民经济的各个领域得到了广泛的应用，橡胶作为高分子材料的重要一员，其作用越来越显得重要，橡胶产业已成为国民经济支柱性产业，其产品遍布社会的每个领域，同时橡胶又是非常重要的战略物资。而橡胶混炼又是高分子材料加工研究领域的重要的工序之一，自F.H.Banbury1916年发明密炼机以来，间歇式密炼机时至今日仍是橡胶工业生产中的关键设

2、备。密炼机是在开炼机基础上发展和完善起来的一种高剪切间歇式混炼设备，主要用于橡胶的塑炼及混炼，其次用于塑料、沥青等其它高分子材料的混合以及橡塑共混等。相对于开炼机来说，密炼机的密炼室是完全密闭的，混炼过程中物料不会外泄，因而可避免混合物中添加剂的飞扬及损失，并且可以加入液态添加剂。密炼室的密闭性有效地改善了工作环境，降低了劳动强度，缩短了生产周期，提高了生产效率并为自动化技术的应用创造了条件，因此它已经成为橡塑工业中最关键的混炼设备。因此，密炼机结构的改进和整体性能的提高成为橡胶行业追逐的目标。但是，众所周知，由于密炼机对胶料的塑炼、混炼是在密闭的密炼室中进行的，人们无法直接观察其内部的混炼情

3、况，即物料在密炼室中的流动机理或流动情况，也无法判断密炼室内部转子的运转情况，所以也就无法建立起完全正确的混炼理论和数学模型，以及无法确定如何改进设备的整体性能才能更好的进行胶料的混炼。针对这一问题，许多人采用透明密炼室或安装有有机玻璃视窗的密炼室来进行观察。如英国洛夫博拉夫（Loughborough）工业大学的弗里克莱（Freakley）等人在1979年首先开创了在密炼机加工过程中的可视化研究1，他用装配了有机玻璃视窗的模型密炼机观测聚合物的流动情况并研究硅橡胶的流动。后来美国俄亥俄州阿克隆大学的明（K.Min）、怀特（J.L.White）、木瑞卡瓦（Morikawa）、塞土阿（D.K.Se

4、tua）、胡本飞（Benfei Hu）和克蒙（P.S.Kim）等人进一步发展了该项技术，他们不仅研究胶料的运动、混合过程以及胶料在密炼室中的循环情况，而且还研究了当转子构型及类别不同（剪切型和啮合型）时，胶料的流动和混炼机理。如19851988年明和怀特等人采用装有有机玻璃的实验用密炼机观察了天然胶、顺丁胶、丁苯胶和低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚苯乙烯（PS）的混炼。1987年他们又利用该密炼机混炼弹性体并加炭黑和油料，观察其流动情况2。虽然我们可以做出透明密炼室来观察密炼室内部聚合物的流动情况，但是，这样做由于简化了工艺条件，与实际的生产情况相差很大，所以就无法正确地

5、分析其流动机理，更无法建立起完全正确的混炼理论和数学模型。为了更好地研究密炼室内聚合物的流动情况，对密炼机混炼过程中的温度场、流场进行分析，并提高密炼机的混炼效率和炼胶质量，使人们更加清楚地掌握混炼过程、混炼机理以及密炼室内胶料的流场和温度场变化情况，本课题将运用有限元等相关软件对密炼机混炼过程中密炼室内的温度场和流场进行模拟并拟做相关实验进行验证，以达到完善现有密炼机混炼机理和混炼理论的目的。2）课题研究的意义密炼机的混炼过程十分复杂，所涉及的问题多属流变学和热力学方面的问题。混炼过程中温度、压力、转子的转速等对产品的产量和质量有很大影响。但是在传统的设计中，许多参数的选择都是凭经验和一些理

6、论确定，所设计的部件的合理性要通过多次实验才能知道，整个机台设计完成以后仍需通过多次的试制和修改来满足设计要求，这样不仅使设计的生产周期很长，而且浪费了大量材料。同时由于聚合物熔体的变粘度特性，使得数学模型的建立和分析计算也变得非常困难。但是随着当今科学技术、计算机技术和计算方法的发展，有可能在变粘度的前提下，研究聚合物熔体的速度场、压力场、温度场等流动特性，对传统的经典理论重新进行探讨，探索与实际情况尽可能一致的模拟计算，真正地把理论应用于实践，并且在设计阶段就可以模拟出物料的流动、分散情况以及温度场的分布情况，把所有影响到混炼胶质量的因素都纳入到可以控制的手中来，进而改善和合理分配各种条件

