熔噴非織造模頭設計中幾個問題的研究.pdf

1、本文對熔噴非織造工藝中聚合物流體從衣架型模頭入口到噴絲板出口整個流程中的流動進行了三維數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上對熔噴模頭設計中的幾個問題進行了研究。主要工作涉及以下五個方面：以歧管線性漸細規(guī)律的衣架型模頭為對象，對流體在模頭內(nèi)的流動進行了三維有限元數(shù)值模擬，并對數(shù)值模擬方法的有效性進行了實驗驗證；以出口流率分布均勻為目標，以衣架型模頭主要設計參數(shù)為目標變量，應用進化策略分別對兩種不同歧管漸細規(guī)律的衣架型模頭進行了優(yōu)化設計；在衣架型模頭內(nèi)流體

2、流動的數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，分析了模頭內(nèi)流體滯流現(xiàn)象的成因及影響因素，并給出了改善方法；以衣架型模頭的出口速度分布作為噴絲板的入口條件，對從衣架型模頭出口到噴絲板出口這一區(qū)域內(nèi)流體的流動進行了數(shù)值模擬，并討論了不同的噴絲孔參數(shù)組合對各噴絲孔出口處流率分布的影響，且得出了在較優(yōu)的參數(shù)組合條件下各噴絲孔出口處的流率分布均勻性可以優(yōu)于衣架型模頭出口處流率分布均勻性的結(jié)果；最后，對熔噴非織造模頭的寬幅化設計進行了初步研究，主要是討論了通過多個衣架型模

3、頭串連拼接為組合模頭來實現(xiàn)模頭寬幅化這一技術(shù)途徑理論上的可行性，以及在保證組合模頭橫向流率分布均勻性的前提下，各模頭應遵循的拼接條件。
　　 全文共分八章。
　　 第一章對國內(nèi)外與本文研究領(lǐng)域相關(guān)的主要文獻進行了綜述。
　　 第二章主要介紹了衣架型模頭內(nèi)流體流動的三維有限元數(shù)值模擬。為便于實驗驗證，模擬對象采用歧管簡單線性漸細的衣架型模頭，模擬時流體采用1％CMC水溶液，其流變參數(shù)由高級旋轉(zhuǎn)流變系統(tǒng)(ARES-R

4、FS)來測定。模擬結(jié)果得到了流體在模頭內(nèi)的流動向量圖以及模頭內(nèi)的速度分布。通過觀察模頭中心平面上的流體流動向量圖，發(fā)現(xiàn)歧管中的流體并非全部沿歧管軸向流動，流體從歧管過渡到狹縫時，其流動方向也并不完全沿模頭縱向，這與一維解析設計中的假設條件是不相符的。從成型面上的流體流動速度向量大小看出，在整個模頭寬度上，流體速度呈中間低兩端高的分布趨勢，且這種趨勢一直保持到模頭出口處。另外，模頭出口處的速度分布曲線還反映出壁面無滑移條件的影響，盡管模頭

5、內(nèi)是呈中間低兩端高的速度分布趨勢，但近壁面處的流體速度還是很低。文中還對一維解析設計線性漸細歧管衣架型模頭內(nèi)的流體流動進行了三維有限元數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示，模頭出口處的速度分布較歧管簡單線性漸細衣架型模頭均勻得多。
　　 第三章利用粒子圖像測速儀對第二章歧管簡單線性漸細衣架型模頭內(nèi)流體流動的數(shù)值模擬結(jié)果進行了實驗驗證。通過衣架型模頭中心平面上的流動向量圖來對比流體在模頭內(nèi)的流動情況發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好；而通過中心平

6、面出口處的速度分布對比發(fā)現(xiàn)，二者也非常接近，CV％值分別為21.3228％和23.8308％。模擬結(jié)果和實驗結(jié)果的吻合程度說明了本文所采用的數(shù)值模擬方法是有效的。
　　 第四章分別對歧管簡單線性漸細和歧管基于一維解析設計線性漸細的兩個不同衣架型模頭進行了優(yōu)化設計。文中以模頭中心平面出口處流率分布的變異系數(shù)CV％值為目標函數(shù)，以模頭的狹縫寬度和歧管角度為目標變量，應用進化策略對目標變量進行搜索尋優(yōu)。針對搜索到的目標變量值，通過數(shù)值

7、模擬計算其對應的目標函數(shù)值，如此不斷地尋優(yōu)、模擬和計算，直到達到規(guī)定的終止條件，最后以最小的目標函數(shù)值和其所對應的目標變量值作為最優(yōu)結(jié)果。對上述兩種模頭的優(yōu)化結(jié)果，就歧管簡單線性漸細的模頭而言，其出口處寬度方向上的流率分布CV％值從22.0586％降到了1.772％，降幅很大；而歧管基于一維解析線性漸細設計的模頭，其優(yōu)化結(jié)果更好，CV％值從2.9501％降低到了0.9465％，只是降幅沒有前者大。這是由于基于一維解析設計的歧管線性漸細模

8、頭其原來寬度方向上的流率分布就優(yōu)于前者。優(yōu)化結(jié)果說明本文所建立的優(yōu)化設計方法是可行有效的。
　　 除了衣架型模頭出口處速度分布的不勻會影響產(chǎn)品的質(zhì)量外，由于模頭內(nèi)流體流動時各點的速度不同，特別是那些速度很低的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的滯流現(xiàn)象同樣會對屬于高聚物的熔噴非織造產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。因此，本文第五章以優(yōu)化后的一維解析設計歧管線性漸細衣架型模頭為對象，在流體流動數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對模頭內(nèi)的滯流現(xiàn)象進行了分析和討論。通過考察模頭出口面

