本文是一篇決策模擬論文，本文基于研究結(jié)果對(duì)PVC-U軸向中空壁管熱成型工藝進(jìn)行了整體優(yōu)化和設(shè)計(jì)改進(jìn)，從而提高了PVC-U軸向中空壁管的生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量和力學(xué)性能，最終使得該型管道在城鄉(xiāng)排水領(lǐng)域具有較好的使用性能。
第一章  緒論
1.1  研究背景與意義
1.1.1  研究背景
全球水資源均存在時(shí)空分布不均的問題。水資源的短缺制約著各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活質(zhì)量。為緩解水資源短缺的問題，自二十世紀(jì)六十年代以來，各國(guó)在充分開發(fā)和利用現(xiàn)存水資源外，還積極的興建了大量的跨流域或跨區(qū)域的輸水調(diào)水工程[1]。
埋地輸水管網(wǎng)是這些輸水調(diào)水工程的基礎(chǔ)設(shè)施中的重要組成部分。根據(jù)制作材料的不同，埋地輸水管道可分為金屬管道、混凝土管道和塑料管道三大類。其中，塑料管道被廣泛使用在城鄉(xiāng)建設(shè)工程、市政工程、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的給排水設(shè)施建設(shè)中。相較于鋼材、鑄鐵和混凝土類管道，塑料管道具有質(zhì)量輕、成本低、連接快捷可靠、耐腐蝕、不銹蝕的特點(diǎn)。同時(shí)，塑料管道生產(chǎn)效率高，適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，且其生產(chǎn)能耗僅為鋼質(zhì)管道的1/3~1/4。因此，塑料管道工業(yè)近幾十年來在世界范圍內(nèi)迅速興起，成長(zhǎng)為一個(gè)具有相當(dāng)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)[2]。我國(guó)的塑料管道總產(chǎn)量位居世界第一，且該產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要組成部分[3]。
根據(jù)制作原料的不同，塑料管道可分為聚氯乙烯（PVC）管道、聚丙烯（PP）管道、聚乙烯（PE）管道和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）管道四大類，其中PVC管道最為常見。PVC管道的生產(chǎn)加工流程為原料混合、擠出成型、冷卻定型、激光切割、牽引下線、擴(kuò)口加工、檢驗(yàn)和包裝。PVC管道的制作原料包括PVC樹脂、填充劑、熱穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑和色料。我國(guó)是PVC樹脂產(chǎn)能最高的國(guó)家，早在1999年國(guó)家五部委就出臺(tái)了《關(guān)于加強(qiáng)創(chuàng)新推動(dòng)化學(xué)建材產(chǎn)業(yè)化的若干意見》和《推廣應(yīng)用化學(xué)建材的限制淘汰落后技術(shù)產(chǎn)品的管理辦法》等文件，明確強(qiáng)調(diào)：推廣應(yīng)用PVC管道，逐步限制淘汰鍍鋅管材和鑄鐵管。近年相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)也加快了共混和接枝改性聚氯乙烯（PVC-M）管道、雙軸取向（定向）拉伸聚氯乙烯（PVC-O）管道和氯化聚氯乙烯（PVC-C）管道的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用。行業(yè)還在積極推動(dòng)PVC-O管道在熱水、工業(yè)和消防管網(wǎng)等工程中的進(jìn)一步應(yīng)用[4]。
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1.2  國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1  熱穩(wěn)定劑
PVC具有熱穩(wěn)定性較差的特點(diǎn)，因此在PVC的加工過程中需要添加熱穩(wěn)定劑。熱穩(wěn)定劑能夠抑制PVC在高溫下的熱分解，從而提高PVC的熱穩(wěn)定性。同時(shí)，PVC是世界五大通用塑料之一，國(guó)內(nèi)外對(duì)PVC的需求持續(xù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致熱穩(wěn)定劑的消費(fèi)量也在不斷增加。因此，低毒、無污染和高效環(huán)保成為熱穩(wěn)定劑如今的發(fā)展方向[7-9]。
