10mL PP塑料瓶吹塑成型过程仿真分析.docx

摘?要：采用有限元分析软件对10mLPP塑料瓶吹塑成型的过程进行了仿真分析，通过分析模具的工作特点，制定出了管坯的仿真工艺流程。经计算得出：成型管坯的最大壁厚为2.728mm，最小壁厚为0.631mm，均大于目标壁厚0.5mm；管坯在模具挤压作用下，沿Y轴方向堆积，导致两侧坯料堆积最多；沿Z轴方向，瓶盖的平均壁厚要高于瓶身部分；管坯在合模周期内与模具的贴合效果较好。

关键词：10mLPP塑料瓶；仿真分析；有限元；壁厚

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0?引言

塑料中空吹塑成型过程受多种因素影响，导致预测PP塑料瓶厚度分布及其他性能参数较困难。如果通过反复试验获得制品信息，则花费周期长、成本高，导致生产效率低下。因此，当下国内外学者对吹塑成型过程、制品壁厚以及其他性能参数的分析进行了大量的数值模拟研究，通过模拟结果来指导实际生产。最早建立了试验装置，对管坯的吹胀行为进行研究，他们通过仪器确定了管坯的直径分布随时间变化的关系。对PP塑料瓶拉伸吹塑过程进行了研究及模拟。对3D挤出吹塑型坯的吹胀过程数值进行模拟分析和讨论，得出了材料参数、型坯的初始条件、吹胀压力等工艺参数对型坯吹胀过程均有影响的结论。对挤出吹塑型坯的吹胀过程进行了有限元仿真分析。对于三维模型，一般拐角处壁厚较薄，强度较弱，可通过型坯壁厚调节器和一些相关工艺条件控制管坯的初始壁厚分布，从而提高管坯制品的壁厚均匀性。

本文采用有限元软件对10mLPP塑料瓶成型过程进行仿真分析，根据制定的仿真工艺流程进行数值计算，得出瓶体与瓶盖的成型壁厚均满足目标预期，且在成型周期内管坯与模具贴合较好。这一结果为实际生产提供了有力的理论支持。

1?数学模型

1.1?控制方程

PP聚合物材料的流动过程不能简单地用牛顿流体描述，本文采用广义牛顿流体对型坯流动过程进行分析。在整个合模吹胀过程中，PP材料需遵循的质量、动量和本构方程要求如下[5]：?????

1.2?本构模型

本文选用广义牛顿流体分析PP聚合物材料的流动过程，可最大程度地反映不同工艺条件对吹塑成型过程中型坯厚度的作用效果。

2?几何模型

2.1??模型简化

图1为10mLPP塑料瓶整体模具模型（以下简称10mL模型），包括夹板、封模、主模和冷却管路等组件。根据模具镜面对称特性，可取单侧模具作为研究对象。该模具可同时对四个管坯进行吹气成型。10mL模型所使用的坐标系如图1所示，X轴为塑料瓶排列方向，Y轴为模具移动方向，Z轴为管坯轴线方向，也是管坯挤出机下料方向。10mLPP塑料瓶成型模型如图2所示。一个管坯在模具挤压吹塑作用下可制备5个10mLPP塑料瓶。

忽略边缘的细微差别，该模具内部可以分为四组相同的形状，取1/4作为研究对象，选取的1/4部分本身具有镜面对称特性，因此，可取其一半作为研究对象，如图3所示。除了封模和主模外，将模型中的夹板、挡板和螺栓等组件予以删除。

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2.2?网格划分

整个模型的高和宽分别是290mm和75mm。根据几何尺寸进行网格划分，得到的最终网格模型如图4所示，总网格数量为37588。

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2.3?边界条件设置

该模型不考虑模具表面的粗糙度对成型质量的影响，模具内部有冷却水管路流通，持续为模具降温，保证模具的温度维持在室温。高温管坯在贴合模具壁面后被迅速冷却，黏度增加，此后管坯不再与模具发生相对滑移，在管坯表面施加无滑移边界条件，设置模具内腔表面为绝热壁面，管坯和模具边界参数如表1所示。

3?成型工艺仿真流程

主模和封模与管坯下料中轴线之间的距离可通过计算得到。主模模具打开后，两模具之间的距离为140mm，合模时间为0.5s。封模是在主模合模后，需要封口时才合模，所以封模合模的距离和时间均较短，两封模之间的距离为100mm，封模合模时间为0.4s。

以吹塑压力为0.06MPa为例，整个工艺仿真流程如图5所示，其包括4个步骤。塑料瓶成型工艺仿真流程涉及模具的移动，模具合模完成后，在模具表面真空孔作用下，管坯贴合壁面实现成型过程。10mL模型的真空成型压力均匀地施加在管坯表面，沿管坯表面指向模具一侧，真空压力持续施加时间为1.5s。

表2为10mL模型速度边界设置表，显示了主模、封模的移动速度、时间和位移。在0～0.5s区间内，主模进行合模动作，移动距离为0.07m，移动速度为0.14m/s；在0.5～2s区间内，被主模合模所包住的管坯区域进行真空成型过程，压力为0.06MPa，如压力边界设置示意图（图6）下部方框所示区域；在2～2.4s区间内，封模进行合模动作，移动距离为0.05m，移动速度为0.125m/s；在2.4～3s区间内，被封模合模所包住的管坯区域进行真空成型过程，压力为0.06MPa。

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4?计算结果及分析

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