7、。有限元模拟所得到的结果包括密炼室内胶料每一点的速度和压力，这是实验测量所无法完成的，通过对模拟结果的分析，可以更好地改进转子构型和各种混炼工艺参数。大量的文献资料证实，数值模拟方法是一个提高像密炼机等设备性能的有效工具。这样把实验过程放在计算机上进行，以大大提高橡胶混炼的质量，从而提高生产率。本课题将对密炼机混炼过程中密炼室内的温度场和流场进行尝试性的、系统性的模拟，并且建立起理想的数学模型，以解决日前实际生产中存在的问题；同时通过实验进行对比和完善，建立起符合生产实际的物理、数学模型和混炼机理，这为进一步完善混炼理论打下了一个坚实的基础。3）课题国内外研究动态和水平3.1 国外的研究动态和

8、水平目前，关于密炼机温度场、流场的研究过去大多采用实物可视化技术进行研究。1988年木瑞卡瓦、怀特和明等人利用可视化技术研究丁苯、丁腈和丙烯类橡胶共混的相态结构和对混炼速率中相关因素的影响。在1991年塞土阿和怀特又采用可视化技术来研究共混和混合期间共相溶剂的作用。同时，明和苏（K.G.Suh）首次用可视化技术进行啮合型转子密炼机混炼弹性体的流动模型和实验研究3。1992年，明利用可视化技术来研究混炼过程的分布混炼和分散混炼特性。日本的陶(Michiharc Toh)等人也在1992年利用二维可视化技术研究采用六种不同构型的转子在混炼过程中的物料流动特性。1993年胡本飞和怀特仍在前述机台进行

9、了转子构型试验，这种转子可以任意组合，主要观察转子构型不同时物料流动情况及混炼机理。1994年克蒙和怀特再次利用可视化技术同时研究了啮合型转子密炼机和剪切型转子密炼机的混炼特性，发现前者比后者具有循环速度快、胶块均化快、炭黑混合吸油时间短等特点。随着科学技术的发展，特别是大型有限元软件的开发和应用，人们已开始采用计算机对混炼过程的温度场、流场进行模拟。从一些文摘来看，国外近几年从事密炼机流场模拟研究的比较多，在流场模拟方面的技术也已经趋于成熟4，但很难查阅到详细的资料。最近的资料显示，世界上几家大的橡胶机械企业可能已经做得比较完善，在开发新产品的时候，已经是完全依赖于计算机模拟的计算，来确定新

10、产品的性能，及制定相关的参数和工艺优化。但由于技术保密等原因，还迟迟未在学术文章上进行报到。据文献5、6中论述，他们采用的方法是三维流场的模拟，在有限元模型中橡胶材料采用的是幂律流体本构模型，假设在全充满的状态下，对等温流场进行的分析，对于后处理结果得定性分析也取得了很大的进展。3.2国内的研究动态和水平现在国内关于这方面的研究仍处于起步阶段，对密炼机采用实物可视化研究均未见详细报道，对温度场、流场模拟也仅仅限于理想状态下的二维分析7，还很不成熟，需要进一步进行复杂边界条件加载的模拟。一些学者对于密炼机的流场模拟，在分析同步转子密炼机的混炼机理和理论的基础上，设置了相应的边界条件，给材料定义了

11、合适的本构方程，对密炼机密炼室流场和密炼机温度场做了有限元分析研究。通过有限元软件，对同步四棱和异步转子的三维流场进行了模拟分析，更加全面直观地揭示了这两种转子对胶料的分散、分布及流动情况。并且通过有限元计算对同步四棱的二维温度场进行了模拟分析，直观地表现出了温度这个敏感参数的变化情况，首次对胶料和转子的对流换热系数进行推测和确定8。到目前为止，国内关于密炼机混炼过程中传热和流动模拟方面的研究仍限于简单的混炼理论及模型建立理论分析，基本上都是实验方面和实际生产方面的研究，对密炼机混炼过程进行系统的计算机模拟的几乎没有，所以密炼机模拟的基础工作极待加强。4）选题的先进性和实用性流动可视化（Flo

