فصل ۶
طراحي قسمت مستطيل شكل قالب اكستروژن با ۱۰ سوراخ
۱ـ۶ معرفي
هدف از شبيه‌سازي CFD تعيين مطلوب‌ترين شكل قالب شامل dielend و پين و بهترين طول قسمتهاي مختلف مي‌شود تا بيشترين تعادل جريان در خروجي قالب با ابعاد اكسترود شده دلخواه قسمت عبوري مستطيل شكل با ۱۰ سوراخ گرد مساوي روي خط مركزي به قطر mm1/1 فراهم كند (عكس ۱ـ۶ مشاهده مي‌شود)
جريان از ميان قالب موجود بوسيله Altar inc آسانتر تحليل شده بود [۴۷]. برخي مدلها دوباره آناليز شده بود توسط نرم‌افزار Paly flow تا بيشترين تعادل جريان در خروجي قالب را فراهم كند. در نتيجه اساس داده مواد و موقعيت فرايند داده شده در فصل ۳ فراهم شده است.
۷۷-۹۷

در قسمت ۶٫۲ هندسه‌اي از مدل ارائه شده است. در قسمت ۶٫۳ يك تعريف كوتاه از توسعه عامل انتهايي مدل براي شبيه‌سازي ارائه شده است. اين قسمت بوسيله مرور جزئيات نتايج اكستروژن در قسمت ۶-۴ پيگيري مي‌شود. اين نتايج شامل مروري بر داده‌هاي سرعت و فشار و حوزه گرمايي علاوه بر كشيدن نقشه برش و سرعت پليمر مي‌شود. همچنين نتايج محاسبات صفحات آزاد اكستروژن معكوس در قسمت ۶-۴ نمايش داده مي‌شود. قسمت ۶-۵ اجزاي مختلف قالب و اهميت آنها در جريان قالب و تصوير آبي كشيده براي طراحي قالب p در ضميمه B داده شده است را توضيح مي‌دهد.

۶-۲ هندسه مدل
قالب اكستروژن جريان پليمر (استيرن) را مهار مي‌كند زير فشار از ورود تا خروج. ورودي دايره‌اي با قطر ۰٫۰۵۵m است كه برابر با قسمت عبوري خروجي لوله است. جريانهاي پليمر از ميان قسمت انتقال و … i.e و از قسمت عبوري گرد تا قسمت عبوري مستطيل شكل سپس دور شبكه و پل ارتباطي (با استفاده از پين) و از ميان منطقه انتقال قالب (انتقال روان از قسمت عبوري مستطيل تا نزديكي قسمت مستطيل شكل)، و در پايان از ميان dieland (عكس ۶٫۲ ملاحظه شود) عبور مي‌كند. لبه قالب يك برآمدگي نامنظم قسمت مستطيل شكل است و پينها قسمت عبوري بيضي شكل است.

در هرحال قسمت اكسترود شده و لبه قالب چهار ضلعي متقارن است (شكل ۶-۲ را ببينيد)، هزينه پيچيدگي شبكه و انتقال ساختار قالب تا شبيه‌سازي نيمي از حوزه جريان واقعي آن ضروري بوده (شكل ۶٫۳ را ملاحظه كنيد)

Paly flow در شبيه‌سازي ۳ بعدي جريان قالب و انتقال حرارت مورد استفاده است علاوه بر قسمت عبوري به سمت خارج ۳۵mm در سطح آزاد از قسمت خروجي (نگاه كنيد شباهت محاسبات منطقه شبيه‌سازي شده در شكل ۶٫۴) و عكس ۶٫۵ نشان مي‌دهد در نماي نزديك از پل، پايه‌ها و پينها.
۷۲-۹۸

حيطه محاسبات شبيه هندسه ۳ بعدي قالب واقعي و جريان سطح آزاد قالب بعدي جايي كه سرعت پخش (توزيع) و تنش آرام در فاصله‌اي كوتاه از قسمت عبوري به خارج از خروجي قالب قرار گيرد براي كاربرد آسان شرايط حدي منطقه فوق به چند زير منطقه تقسيم مي‌شود (شكل ۶-۴)
۷۴-۱۰۰
۶-۳ عامل انتهايي مدل
هندسه سه بعدي پيچيده قالب و ارتباط غير خطي بين سرعت پليمر و نرخ برش، پيچيدگي، مش (mesh) عامل انتهايي توسعه داده شده بود تا حل عددي متعادل آسان شود. آن عبارت است از ۱۹۴۷۹ عامل با سختار شبكه هگزاهيه‌رال در dieland و سطح آزاد شبكه بدون ساختار تتراهيدرال در قسمت باقي‌مانده. گوشه‌هاي مساوي كج از ساختار شبكه در dieland و سطح آزاد ۰٫۵ كمتر است بعد از ساخت شبكه عامل انتهايي در Gambit و مدل فرستاده شده Palydata و جايي كه داده‌هاي مواد و شرايط مرزي مشخص شده بود.
۷۵-۱۰۱
۶-۴ شبيه‌سازي و نتايج تست موجود
شبيه‌سازي‌ها با نرم‌افزار ويندوز و با كامپيوتري با سرعت ۲-۵۲GHz و با RAM , 1GB قابل اجرا مي‌باشد و براي اجراي كامل يك ساعت از زمان CPU لازم بود. نتايج شبيه‌سازي معكوس غير همدما (قسمت dileand جديد). Play flow براي انجام شبيه‌سازي عددي از قالب اكستروژن توسط داده فرآيند و عامل انتهايي مدل كه در بالا توضيح داده شده استفاده شده بود.

