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        密封包裝容器微環(huán)境溫濕度模型的建立與仿真

        2019-08-21 01:51:34李迪凡王艷艷李澤華劉俊
        裝備環(huán)境工程 2019年7期
        關(guān)鍵詞:濕氣環(huán)境溫度溫濕度

        李迪凡,王艷艷,李澤華,劉俊

        (西南技術(shù)工程研究所,重慶 400039)

        包裝容器內(nèi)裝備等產(chǎn)品大多采用密封包裝方式進(jìn)行長(zhǎng)期貯存,在其周圍以及內(nèi)部形成了一個(gè)相對(duì)密閉的空間,與貯存環(huán)境相對(duì)應(yīng),這一密閉空間稱為微環(huán)境。在密封防護(hù)體系中長(zhǎng)期存放的產(chǎn)品,微環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度將直接影響產(chǎn)品效應(yīng),使其性能發(fā)生顯著變化。目前檢測(cè)微環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的常用方法是將溫濕度傳感器置于包裝容器內(nèi),而絕大部分包裝容器一般沒(méi)有預(yù)留檢測(cè)小孔,在不破壞容器整體的情況下,無(wú)法將傳感器置入容器內(nèi)部。即使是無(wú)線傳感器,但由于其電池使用壽命較短,無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行工作,也勢(shì)必影響微環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的常規(guī)檢測(cè)。因此傳統(tǒng)的微環(huán)境溫度和相對(duì)濕度檢測(cè)方法弊端明顯,需要耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間和較大經(jīng)費(fèi)。由于裝備類產(chǎn)品的貯存時(shí)間較長(zhǎng),必須了解微環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的變化情況,以便掌握其貯存性能特征。目前缺乏正確的微環(huán)境溫度和相對(duì)濕度仿真軟件,無(wú)法獲取裝備在貯存環(huán)境下的微環(huán)境溫度和相對(duì)濕度變化規(guī)律,不能滿足裝備類產(chǎn)品的發(fā)展需求。文中通過(guò)建立微環(huán)境溫度和相對(duì)濕度模型,并利用相關(guān)軟件對(duì)包裝容器微環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行仿真,能在不破壞包裝容器的情況下,實(shí)現(xiàn)對(duì)貯存環(huán)境條件下密封包裝容器微環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的預(yù)計(jì),解決密封包裝容器微環(huán)境溫度和相對(duì)濕度檢測(cè)難題,對(duì)裝備貯存使用和包裝產(chǎn)品研制開發(fā)具有非常重要的實(shí)際意義[1-5]。

        1 溫度建模

        1.1 建模理論

        包裝容器的溫度模擬是基于傳熱學(xué)基本原理,即熱量自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體,或者從物體的高溫部分傳遞到低溫部分,因此溫度建模同樣遵守?zé)崃W(xué)第一定律、第二定律和熱傳導(dǎo)傅里葉定律。當(dāng)包裝容器在恒定溫度和相對(duì)濕度的環(huán)境貯存時(shí),熱量的流動(dòng)不隨時(shí)間發(fā)生變化,熱量傳遞處于穩(wěn)態(tài),容器的溫度和熱載荷不隨時(shí)間變化。穩(wěn)態(tài)傳熱的微分模型為:

        式中:λxx、λyy、λzz分別為方向x、y、z 上的熱傳導(dǎo)率;T 為溫度;分別為方向x、y、z 上的熱梯度;內(nèi)部熱生成。

        另一種是包裝容器貯存環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度等要素不斷地變化,熱量的傳遞是瞬態(tài)的。對(duì)于某一特定條件下的解,需要給出定解條件,即初始條件和邊界條件。瞬態(tài)傳熱的微分模型位:

        式中:[λ]為傳導(dǎo)矩陣,包含熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射和形狀系數(shù);[C]為比熱系數(shù),考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加;{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量;為溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù);{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量,包括熱生成。

        1.2 有限元分析

        利用ANSYS 作為溫度模擬的分析軟件,釆用SOLID70 作為熱實(shí)體。該熱實(shí)體具有八個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)溫度自由度,可以用于分析穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱問(wèn)題,也可用于補(bǔ)償因恒定速度質(zhì)量輸運(yùn)帶來(lái)的熱損失。如果模型中間含有熱實(shí)體傳遞結(jié)構(gòu)單元,那么還需進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,此單元可以被一個(gè)等效的結(jié)構(gòu)單元所代替。此單元有一個(gè)選項(xiàng)用以模擬通過(guò)多孔介質(zhì)的非線性穩(wěn)態(tài)流動(dòng),原有的熱參數(shù)可以被解釋為相似的流體流動(dòng)參數(shù)。溫度有限元計(jì)算過(guò)程如圖1 所示。

        圖1 溫度有限元計(jì)算過(guò)程

        2 相對(duì)濕度建模

        2.1 建模理論

        大多數(shù)的包裝材料如工程塑料和復(fù)合材料等具有親水性,容易吸收周圍環(huán)境中的濕氣,進(jìn)入包裝容器微環(huán)境,影響包裝產(chǎn)品的可靠性。濕氣可以通過(guò)擴(kuò)散、壓力驅(qū)動(dòng)、表面張力等方式進(jìn)入包裝容器中,其中擴(kuò)散是濕氣傳播的主要途徑,遵循Fick 第二定律。當(dāng)包裝產(chǎn)品吸收潮氣的時(shí)間過(guò)長(zhǎng),使包裝材料的性質(zhì)退化,甚至出現(xiàn)很大膨脹時(shí),濕氣擴(kuò)散才不完全遵守Fick 擴(kuò)散定律,需要對(duì)其進(jìn)行修正,濕氣擴(kuò)散方程為:

