田文昊，馬智彬，劉文芝

（內蒙古工業(yè)大學 機械學院，呼和浩特 010051）

熱封包裝機熱壓輥熱-結構耦合分析及優(yōu)化

田文昊，馬智彬，劉文芝

（內蒙古工業(yè)大學 機械學院，呼和浩特 010051）

利用Pro/E5.0軟件的強大三維造型功能對熱壓輥進行零件建模與裝配，得到其三維實體。再將得到的三維模型導入到ANSYS Workbench中，在ANSYS Workbench中對熱壓輥進行熱-結構耦合分析，求出其在工作溫度下的變形。并且在保證熱壓輥表面溫度的情況下，對加熱棒數量進行優(yōu)化，確定最優(yōu)設計方案。

Pro/E；熱壓輥；ANSYS Workbench；耦合分析；優(yōu)化設計

0 引言

冰勺熱封包裝機的核心是熱封部分，而熱壓輥又是熱封部分的核心組件。熱壓輥的功能是對復合PE膜（淋膜紙）進行加熱加壓來實現對冰勺的緊密封合。當復合PE膜厚度0.085mm～0.100mm時，其最適宜的熱封溫度區(qū)間為185℃～205℃。在考慮到高溫情況下，熱壓輥會不可避免的會產生形變，對包裝機的正常工作產生不可忽略的影響——壓輥膨脹卡死，因而在機器設計之初對熱壓輥進行熱-結構耦合分析是很有必要的。本文利用Pro/E5.0軟件對熱壓輥進行結構設計，建立樣機模型，并將其導入ANSYS Workbench中進行熱-結構耦合分析，使-得熱壓輥設計開發(fā)始終處于可控制與可預見狀態(tài)，進而降低成本，縮短設計周期。

1 熱壓輥有限元模型

1.1 熱壓輥的三維模型

Pro/E是美國PTC公司一款極其優(yōu)秀的工業(yè)設計軟件，是現今的主流CAD/CAM/CAE軟件之一，占據了國內產品設計領域的重要位置[1]。本文利用Pro/E技術對熱壓輥進行整體結構設計，并建立三維樣機模型。根據功能要求，熱壓輥主要由傳熱部分、定位槽筒組成。傳熱部分上有加熱孔，孔內插電加熱棒，以此來對熱壓輥進行加熱。建模時，需要對模型進行適當的簡化，例如：模型中的圓角和倒角以及對分析結果不造成很大影響的小孔應該盡量省略。簡化后得到的三維模型如圖1所示。

圖1 熱壓輥模型

1.2 熱壓輥有限元計算模型

在對熱壓輥進行熱-結構耦合分析之前，要對其三維模型進行網格劃分。將Pro/E中建立的模型保存為后綴名為“.xt”格式的Parasolid文件，然后導入ANSYS Workbench中。Workbench軟件提供多種劃分網格的方法，本文采用自適應網格劃分方法，并對其進行Sizing設置。網格劃分完畢后得到306870個節(jié)點，203089個單元。熱壓輥有限元模型如圖2所示。

圖2 網格劃分模型

2 熱壓輥的熱-結構耦合分析

在ANSYS Workbench中進行的熱-結構耦合分析，是在熱分析的基礎上，將熱分析所得的結果作為后續(xù)結構分析所需要的載荷，導入到結構分析中，從而得到在溫度載荷作用下熱壓輥變形情況的分析方法。

2.1 設置材料屬性

根據實際情況定義熱壓輥各部分的材料屬性?？紤]傳熱部分與熱封槽筒要具備良好的傳熱性能、機械性能與經濟性，在此選擇鋁合金（87Al-13Si），材料參數如表1所示。

2.2 熱壓輥的穩(wěn)態(tài)熱分析

計算熱力學在工程問題中至關重要。熱分析的目的就是計算模型內的溫度分布以及熱流密度、熱梯度等物理量[2]?；诟道锶~傳熱定律與能量守恒定律，可以建立熱分析問題的微分方程，即物體的瞬態(tài)溫度場T（x，y，z，t）應該滿足如下方程[3]。

其中，cT為材料比熱；ρ為材料密度；kx、ky、kz分別為沿x、y、z方向的熱傳導系數；Q為物體內部熱源強度。如果邊界上的換熱條件與物體內部熱源都不隨時間發(fā)生變化，那么經過一定時間的熱交換后，物體內部的溫度也不隨時間變化，即：

則方程(1)變?yōu)椋?/p>

進而，可以得到穩(wěn)態(tài)熱分析的有限元一般方程的矩陣形式：

其中[K]為熱傳導矩陣，包含對流系數、熱傳導系數與輻射和形狀系數；[T]為節(jié)點溫度向量；[Q]為節(jié)點熱流率向量，包含熱生成。ANSYS Workbench利用模型的幾何參數、材料熱性能參數以及所設定的邊界條件，生成[K]{T}和{Q}。

求解過程如下：

1）根據設計要求，加載工作溫度，每個加熱孔加載溫度200℃，共8處。

2）邊界條件的設定：

邊界條件包括熱對流與熱輻射。本文所分析的內容，輻射量較小，故而忽略，只考慮熱對流。要求出對流傳熱，則必須要知道對流換熱系數。對流換熱系數表示流體與固體表面之間的換熱能力。根據Nusselt準則，對流換熱系數h的計算公式[4]為：