常見的PVC-U熱穩(wěn)定劑有鉛鹽類、金屬皂類、有機(jī)化合物類、稀土類、有機(jī)錫類等[9-11]。其中，鉛鹽類熱穩(wěn)定劑性能優(yōu)異，但含有較高的毒性，已被許多國(guó)家禁用[12-14]。金屬皂類熱穩(wěn)定劑毒性小、成本低，但其透明度較差，且存在金屬高溫氧化問題，例如鈣/鋅熱穩(wěn)定劑存在“鋅燒”的現(xiàn)象——鋅在高溫下氧化放熱，導(dǎo)致管材脆性增大和變色[15,16]。有機(jī)化合物類熱穩(wěn)定劑成本低廉，但對(duì)PVC熱穩(wěn)定時(shí)間的提升較小，例如殼聚糖熱穩(wěn)定劑的靜態(tài)熱穩(wěn)定時(shí)間為67min，動(dòng)態(tài)熱穩(wěn)定時(shí)間為23min[17]。鎂鋁類水滑石、十四烷酸插層稀土類水滑石、鈣鑭類水滑石等稀土類熱穩(wěn)定劑對(duì)PVC的熱穩(wěn)定時(shí)間和塑化能力的提升較大，但其合成工藝復(fù)雜且生產(chǎn)速率低[18-20]。同時(shí)，雖然稀土熱穩(wěn)定劑具有優(yōu)異的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性，但其初期的抗變色能力較差且需要和其他試劑復(fù)合使用[21]。含氮類有機(jī)熱穩(wěn)定劑高效無毒且熱穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，但需要額外添加有機(jī)溶劑且未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用[22]。
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第二章  PVC-U軸向中空壁管的擠出成型研究
2.2  擠出成型試驗(yàn)
2.2.1  試驗(yàn)設(shè)備
擠出成型試驗(yàn)采用山東東信塑膠科技有限公司生產(chǎn)的500mm管材擠出生產(chǎn)線。其中，擠出機(jī)頭采用直通式擠出機(jī)頭。直通式擠出機(jī)頭主要由入料口、分流器、分流器支架、調(diào)節(jié)螺釘、芯模和出口模具組成，機(jī)頭的尺寸如圖2-1所示。圖中藍(lán)色部分為擠出機(jī)頭的內(nèi)部流道。擠出機(jī)頭的內(nèi)部流道分為合流段、擴(kuò)張段、分流段、壓縮段和成型段五部分。

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2.3  擠出成型工藝的數(shù)值模擬
2.3.1  模型概述
為優(yōu)化軸向中空壁管的擠出成型工藝，通過ANSYS有限元軟件的workbench平臺(tái)建立了管材擠出機(jī)頭的CFD數(shù)值模型，并利用Fluent軟件對(duì)管材擠出成型過程進(jìn)行了溫度、壓力和速度分析。如圖2-6（a、b、c）所示，通過SpaceClaim軟件對(duì)擠出機(jī)頭進(jìn)行等比例建模。模型構(gòu)建流程如下： （1）通過草圖對(duì)擠出機(jī)頭的外殼及擠出流道進(jìn)行平面設(shè)計(jì)，模型尺寸同圖2-1。 （2）對(duì)設(shè)計(jì)好的平面模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)指令，從而構(gòu)建出擠出機(jī)頭的3D模型。 （3）通過體積抽取指令對(duì)模型的擠出流道進(jìn)行建模。
隨后將模型導(dǎo)入Meshing軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2-6（d）所示。網(wǎng)格屬性如表2-2所示，其中擠出流道模型結(jié)構(gòu)較為不規(guī)則，因此采用四面體網(wǎng)格劃分。單元數(shù)量方面，經(jīng)過測(cè)試，在單元數(shù)量為10萬時(shí)，出現(xiàn)局部網(wǎng)格畸變，在單元數(shù)量為52.5萬時(shí)，畸變問題得到解決，單元數(shù)量升至102.4萬時(shí)，計(jì)算結(jié)果與52.5萬相近，因此，選用52.5萬單元的劃分方式。網(wǎng)格屬性設(shè)置為CFD，單元屬性設(shè)置為流體單元，求解器設(shè)置為Fluent。
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第三章 PVC-U軸向中空壁管的冷卻定型研究 ....................... 32
3.1 引言 ................................ 32