        式中:RH 為相對(duì)濕度;D 為材料濕度擴(kuò)散系數(shù)(需要根據(jù)現(xiàn)有包裝材料試驗(yàn)結(jié)果確定)。

        展開得:

        假設(shè)包裝材料內(nèi)部為各項(xiàng)同性, 則有Dxx=Dyy=Dzz,得:

        通過(guò)對(duì)式(5)進(jìn)行求解,即可得出包裝材料內(nèi)部隨外部相對(duì)濕度、時(shí)間的變化趨勢(shì)。

        通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),熱傳導(dǎo)方程和濕氣擴(kuò)散方程在形式上是相同的。通過(guò)將熱傳導(dǎo)方程中的溫度T 和熱傳導(dǎo)系數(shù)k 替換成濕度C(x,y,z)和濕度擴(kuò)散系數(shù)D,就可以采用有限元軟件的熱傳導(dǎo)模塊進(jìn)行濕氣擴(kuò)散分析模擬[6-14]。

        2.2 有限元分析

        通用大型有限元分析軟件通常沒(méi)有專門的濕氣擴(kuò)散分析模塊,利用相對(duì)濕度的處理方法,可以通過(guò)濕熱之間的對(duì)比關(guān)系,使用通用有限元分析軟件的熱分析模塊來(lái)進(jìn)行濕氣擴(kuò)散的有限元分析,各參數(shù)對(duì)應(yīng)情況見表1。相對(duì)濕度有限元計(jì)算過(guò)程如圖2 所示。

        表1 濕度擴(kuò)散分析與熱分析變量對(duì)應(yīng)關(guān)系

        圖2 相對(duì)濕度有限元計(jì)算過(guò)程

        3 試驗(yàn)與仿真

        3.1 試驗(yàn)樣品

        以密封包裝容器為研究對(duì)象,建立有限元模型,模擬在外部載荷作用下包裝容器微環(huán)境的溫濕度場(chǎng)。試驗(yàn)樣品由3k 碳纖維布和環(huán)氧樹脂等材料組成,容器壁厚為2 mm,包裝容器內(nèi)徑為95 mm、長(zhǎng)位800 mm,形狀為圓柱體。兩端蓋為鋁合金,用硅膠進(jìn)行密封。研究某典型氣候試驗(yàn)站投樣后,包裝容器環(huán)境溫濕度和微環(huán)境溫濕度變化情況。采樣時(shí)間為2016 年4 月18 日0點(diǎn)08 分至2016 年04 月20 日18 點(diǎn)38 分,采樣間隔為10 min/次,一共提取了400 個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

        3.2 仿真

        根據(jù)包裝容器結(jié)構(gòu)特性,開展有限元模型研究,溫度模擬的幾何模型如圖3a 所示,有限元模型中需要確定內(nèi)部空氣、包裝材料、鋁合金三種材料的物理性能,如密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱。溫度預(yù)測(cè)的初始條件為2016 年4 月18 日0 點(diǎn)08 分的初始溫度場(chǎng),通過(guò)有限元法穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析得出(如圖3b 所示)。邊界條件為試驗(yàn)測(cè)試得到的該時(shí)間段內(nèi)環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化曲線,仿真的最終溫度場(chǎng)結(jié)果如圖3c 所示。

        相對(duì)濕度建模參照溫度建模方式進(jìn)行,確定材料的密度、濕度擴(kuò)撒系數(shù)和比熱等物理參數(shù),建立的相對(duì)濕度模擬的幾何模型如圖4a 所示。以2016 年4 月18 日0 點(diǎn)08 分的初始濕度場(chǎng)為初始條件,如圖4b所示。以試驗(yàn)測(cè)試得到的該時(shí)間段內(nèi)環(huán)境相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化曲線為邊界條件進(jìn)行仿真,最終濕度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖4c 所示。

        3.3 結(jié)果分析

        結(jié)合建立的仿真模型,以及利用試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,對(duì)包裝容器微環(huán)境溫濕度的變化情況進(jìn)行模擬仿真,其仿真結(jié)果如圖5 所示。

        從圖5 中可以看出,試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果的規(guī)律相同,二者的變化趨勢(shì)吻合得很好,相對(duì)濕度隨著時(shí)間以天為大周期變化。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果包含更多的環(huán)境及測(cè)試因素的影響,所以相對(duì)濕度曲線有更多的噪聲,而模擬結(jié)果則更加光滑。對(duì)微環(huán)境仿真值與實(shí)測(cè)值之間的誤差進(jìn)行分析,溫度的最大相對(duì)誤差不超過(guò)8%,相對(duì)濕度的最大相對(duì)誤差不超過(guò)11%。

        圖3 溫度模擬

        圖4 相對(duì)濕度模擬

        圖5 仿真結(jié)果

        4 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)獲取的大量密封包裝容器在不同環(huán)境下的貯存試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)建立的包裝容器微環(huán)境溫度和相對(duì)濕度模型進(jìn)行了反復(fù)校驗(yàn)和修正,保證了模型的準(zhǔn)確性。建立的微環(huán)境溫濕度仿真軟件能對(duì)貯存時(shí)間較長(zhǎng)、不同規(guī)格的密封包裝容器溫濕度進(jìn)行準(zhǔn)確仿真,可以避免包裝容器類產(chǎn)品自然環(huán)境試驗(yàn)的高費(fèi)用和長(zhǎng)時(shí)間,為尋找環(huán)境失效的原因和機(jī)理、確定合理科學(xué)的維修時(shí)間和內(nèi)容、優(yōu)化貯存使用方法提供了重要的數(shù)據(jù)支撐,具有良好的應(yīng)用前景。

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