12、w Visualization）的概念首先起源于实验流体力学，早在十七世纪，Reynolds和Prandtl就作了大量的各种流动可视化实验来验证和展示他们对流体力学的早期研究。目前，随着计算机技术的发展，应用计算机软件工具来模拟物理过程更加可靠，三维流场的数值模拟已成为现实可能。科学可视化的概念的提出和计算机可视化技术的发展，流动可视化的概念已经发生了很大的变化，流动可视化不仅仅是指单纯的实验流动可视化，而且还包括计算机流动可视化。过去人们开发一种新型转子或密炼机的某个部件或者进行配方设计或改进加工工艺，需花费大量的人力和物力，才能得出结论。进行转子或某个部件的性能实验，还要制造出这些部件和机

13、器，然后才能实验，再进行生产考核，因此周期长、花费大。而现在人们利用CAE软件可画出装有新型转子或者新开发的某个部件的密炼机，然后利用有限元分析软件，可在计算机上模拟各种不同条件的混炼过程，从而可得新开发的转子、某个部件乃至整台密炼机以及各种配方的性能优劣，或加工工艺的可行性等，并可快速进行修改，最后达到满意的结果，减少了人力和物力消耗、缩短了新产品的开发时间。5）技术难度及工作量对于密炼机密炼室可视材料的选用，得考虑其可视性能、抗压性能等。另外，在密炼机的混炼过程中，为了改变胶料的性能，需要加入碳黑，这样可能会造成可视窗因为碳黑的原因变成“不可视”。这可能会造成实验过程中观察不出胶料的流动状

14、态。最后，实验过程中红外测温时也存在诸多问题。由于测温仪器不易放在密炼室的内部，所以在测温仪器的选用方面，必须考虑选用能透过玻璃钢等可视材料、密炼室内碳黑等杂质的仪器。预期工作包括以下几个方面：1） 通过对密炼机混炼过程中流场的模拟，了解胶料在混炼过程中各时间段的流动状态和形态变化，以及密炼室内胶料的压力、粘度分布。2）通过对转子三维温度场的模拟计算，分析转子外表面与胶料之间的换热机理研究，理论推定对流换热系数。3）通过对二维温度场的模拟研究，了解整个密炼机在混炼过程中的温度变化。4）在可能的情况下，做一套规格大小为0.5L或1L等较小型的可视化密炼机。密炼室用透明玻璃钢制作，密炼机能完成一些

15、简单的物料混炼即可。二 课题研究目标、研究内容和拟解决的关键问题：通过本项目的研究，建立一个可视化的实验平台，对本项目所模拟的密炼机的温度场、流场的变化规律进行验证，从而达到完善现存的混炼机理和混炼理论的目的，以实现密炼机高效、低能、优化混炼的目标。温度传感的测量方面：安装56个热电偶，密炼机的左右侧壁各有一个热电偶，用于测量混炼胶的温度，下定拴上有一个用来测量下定拴上面的混炼胶的温度，同理上定拴上也可以安装一个，冷却水的进水和出水各安装一个，用来测量冷却水的转换温度。 压力传感的测量方面：通过油路的压力表可以测出上顶栓的压力，通过左右侧面壁可以加压力传感器，可以测得密炼室内部的压力。 如有可

16、能的话，打算做一套可视化密炼机，密炼室用玻璃钢制作，如此就可以完全的观察到物料的各种混合及流动情况。当然这套可视化密炼机的规格大小为0.5L或1L等较小型的，能完成一些简单的物料混炼。或者间接的测量一些不同转子，不同密炼室条件下的所得胶料的分散度，从而间接证明流场的正确性。对实验结果进行讨论，写出结论。讨论胶料与密炼室的换热状态，主要是换热系数和热通量，与理论计算结果进行比较，分析偏差存在的原因。与前人的实验结果进行比较，发现课题中理论和实验研究中的不足和缺点，为以后的研究打下基础。探讨高粘性低导热系数非牛顿流体对流换热与常见流体对流换热的差别，并建立更加贴合实际的计算公式。本课题研究的主要内

