中北大学2012届毕业论文文献翻译
对比研究拉挤成型工艺的热能工程
F.J.G. Silva, F. Ferreira, C. Costa, M.C.S. Ribeiro, A.C. Meira Castro
摘要
不同的热系统被应用于拉挤成型，应用最广泛的加热器是电阻加热。本次研究的目的是改良热系统和比较电阻系统的性能。在研究中，温度记录被用于更好的理解冲模时的温度曲线。有限元分析用于定义热系统的能量消耗。改进用于研究新的加热系统，发现新系统减少准备时间，并且大约节约了57%的能量。 关键词
玻璃纤维 有限元分析 拉挤成型能源节约
介绍
拉挤工艺是一种连续的成型工艺广泛应用于树脂基复合材料在截面积不变的模具中的成型工艺，如成型管道、条状物等等。复合材料是指由玻璃纤维增强热固性塑料或热塑性塑料树脂，通常的代表物有玻璃钢纤维增强树脂复合材料，用于结构增强，拥有高机械强度，良好的耐化学性。
由于玻璃钢复合材料重量轻，他们有很强的竞争优势：其结构是便于运输，在特定的情况下这是非常重要的。其装配需要铆钉，粘合剂，螺丝，来连接其他部分的。重量轻，需要简单的机械紧固件是结构的优势，如在污水处理厂，附近的咸水环境，化学品储存容器。冲模模具，用来制造的最终产品的形状的工具，通常分为两部分，上部和下部。当拉挤形状的截面有开口，如管、芯棒[5]。这个过程的主要优点是低廉的劳动力和简单的工具。
为了更好使产品符合其最终要求，必须选择适当的材料和参数。复合材料可以用单向的、或者纤维布增强。表面纤维布增强的应用必须考虑其良好的表面性能。
环氧树脂、聚酯和乙烯基酯环氧，聚酯和乙烯基酯是最常用的树脂。环氧树脂是良好的粘合剂，一般粘附模具的性质优于聚酯和乙烯基酯；但是，这导致更多的冲模时由于复合断裂制造问题。此外，这种类型的树脂收缩率低，使问题更加恶化[8]。然而，从环氧树脂制成的复合材料在特殊的机械性能，提高热阻和高耐蚀要求上是极有优势的。
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纤维浸渍热固性树脂之后，仍然在未固化的状态，通过模具预先形成恰当的形状；同时过量的树脂被排掉。为了加强的结构特性和表面光洁度，毡和表面毡通常在这个阶段添加。当复合材料通过加热模具传递时，固化过程开始。
模具长度是拉挤最重要的方面之一，因为它决定了复合材料加热时间的长短。模具长度也会通过内表面积的变化影响拉力和生产线的速度。一个程序化的电源控制器控制模具的温度，通过温度传感器记录使用温度，并绘制出热固性树脂固化过程的温度分布曲线。这个冲模的温度分布很重要，因为如果温度太低，树脂不会彻底固化，如果温度过高，树脂降解，这就造成了生产问题;最关键的问题是当内部被破坏时模具也会被破坏[7,9]。根据所生产的产品，如树脂基体的种类，放热反应，线速度，冲模温度，时间和模具长度必须调整恰当，以优化生产[7]。拉挤工艺通常在制造过程中测试，可以使得生产者发现各变量之间的关系，因此，提高参数的准确性与每个产品有关。当产品的脱模时，其外形已经形成，只需要切割到所需长度。
在这个过程中，用到双牵引系统，通过不断模具拉挤玻璃钢复合材料[1,5]。牵引速度取决于几个条件，如条状物的厚度，模具长度，模具温度和树脂配方。通过结合所有的条件和必要的经验可以得到生产高品质产品的最佳速度。在该进程结束时，拉挤复合材料切成所需长度[1-3]。
一般来说，在拉挤过程中供热系统的效率不是的重要问题。这个事实是由外部加热系统的广泛使用[10,11]有显著热损失这一理论验证的。然而，由于全球变暖，开发更有效的加热系统是非常必要的，这将降低产品成本和减少对环境的影响。典型的模具温度分布曲线见图1。放热反应要达到的最高温度，大约在模具长度的中间，之后温度下降，在这种情况下，出口值产生于模具末尾[1]。
如前所述，在拉挤过程中最常见的加热系统是大型通用加热板及多平面加热器。这些系统具有少量准备时间，但有大量的热损失。因此，其他系统应减少热损失，如流体的循环和电用筒式加热器。流体会增加准备时间并且需要一台泵，会因此消耗电力，这将导致与其他解决方案相比需要更多的维护[11]。因此，电用筒式加热器由于其较高的节能性和较低的准备时间被选用在这项研究中，它允许在不同区域细化冲模温度。
这项工作是通过有限元分析，由于对实验测试相关的高昂成本的大力支持被用于其他研究[10-14]。在这项研究中，平面加热器模具的热成像图像被获取和分析。然