سپس نتايج توسط يك تست پردازش Fluentpast بازبيني شد.
نقطه قوت اكستروژن معكوس در نرم‌افزار كاربردي CFD استفاده از فراهم كردن يك dieland تعديل شده و قسمتهاي پين مركزي براي توليد اكسترود مستطيل شكل با يك سوراخ گرد در مركز بوده. همان‌طور كه در نزديكترين فصل توضيح داديم در حدود ۵% انحرافات در طول و عرض ممكن است با محدوديتهاي شبيه‌سازي قابل توجيه باشد بعلاوه با تأثير خنك كردن و انقباض كشش در طول فعاليت اكستروژن مي‌توان چنين انتظاري داشت.
۷۶-۱۰۲

هدف از توليد ابعاد ۵% بزرگتر از حالت عادي جبران انقباض و اثر خنك كردن در تنظيمات و همچنين قسمت عبوري انتهايي بود. برنامه بدست آمده در محاسبات برآمدگي مناسب قالب تا سرعت آرامش مذاب در منطقه سطح آزاد همچنين خروجيهاي قالب و محاسبات مورد نياز dieland و حوزه‌هاي بين مركزي ابعاد اكسترود شده دلخواه بعد از خروج مذاب از قسمت سطح آزاد را فراهم مي‌آورد.

Preland-6-4-1
در ابتدا، برخي شبيه‌سازيها با گرفتن فقط قالب قابل انجام بودند (به استثناي سطح آزاد) تا مشخص شدن بهترين ابعاد Preland در تعادل بيشتر جريان در خروجي مي‌تواند مؤثر باشد. شبيه‌سازي‌ها با تغيير ابعاد d2 و d0 و d1 انجام شد (در شكل ۶-۷ نشان داده شده) در ۸ مورد، و خروجي قالب در ۱۰ منطقه تقسيم شده بود (در شكل ۶-۸ ديده شود) و نرخ جريان در هر خروجي در طول تست پردازش گرفته مي‌شود. و نتايج در نموداري نمايش داده شده بود در شكل ۶-۹ ديده مي‌شود. مورد ۱-۴ انجام شده بود با تغيير do (مورد ۳ بهتر بود) مورد ۳ و ۵ و ۶ انجام شده بود و با تغيير در d1 (موردها بهتر بود) و در ۵ و ۷ و ۸ تغيير در d2 انجام شد (مورد ۵ بهتر بود) از همه موارد مورد ۵ از بقيه بهتر بود و ابعاد آن در شبيه‌سازيهاي باقي‌مانده استفاده شده بود.
۷۸-۱۰۴
۶-۴-۲ توزيع فشار
فشار يكي از مهمترين كميتهاي مورد توجه در تحليل قالب اكستروژن است. در تحليل فعلي فشار در خروجي صفر بود. اين مقدار خوبي است چون يك مرجع براي تفسير نتايج توضيح زيرا براي استراحت منطقه است. عكس ۶-۱۰ و ۶-۱۱ توزيع فشار در كل منطقه و روي سطح مشترك نشان مي‌دهد. آن مي‌تواند مشاهده شود كه ادامه كاهش فشار در طول iso-sarfaces از ورودي تا خروجي قالب و فشار ثابت سطح مشترك تا راستاي جريان عبوري است، كه قسمت گردش دوباره در قالب وجود ندارد نشان داده شده است.
۷۹-۱۰۵

فشار كم در كل قالب از ورودي تا خروجي بود. فشار كم قالب افزايش خواهد يافت با افزايش در نرخ جريان ـ شبيه‌سازيهاي مختلف براي نرخهاي جريان مختلف انجام مي‌شود و نتايج در جدول و منحني كه براساس فشار كم با نرخ جريان در شكل ۶-۱۲ فراهم شده است.
۸۱-۱۰۷

