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《华中科技大学》 2010年
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玻璃压制成形工艺的数值模拟方法

孙强  
【摘要】: 作为玻璃制品成形的主要生产工艺,压制成形以其快速、高效、精确等特点成为玻璃制品最有效的成形工艺之一。但是,成形中的一些重要特征和复杂现象还缺乏深入分析与建模,没有实现描述精密玻璃成形中复杂过程与现象的整体建模,缺乏系统全面的理论基础、精确完备的基础数据和先进可靠的设计工具,这已成为制约精密玻璃成形快速发展的主要瓶颈。因此,建立描述成形过程的有机整体数学模型,定量分析成形中的各种物理变化与特征现象,正确形成成形缺陷产生的机理与判据,成为摆在精密玻璃成形研究人员面前的一项艰巨而紧迫的任务。 本文以显像管玻壳为研究对象,通过成形过程的数值模拟技术,对压制成形中玻璃的流动、冷却、应力、变形过程进行集成模拟,在模具制造之前形象直观地仿真成形全过程,预测模具设计和成形条件对产品的影响,优化模具结构和工艺条件。本文的研究内容主要包括如下几个方面: 在流场模拟中,从流体力学的基本理论出发,根据玻璃压制成形过程的特点,引入合理假设,简化三维熔体控制方程,建立了描述玻璃压制成形流动过程的数学模型。然后,采用有限元方法离散并求解控制方程,为了抑制计算过程中产生的数值震荡,提高求解过程的稳定性,对简化后的控制方程分别采用伽辽金最小二乘稳定性计算格式和梯度伽辽金最小二乘计算格式进行离散求解。 在温度场模拟过程中,提出了一种用于模拟玻壳和模具冷却温度场的数值计算方法,同时对制品的瞬态非线性热传导、模具的热传导、气体冲击冷却的热传递、冷却介质和模具间的稳态对流换热进行建模,模拟实际成形过程。该系统利用有限差分法,在厚度方向上对玻壳采用一维瞬态分析,模具的传热分析采用了三维边界元方法来模拟三维热传导,玻壳和模具通过耦合分析来匹配型腔表面的温度和热流量。 在残余应力与变形过程模拟中,建立了玻壳残余应力的计算模型以及其数值求解过程,针对玻壳的形状特点提出了剪切板假设,采用了适合玻壳材料特性的粘弹性材料模型,并根据玻壳成形特点建立了合适的边界条件。在残余应力计算的基础上,采用三角形平板壳有限元方法计算了玻壳的变形。 在强化传热过程的模拟中,针对玻璃模具最常用的两种强化方法,对冲击射流和人为粗糙度的强化换热机理进行了较深入研究,在此基础上,结合工程实际,提出了玻壳模具冷却系统的改进方案,采用商品化软件FLUENT 6.1进行数值模拟和方案优化。 通过与实验结果对比以及商用CAE软件的分析结果的对照,验证了所提出的模型和方法的正确性。在此基础上开发了相应的模拟系统,直观地仿真成形全过程,成为玻璃成形工艺及模具结构设计的一个有力的工具。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TQ171.63

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【引证文献】
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【参考文献】
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