其中：Nu為Nusselt系數；k為流體導熱系數；L為特征長度。由上式可知，只要知道Nusselt系數，便可計算出對流換熱系數h。

在設備正常工作時，旋轉的熱壓輥會加速與空氣的對流換熱，此時Nusselt系數公式[5]為：

表1 材料參數

3）求解結果，設置好邊界條件，所得結果如圖3所示。

圖3 熱壓輥的溫度分布云圖

從圖上可以看出，熱壓輥上最低溫度為199.27℃，完全滿足工作要求。

3 熱壓輥的熱-結構耦合計算

在求得熱壓輥的溫度分布之后，對其進行其熱-結構耦合分析。熱-結構耦合分析是在靜力學分析與熱分析的基礎上進行的。利用ANSYS Workbench進行熱-結構耦合分析時常用的分析方法有兩種[6]：直接耦合分析方法與順序耦合分析方法。直接耦合分析方法是直接采用具有位移和溫度自由度的耦合單元，并且得到熱分析和結構應力分析結果的方法。順序耦合分析方法是包含兩個或多個相關物理場并按一定順序排列進行分析。即通過第一個物理場分析得到的結果做為第二個物理場分析的載荷邊界條件從而實現兩種物理場的耦合?？紤]到熱壓輥不存在高度的非線性作用，所以采用順序耦合方法更為有效。其熱-結構耦合載荷傳遞分析界面如圖4所示。

圖4 熱-結構耦合載荷傳遞分析界面

進入Static Structural模塊后，為了還原熱壓輥在真實工作情況下的變形情況，對熱壓輥與軸的接合面施加固定約束。然后對其熱變形進行求解得到熱壓輥的綜合變形云圖如圖5所示。

圖5 熱壓輥的綜合變形云圖

從圖5中可以看出，除了固定位置沒有產生位移，其他所有地方均因受熱產生了位移。熱壓輥最大熱變形位置為定位槽筒外側，其大小約為0.299mm。由于熱封基材為雙層復合PE膜，其總厚度為0.170mm～0.200mm。所以熱壓輥的熱變形對于設備能夠正常工作的影響不能忽略，因此在設計包裝機熱封部分時應著重考慮熱壓輥的合理裝配位置與裝配精度。熱封槽也因熱封槽筒受熱變形而受到影響，變形區(qū)間約為0.199mm～0.299mm。由于熱封槽變形屬于外擴型變形，因此不會影響到冰勺正常的嵌入。

4 加熱棒數量的優(yōu)化

對熱壓輥進行熱-結構耦合分析后可以知道，只要有溫升，熱壓輥就會發(fā)生變形。在不影響熱壓輥正常工作時的溫度條件下，本文通過將原來8個加熱棒減少為4個加熱棒來對其進行優(yōu)化，然后對優(yōu)化加熱棒數量后的熱壓輥進行熱-結構耦合分析，得出分析結果，并與優(yōu)

【】【】化前的的結果進行比較和分析，確定設計的最優(yōu)方案。

通過優(yōu)化后的分析結果可以看出，優(yōu)化為4個加熱棒后的熱壓輥表面溫度最低為188.64℃，大于復合PE膜的最低熱封溫度，滿足工作要求。最大熱變形由原來的0.299mm降低為0.153mm。通過減少加熱棒的數量，不僅減少了熱壓輥48.8%的熱變形量，還可以降低生產成本。圖6、圖7分別為優(yōu)化加熱棒數量之后的熱壓輥的溫度云圖與綜合變形云圖。

圖6 優(yōu)化后的熱壓輥溫度云圖

圖7 優(yōu)化后的熱壓輥綜合變形云圖

5 結論

通過對冰勺熱封包裝機的熱壓輥進行熱-結構耦合分析，得到了熱壓輥的溫度分布云圖、綜合變形云圖，能夠驗證設計的合理性以及預測在未來裝配機器時所遇到的問題。通過對結果的分析和研究，對熱壓輥的電加熱棒數量進行優(yōu)化設計，并對優(yōu)化結果進行分析，來確定優(yōu)化后的熱壓輥是否能夠滿足實際要求，為冰勺熱封包裝機的裝配及進一步優(yōu)化設計提供依據。

本文通過Pro/E5.0軟件建立熱壓輥的三維模型，并將三維模型導入ANSYS Workbench中，在ANSYS Workbench中對其進行其穩(wěn)態(tài)熱分析、熱-結構耦合分析，然后再對其電加熱棒數量進行優(yōu)化，這為產品的設計開發(fā)節(jié)省大量的時間。此技術的成熟可簡化產品開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)費用和成本，提高產品質量。

[1] 張云靜.Pro/ENGINEER野火5.0中文版從入門到精通[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[2] 黃志新,劉成住.ANSYS Workbench14.0 超級學習手冊[M].北京:人民郵電出版社,2014:314-315.

[3] 趙騰倫,姚新軍.ABAQUS6.6在機械工程中的應用[M].北京:中國水利水電出版社,2007:157-159.

[4] 鄒君陽,肖民,何云.基于ANSYS Workbench的機床熱結構與熱平衡分析[J].機械制造,2012,(10):8-10.

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[6] 火統(tǒng)龍,葛文杰,趙煒.減速器箱體的熱-結構耦合分析[J].機械傳動,2014,(4):134-135.

Optimization and thermal-structure coupling analysis of heat-seal packing machine heat-press roller

TIAN Wen-hao, MA Zhi-bin, LIU Wen-zhi

TB486

：A

1009-0134(2017)03-0090-03

2016-11-15

田文昊（1989 -），男，內蒙古烏海人，碩士研究生，研究方向為機械設計與理論。