Page 109 - 《橡塑技术与装备》2023年12期

测试与分析 黄一帆 等·基于 Ansys Workbench 的吹膜模头热膨胀模拟分析

热传导和弹性力学方程，还需要引入时间因素。瞬态 热膨胀系数，各向异性热导率，比热，杨氏模量等。
热固耦合仿真适用于研究金属材料在瞬时或持续变化
的热载荷下的响应。在这种仿真中，需要定义时间步
长和时间范围，并在每个时间步长内求解热传导和弹
性力学方程。
瞬态热固耦合仿真常用于模拟金属材料冷却或加
热过程中的温度分布和应力变化。通过瞬态仿真，可
以更全面地了解金属材料在实际工况下的响应特性，
并优化设计和制造过程。
综上所述，金属稳态及瞬态热固耦合仿真方法是
一种有效的数值模拟技术，可以帮助工程师们深入研
究金属材料在不同热载荷下的热传导、应力分布和变
形行为，为优化设计和提高材料性能提供有价值的参 图 2 42CrMo 材料属性
考。模拟分析流程如下图所示。
1.3 模拟条件设置
1.1 几何模型建立
首先对模型进行稳态热固耦合仿真，模拟验证各
对于多层共挤吹膜模头设计而言，最外层即薄膜
零件从初始温度（22 ℃）变化至对应设置温度情况下，
表面成型质量尤为关键，结合本文研究内容，建立多
零件的尺寸变形情况。在稳态热固耦合仿真中，模拟
层共挤出吹膜模头内模壳与外层模芯的三维模型并模
分析模壳零件分别设置 198 ℃、215 ℃、230 ℃的变
拟分析研究两者在金属热膨胀的影响下配合的公差选
形情况和旋芯零件分别设置 167 ℃、200 ℃、230 ℃
择，忽略零件上螺钉孔与熔体流道，三维模型如图 1
的变形情况。随后在该模拟结论基础上，探究零件加
所示。
热装配的仿真模拟与过盈配合设计分析。
如图 3 所示，将装配过程做理想化假设，进行瞬
态热固耦合仿真。设置模壳外表面为加热面，热通量
设为 3 W/cm², 与实际加热器设计相同。其余表面为与
空气接触面，依照相关设计经验将对流换热系数值设
.
为 5 W/m² ℃。设置零件加热时间 30 min。探究零件
在受热膨胀过程中随时间与温度变化的变形情况。

图 1 模头零件模型
1.2 零件材料设置
吹膜设备多层共挤模头零件常用材料为 42CrMo，
是一种优质的合金结构钢。其具有较高的屈服强度和
抗拉强度，并在高强度的同时，保持一定的韧性，使
其具有较好的抗冲击性和抗疲劳性能。42CrMo 表面
图 3 瞬态热固耦合仿真设置
具有较高的硬度，使其对磨损和摩擦具有良好的抵抗
能力。因其中含有一定的铬和钼元素，使其具有良好
2 模拟仿真结果分析
的抗腐蚀性，适用于一些恶劣的工作环境。结合该材
结合仿真分析条件设置，对实体零件进行对应条
料的相关物性参数如图 2 所示，设置仿真模拟相关模
件下的实验测试录得相关数据如表 1 所示。
型的材料属性。结合热膨胀过程，主要设置参数包含

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