9、上的流體在模頭內(nèi)的經(jīng)歷時間發(fā)現(xiàn)，在平均經(jīng)歷時間0.47s以下的區(qū)域約占整個出口面的67％，主要分布在靠近模頭中心平面和對稱面處，模頭端部且靠近壁面處是出口面上流體經(jīng)歷時間最長的區(qū)域，在3.60s～7.19s之間，但這部分區(qū)域很小，約占整個出口面的0.28％。其它經(jīng)歷時間相對較長的區(qū)域在0.47s～3.60s之間，主要分布在靠近壁面以及模頭端部靠近中心面的地方，約占出口面的32.72％。結(jié)合模頭內(nèi)流體流動的三維速度分布進一步分析得出，流體

10、在模頭內(nèi)的滯流現(xiàn)象是由流體流動時在模頭壁面附近存在一個慢速區(qū)所致，慢速區(qū)的大小直接影響滯流的程度。為討論影響滯流現(xiàn)象的因素，本章對滯流區(qū)進行了定義，通過對比滯流區(qū)的大小發(fā)現(xiàn)模頭的設計參數(shù)，如歧管角度和狹縫寬度，以及聚合物流體的非牛頓性對滯流區(qū)的大小都有一定影響。此外，通過對比滯流區(qū)大小和出口面上的流體經(jīng)歷時間發(fā)現(xiàn)，歧管截面為淚滴形的衣架型模頭內(nèi)流體的滯流現(xiàn)象要輕于歧管截面為圓形的衣架型模頭。
　　 在熔噴工藝中，流體在經(jīng)過衣架型

11、模頭的分配后，還要流經(jīng)噴絲板，通過噴絲板上的噴絲孔來轉(zhuǎn)變成流體細流。因此，各噴絲孔出口處流體流率分布的均勻性才最終影響熔噴產(chǎn)品的橫向均勻度。為此，本文第六章以優(yōu)化后的一維解析設計歧管線性漸細衣架型模頭作為噴絲板的前置部件，用它的出口速度分布作為噴絲板的入口條件，對流體在噴絲板內(nèi)的流動進行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，流體在流經(jīng)噴絲板后，由于噴絲孔的影響，噴絲板出口處的速度分布呈現(xiàn)微小波動狀態(tài)，CV％值也由入口時的0.9465％升高到了1.8

12、140％。為此，本文第六章進而就不同噴絲孔參數(shù)的組合對各噴絲孔出口處的速度分布影響進行了研究。文中對3種噴絲孔直徑和3種噴絲孔密度的兩兩組合，共9個方案進行了流體流經(jīng)噴絲板的數(shù)值模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同噴絲孔直徑和噴絲孔密度的組合對各噴絲孔出口處的速度分布具有不同的影響。在討論的9個方案中，方案4為最佳，其噴絲孔直徑為0.3mm，噴絲孔密度為12孔/厘米。流體在流經(jīng)此參數(shù)組合的噴絲板后，各噴絲孔出口處的速度波動最小，速度分布CV％值也最小，

13、為0.6518％，且小于入口處的速度分布CV％值0.9465％。
　　 第七章對熔噴非織造裝備衣架型模頭寬幅化的技術(shù)問題進行了討論。在模頭的其它條件不變的情況下，由于模頭的高度、狹縫的變形、模頭出口處流率分布的不均勻性等均會隨著模頭寬度的增大而增大。因此，通過單純增加模頭寬度來實現(xiàn)模頭寬幅化不是理想的技術(shù)途徑。然而，通過多個小寬度衣架型模頭串連拼接以形成組合模頭來實現(xiàn)模頭寬幅化將有可能解決上述單個衣架型模頭在寬度增大后的弊端。文

14、中用兩個優(yōu)化后的小寬度衣架型模頭進行了串連拼接，拼接后的組合模頭有兩個入口，一個出口，拼接處無壁面阻隔，整個模頭融為一體。通過對流體在組合模頭內(nèi)的流動進行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，組合模頭繼承了單個衣架型模頭對流體的分配特性，但在拼接處附近一小塊區(qū)域存在明顯的局部速度不勻，從而影響組合模頭整體寬度上流率分布的均勻性。通過調(diào)整拼接位置發(fā)現(xiàn)，在兩個模頭相鄰端部不同位置拼接時，組合模頭拼接處的速度分布不同。隨著拼接位置離模頭端部距離的增大，組合模頭拼接處

15、的速度分布會由下凹狀逐漸變?yōu)樯贤範睢Ｎ闹型ㄟ^二分法對拼接位置進行多次調(diào)整得出，當拼接位置離模頭端部的距離為單個模頭整個寬度的0.625％時，能基本消除拼接處的速度不勻。此時組合模頭出口處寬度方向上速度分布CV％值為0.782％，低于單個衣架型模頭的速度分布CV％值0.9465％。由此說明，用多個小寬度模頭在恰當位置進行串連拼接以形成組合模頭來實現(xiàn)熔噴非織造模頭的寬幅化是一條可行的技術(shù)途徑。
　　 第八章是全文的總結(jié)與展望。對本文