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后，供热系统进行了模拟，其结果与红外热图像匹配。经模拟验证它是可能的。由一些假设，可得出一些恰当的结果。
实验
图2表示拉挤系统，图3表示研究初始阶段冲模中的热系统。
典型冲模温度简图
模具出口—固化混合物 模具入口—纤维+树脂
图1 典型的温度分布以及模具工具使用的树脂配方
加热系统由四个铝炉组成，由铬镍缠绕丝嵌入在一个铝铸块，分为两组，“a”和“b”，其中每个组由两个加热器组成。在各组中，一个加热器放置在模具上，另一个热水器放在模具下。“a”组加热器的长度，宽度和高度的分别为350毫米，70毫米和30毫米，“b”组的加热器长度，宽度和高度分别为380毫米，140毫米和30毫米。两个温度传感器，每个组加热器（组“a”组和“b”），发送实时信息给PLC（可编程逻辑控制器），监测温度是否在限度内。如果该值低于最低值，打开加热器，如果该值大于最大值，则关闭加热器。供热系统中有四个矩形铝电阻，每个800W，因为所有加热器有同样的功率，大小的差异以及由此产生的不同的体积变化只影响的比例。用夹子将加热器安装到模具上。
拉挤工艺由许多必要的参数控制。以下是制造商使用的最常见的参数为“U”模具：
线速度：50cm/min 纤维种类：无碱玻璃纤维 纤维线数量：34根4800tex
树脂/纤维比率：低粘度不饱和树脂聚酯
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放热峰的树脂凝胶时间：2min 放热峰：230℃
复合材料的抗拉强度(平均):370MPa 复合材料抗张强度：45 每小时正常产率：30m
模具使用的工具的长度，宽度和高度分别为900毫米，103毫米和56毫米。内部的“U”的型膜的宽度，高度和厚度分别为51毫米，12毫米和4毫米，圆角半径为1毫米。所有内部表面电镀硬铬，打磨，直到粗糙度达到0.08微米。
通过热学图像，比较实验结果与模拟结果。这些图像在允许范围内沿着模具的温度分布，是在一个稳定的生产状态中得到。
热成像图像使用FLIRi40型成像相机拍摄，有以下特点： 光谱段：长波段（7.5-13微米）
探测器类型：焦平面阵列（FPA）微测120?120像素;
帧速率：9赫兹;
精度：?2℃或读数的?2%； 热灵敏度：<0.20℃至+25℃； 物体温度范围：-10到+350℃；
显示：89毫米彩色液晶显示屏，18位彩色； 插值：成像探测器插值到240?240像素。
测量规程遵循设备供应商的规格：摄像头和模具之间保持1米的距离，并保持其对齐。模具材料的发射率，输入到的热成像设备中，使得到更准确的结果。热成像图像通过使用的设备供应商提供的方案（FLIR快速报告）进行分析。每个图像被分为100个不同的区域对应成一个4行25列的矩阵，这代表了模具的侧面，如图4所示。
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图2所示：拉挤装置，如下：(1)纤维和粗砂架，(2)浸渍机，(3)折叠架，(4)模具，(5)控制板，(6)退辊装置，(7)切割装置。
图3.初始设置在800瓦平面加热器模具：(a)代表小型电阻(b)代表大型电阻
每个阶段之后，通过使用上述软件对图像进行分析，确定相应的水平与垂直线图虚线线的交点的温度如图4。为了提高测量图像清晰度，对两个模具部分进行测量，作为一个单独的部分。在模具侧壁划分成三部分测量，以提高结果的准确性。对所有的图像进行分析之后，进行统计，使得模具的测量温度分布可被用来作为进一步的参考。
通过用有限元分析（FEA）SolidWorks软件用来模拟模具工具/加热器系统。冲模工具分为上下部分，加热系统是独立的部分。做出瞬时热态假设，和以下假设：所有接触是完美的;所有机构最初为室温（22℃），保持不变;对流换热系数为2W/m2℃;发射率是0.8。为了提高软件的反应能力，使用四面体（四个节点）网汇合后形成256975元素。通过专业文献来获得更深入地了解有关的程序和这种类型的分析使用方法[15]。
这种方法通过测定电阻需要连接到电源的时间来评估模具的温度波动。系统的“a”和“b”（见图3）分别独立控制。通过温度探头在模拟中对温度的控制点得出模具的位置。这些控制点分别位于模具的出口侧180毫米和684毫米。然后，根据这些点上的温度绘制出温度分布图，作为参考进行有限元分析。温差?T=?5℃被
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