3.2 冷卻工藝的數(shù)值模擬 ...................... 32
第四章 PVC-U軸向中空壁管的擴(kuò)口加工研究 ..................... 51
4.1 引言 ............................ 51
4.2 擴(kuò)口加工試驗(yàn) ....................... 51
第五章 PVC-U軸向中空壁管的偏角密封性研究 ............................... 65
5.1 引言 ............................ 65
5.2 偏角密封性試驗(yàn) ........................... 65
第五章  PVC-U軸向中空壁管的偏角密封性研究
5.2  偏角密封性試驗(yàn)
5.2.1  試驗(yàn)設(shè)備
軸向中空壁管偏角密封性試驗(yàn)的主要試驗(yàn)設(shè)備及管材如下： （1）管材靜液壓試驗(yàn)機(jī)，JJHBT，承德市金建檢測(cè)儀器有限公司，精度0.1MPa。 （2）電阻應(yīng)變片，BE120-3AA-P300，中航電測(cè)儀器股份有限公司，靈敏系數(shù)2.19±1%。 （3）位移傳感器，YWD-200，江蘇省溧陽市金誠(chéng)測(cè)試儀器廠，精度0.1mm。 （4）工業(yè)級(jí)電壓雙軸傾角傳感器，LCT620T，無錫詠為傳感科技有限公司，精度0.1°。 （5）動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)，GHHP-DJ，南京賀普科技有限公司。 （6）熱成型工藝優(yōu)化后生產(chǎn)的外徑500mm的（SN8）PVC-U軸向中空壁管，山東東信塑膠科技有限公司。

決策模擬論文參考

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第六章  結(jié)論與展望
6.1  結(jié)論
本文通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法，對(duì)外徑500mm的（SN8）PVC-U軸向中空壁管的擠出成型工藝、冷卻定型工藝、擴(kuò)口加工工藝和偏角密封性進(jìn)行了力學(xué)模擬和研究?；谘芯拷Y(jié)果對(duì)PVC-U軸向中空壁管熱成型工藝進(jìn)行了整體優(yōu)化和設(shè)計(jì)改進(jìn)，從而提高了PVC-U軸向中空壁管的生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量和力學(xué)性能，最終使得該型管道在城鄉(xiāng)排水領(lǐng)域具有較好的使用性能。具有具體結(jié)論如下：
（1）合適的擠出溫度是提高管道擠出成型質(zhì)量的關(guān)鍵。對(duì)擠出流道內(nèi)的PVC混配料熔融體進(jìn)行梯度升溫能夠提高管材的擠出速度和均勻性，并改善管材的擠出壓力分布，從而提高管材生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。當(dāng)合流段、擴(kuò)張段、壓縮段、成型段和出口內(nèi)芯的設(shè)置溫度分別為165、170、175、180和185℃時(shí)，管材的擠出速度和擠出均勻性達(dá)到最佳水平。對(duì)管材的擠出成型工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，管道擠出速度較優(yōu)化前提高了134.2%，且管材的擠出質(zhì)量趨于穩(wěn)定。工藝改進(jìn)后生產(chǎn)的管材的力學(xué)性能也得到顯著增強(qiáng)，其屈服強(qiáng)度提升至49.0MPa、彈性模量提升至3137.3MPa、斷裂伸長(zhǎng)率提升至85.7%且環(huán)剛度提升至9.47kN/m²，各項(xiàng)性能較優(yōu)化前分別提高了45.0%、5.0%、22.6%、20.5%。
（2）合適的冷卻方式和真空負(fù)壓的施加是提高大口徑管道冷卻定型質(zhì)量的關(guān)鍵。噴淋式冷卻具有易于施加真空負(fù)壓、能夠控制冷卻水溫和冷卻速率高的優(yōu)點(diǎn)，最適合大口徑軸向中空壁管的冷卻定型工藝。當(dāng)冷卻水溫為25℃，冷卻時(shí)間為1500s，真空負(fù)壓值為-0.09MPa時(shí)，管道的冷卻效率高，冷卻定型質(zhì)量好。對(duì)管材的冷卻定型工藝進(jìn)行優(yōu)選和改進(jìn)后，管道的冷卻定型質(zhì)量穩(wěn)定、成型管道的內(nèi)外徑尺寸滿足要求、管道的彎曲度≤0.2%、不圓度≤0.12%、環(huán)剛度性能穩(wěn)定且環(huán)柔性良好。
參考文獻(xiàn)（略）