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PET瓶吹塑工艺及瓶坯结构参数的优化研究

吕超  
【摘要】:聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)瓶已成为最主要的饮料包装形式,人们对PET瓶吹塑成型过程的关注越来越高。瓶坯结构,工艺条件等因素对PET瓶的成型效果有极大的影响,对这些因素进行优化可以明显地改善瓶体成型质量,降低材料成本。当前企业在实际生产中由于缺乏数据和理论支持,只能使用试错法(Trialand error experimentation)进行大量的实验,以选取合适的工艺条件与瓶坯结构,这造成了时间和金钱的大量浪费。 本文首先对PET材料特性进行了研究。通过流变仪测试了3种不同牌号的PET材料在熔点附近的流变性能,提出了PET动态模量与测试温度、剪切频率的关系模型。模型计算结果与实验结果对比表明,模型对不同牌号的PET在不同温度下的流变性能具有很好的预测能力。同时为数值模拟奠定基础,提出了快速取得PET材料特性参数-离散松弛时间谱的计算方法。 PET瓶的吹塑过程是一个十分复杂的过程,本文在材料特性研究基础上提出了PET瓶吹塑过程的数值模拟方法。首先,提出了相应的材料控制方程以及求解方程;构建了新的底部壁厚分布函数;然后,详细介绍了网格模型与实体模型的构建要点;针对统一温度模型的不足,构建了热力交换模型与分层温度模型;根据实际工艺条件,利用流体仿真分析软件对PET瓶吹塑成型过程进行数值模拟;最后,根据数值计算结果,对PET瓶的成型进行了研究分析。通过与实际瓶体进行对比分析,可以认为本文提出的数值模拟方法准确有效。 本文对吹塑过程的工艺条件进行了优化。首先,提出了Nelder-Mead方法对瓶坯预热温度进行优化;然后利用正交试验,快速获取合适工艺条件,并在此基础上,利用回归分析的方法构建了工艺条件与壁厚均匀度的回归模型;在模型解的基础上采用遗传算法对优化模型进行迭代计算;为进一步优化工艺条件,结合模拟退火算法与遗传算法的优点,提出了新的遗传算法-模拟退火混合算法,并从优化效果等角度分析正交试验、回归模型、遗传算法优化以及混合算法优化这四种优化方法的优劣,最终得到相对于前三种方法,混合算法求解具有明显的优势。 瓶坯结构是影响吹塑过程成型质量和企业生产成本的重要因素。为降低PET瓶的材料成本,本文首先分析了瓶坯结构对成型效果的影响;然后明确了瓶坯的结构参数,提出了基于结构参数的瓶坯重量公式,并将其作为瓶坯优化的目标函数,根据瓶坯结构参数的相互关系以及相关的设计准则,构建了优化模型;提出了自动变换决策变量进行瓶坯迭代优化的新方法:最后,通过与实际瓶坯得到的成型瓶体进行对比,优化后的瓶坯在满足设计要求的前提下明显减少了PET的材料消耗。 此外,在优化研究基础上,设计开发PET瓶设计及制造工艺仿真优化系统。


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