17、容及拟解决的问题1 建立密炼室内部熔体流动数学模型，对简化后的数学模型进行分析和推导，建立采用有限元法求解室内压力场、速度场和粘度场的离散化模型，进行数值求解，并将面向对象方法应用于有限元模型的分析和计算。2 设计密炼机研究用实验台，对密炼室熔体流动情况进行实验研究及测定，验证理论分析和计算结果的真实可靠性。 3 模拟分析橡胶在密炼室内的传热系数和温度分布。4 使用解析或者数值方法计算橡胶共混物在密炼室内的传热系数（对流+导热）及温度分布，用实验方法测量密炼室各点的温度分布和热通量，从而计算换热系数。5 将理论分析结论、数值计算结果与实验结果对比，给出各影响因素对密炼加工过程的温升，热量的传递

18、特性的影响，探讨密炼室内物料混炼过程中的传热机理，以及物料的流动状态和产生的压力分布。6 研究不同类型的转子、工艺条件、上顶拴压力、转子转速、冷却水温度、相同转子不同相位角、填充系数、炼胶不同阶段对炼胶质量的影响，寻求最佳优化配比。三 . 拟采用的设计方法，技术路线，实验方案的可行性分析。设计方法设计一套完整的实验方案，制作一套完整的可视化设备，提出一套完整的密炼机温度分析的理论。技术路线探讨总体方案研究技术难题，建立物理、数学模型实验机台设计计算机动态模拟修改、试制解决有关技术关键问题进行实验总结理论归纳返回指导实验、解决实际生产问题完善其物理、数学模型及其相关的挤出成型理论指导生产机台的设

19、计。实验方案的可行性分析加工一台可视化密炼机，补考虑换热的情况下，在转速比较低的情况下，胶料不会因为温度的升高而发生过炼。尽量不添加炭黑等普通的增强材料，以防止材料变得完全不可视。利用红色测量设备可以感知设备整体的外表面温度，或者是转子的外表面温度，再利用一些内置的热电偶测量一部分的温度点值。整个实验方案的问题很多，但不都是不可逾越的，因此初步的实验方案开展不存在任何技术难度。 四 . 课题计划进度和预期成果：课题进度计划2004年2005121234567891011开题报告理论分析数值求解实验研究XX文库 - 让每个人平等地提升自我XX文库 - 让每个人平等地提升自我结果讨论撰写论文课题研

20、究预期达到的成果1）本课题首次用大型有限元软件对啮合式转子产生的具体流动情况和机理进行研究，通过对密炼机混炼过程中流场的模拟，对胶料轴向流动的作用及效果进行分析比较。2） 通过对密炼机混炼过程中流场的模拟，了解胶料在混炼过程中各时间段的流动状态和形态变化，以及密炼室内胶料的压力、粘度分布。3）通过对转子三维温度场的模拟研究，分析转子外表面与胶料之间的换热机理研究，理论推定对流换热系数。4）在可能的情况下，做一套规格大小为0.5L或1L等较小型的可视化密炼机。密炼室用透明玻璃钢制作，密炼机能完成一些简单的物料混炼。5）争取发表一到两篇关于此领域的论文。五 . 相关参考文献（不少于30篇）【1】李

21、鹏，等同向啮合双螺杆挤出机捏合块流道三维流场分析，中国塑料，2000，14（3）【2】李鹏，等啮合同向双螺杆挤出机螺纹元件三维流场分析，中国塑料，2001，15（6）【3】李鹏，等啮合同向双螺杆挤出过程组合流道（捏合块螺纹元件）三维流场分析，中国塑料， 2001，15（7）【4】李宏生，等计算机模拟口模截面中塑料熔体的流动状态，中国塑料，2000，14（12）【5】涂志刚，等.挤出胀大计算机模拟过程中自由界面的更新，中国塑料，2000，14（9）【6】王丽，等异向旋转双螺杆几何造型的研究，中国塑料，1998，12（2）【7】王丽，等双螺杆三维实体造型的研究,塑料工业,1999,27(1)【8】

22、孙秉忠挤出螺杆的计算机模拟设计，塑料加工，2001，30（1）【9】尹清珍，等普通螺杆和屏障螺杆挤出机的计算机模拟，中国塑料，2000，14（l）【10】贾毅, 等计算机模拟机头内塑料熔体的流动状态，中国塑料， 2000，14（3）【11】曹春阳，等啮合同向双螺杆排气段熔体输送流场及充满系数的数值模拟，塑料科技,1999,(3)【12】张冰, 等衣架机头的优化计算及压力分布模拟，塑料， 2001，30（2）【13】H.Ellwood“New developments in the design，manufacture and operation of Banbury mixers ”，Kaut

23、sch.Gummi Kunstst.，1986，39(8):711【14】Michall A.Melotoo “The interal batch mixer:recent developments in designs and controls”，Rubb.World，1989，199(5):34【15】Michall A.Melotoo “The Mixer of the furture today with ST rotors”，Rubb.World ，1991，204(4):20【16】Benfei Hu and J.L.White “Flow Visualization Studie

24、s of Internal Mixing Using Rotors of Different Design”Rubb.World1993，7:17【17】P.S.Kin and J.L.White “Flow Visualization of Intermeshing and Separated Counter -rotating Rotor Internal Mixer”，67(5):880【18】蔡群英，张海“密炼机混炼过程中胶料的流动”，橡胶技术与装备，1989，2:5【19】蔡群英，张海“挤出膨胀在混炼工艺中的应用”，橡胶工业设计，1982，4:17【20】张海，黄绪正，刑新华等“密炼

25、机转速对混炼控制方法的影响”，橡胶技术与装备，1988，4:1【21】张海，蔡群英，郑耀良等“油料填加顺序对胶料混炼的影响”，橡胶技术与装备，1984，2:1【22】尤少彦，王洪保“橡胶密炼机混炼过程中的节能”，橡胶技术与装备，1988，4:7【23】詹茂盛“密炼机混炼功率的理论解析”，天津橡胶，1990，4:5【24】章佩瑜，胡跃营“密炼机逆混炼工艺的探讨”，橡胶工业，1987，4:19【25】吴学斌，胡存“浅谈在慢速密炼机中采用逆混炼法”，轮胎工业，1994，4:36【26】陈德亮“浅谈密炼机加工过程中的胶料混合”，橡胶工业，1994，41（1）:22【27】WMerzkirchFlow

26、visualizationAcademic Press Inc，1987【28】李德元，金其杰计算流体力学的可视化问题计算流体力学的理论、方法和应用中国力学学会办公室、全国计算流体力学会议组委会编第六界全国计算流体力学会议论文集科学出版社，1992：143146陶文铨，数值传热学，第二版，西安交通大学出版社2001编著。【29】孔祥谦，有限单元法在传热学中的应用，第三版，科学出版社1998【30】曲伟石，等三维动画软件设计及应用,郑州工业大学学报,1998,19(2)Surcsh R.Patel and James R.Halladay “Computer Control in Rubber

27、Processing”，Rubber World，1994，六 . 评审意见校内导师意见:导师签字: 年 月 日校外导师意见：导师签字: 年 月 日学院对研究生开题报告的意见负责人签字: 院（系）盖章年 月 日青岛科技大学工程硕士学位论文选题申请表论文题目：密炼机混炼过程中内部温度场、流场的模拟研究 姓 名 孙保忠 校内导师姓名 汪传生 校外导师姓名 工 程 领 域 机械工程 院 系 机电学院 青岛科技大学研究生处年 月 日填 表 说 明1. 工程硕士学位论文选题申请表是保证论文质量的一个重要环节，为了加强对工程硕士研究生培养过程的管理，规范其学位论文的开题报告，特制此表。2. 工程硕士学位论文选题申请表应该由申请人在工程硕士学位授予点或培养单位组织的学术报告会上进行报告、听取意见后再填写。3.工程硕士学位论文选题申请表由申请人亲自用钢笔填写，内容力求详尽，字迹必须清楚。4.此表一式两份，一份交学院，一份交研究生处。5. 中期考核时，应向考核小组成员提供工程硕士学位论文选题申请表。6. 工程硕士研究生在申请学位论文答辩时，必须提交该工程硕士学位论文选题申请表。