۶-۴-۳ توزيع سرعت
عكس ۶٫۱۳ و ۶٫۱۴ خطوط منحني بزرگي سرعت در كل منطقه و Iso-surfaceهاي مختلف را نشان مي‌دهد. حداكثر سرعت پليمر تقريباً m/s16 است كه در قسمت پل بوجود مي‌آيد. عكس ۶-۲۵ سرعت در طول خط مركزي در خروجي را نشان مي‌دهد.
۸۳-۱۰۹
۶-۴-۴ توزيع حرارت

توزيع حرارت بوسيله حل معادله توزيع معادل انرژي در منطقه قالب فراهم شده است. عكس ۶٫۱۶ توزيع حرارت پليمر درطي اكستروژن را نشان مي‌دهد. دماي پليمر ورودي قالب ۴۷۳k و ديواره‌هاي قالب دماي ۴۷۳k را نگه داشته تا تغيير دما در قالب رخ ندهد. در سطح مشترك خروجي پليمر تا ۴۴۵k سرد شده تا هنگامي كه خارج شود از مجراي عبوري خارجي ۳٫۵cm قالب (چسبندگي اضافه صرف‌نظر مي‌شود).
۸۴

۶-۴-۵ نرخ برش، سرعت، و توزيع تنش
با افزايش مقدار رخ داده در منطقه پل و ارزش مقدار چسبندگي از ۱۰۲۶ Pa-S تا ۱۳۲۱۱ Pa-S نرخ برش كمتر از ۹۶ ۱/۵ است. افزايش درجه چسبندگي نشان دهنده مقداري ماده غير خطي در شبيه‌سازي عددي است. عكس ۶٫۱۷ و ۶٫۱۸ نمايشي از نرخ برش و چسبندگي را نشان مي‌دهد.
۸۵
۶-۵ پيش‌بيني سطح مشترك آزاد و اكستروژن معكوس

قسمت خروجي قالب نياز به كسب اكسترود دلخواه با يك منحني نامنظم است. قسمت مستطيل شكل با ۱۰ پين بيضي شكل همچنين فراهم كردن توسط قابليتهاي معكوس Paly flow. در عكس ۶-۱۹ نشان داده شده. هماهنگي لبه قالب توسط شبيه‌‌سازي ارائه شده در ضميمه B فراهم شده است. با فراهم كردن قسمت عبوري و يك نمودار مقايسه نرخ جريان در خروجي قالب در طراحي قالب و تعادل قالب كه در شكل ۶-۲۰ ارائه شده جريان در خروجي قالب متعادلتر مي‌شود. همچنين در شكلهاي ۶-۲۱ و ۶-۲۲ نمودار مقايسه ميانگين سرعت و شاخه‌هاي خروجي مختلف از قالب موجود با ميانگين تعادل قالب ارائه شده در گزارش Altair Inc نشان داده شده است.
۸۸
۶-۶ طراحي قالب
قالب با ۱۰ سوراخ شامل ۵ صفحه است. مخزن اكسترو در پليمر خروجي، ابتدا جريانها از ميان تنظيم كننده پمپ مذاب. پمپ ۱ و پمپ ۲ عبور مي‌كند. اين ۳ صفحه استفاده از تغيير كانال جريان از گرد به مستطيل شكل مي‌باشد.
سپس جريانهاي پليمر از ميان صفحه شبكه. شبكه‌ها و پلها در نگه داشتن پينهاي توخالي و سوراخهاي ارتباطي كه ساخته شده از ميان پينها، پلها و شبكه‌هاي وزش هوا هستند مورد استفاده قرار مي‌گيرد. سپس جريانهاي پليمري از ميان dielan عبور كرده تا آرام شود قبل از خروج از قالب همه قسمتهاي قالب در مونتاژ و شكل انفجاري در شكلهاي ۶-۲۳ و ۶-۲۴ و ۶-۲۵ ديده مي‌شود. عكس آبي براي كل قالب و اجزاي جداگانه رسم شده و در ضميمه B نشان داده شده است.

فصل ۷
نتيجه و پيشنهادات براي پيشرفت در آينده
۱ـ۷ـ نتيجه

اين پايان نامه يك مروري بر جزئيات فرايندهاي اكستروژن، فرموله كردن رياضي جريان پليمر، حرارت و شبيه‌سازي جريان و طراحي قالب اكستروژن را ارائه مي‌دهد. هدف از شبيه‌سازي GDF تعيين شكل بهينه قالب شامل پايه قالب و پينها براي فراهم كردن ابعاد دلخواه اكسترود كردن مي‌باشد. شبيه‌سازي سه بعدي عامل انتهايي جريان و انتقال حرارت از ميان قالب و در داخل قسمت عبوري سطح آزاد به سمت خروجي قالب قابل انجام است توسط يك كد GFD صنعتي. Poly flow و ساخته شده توسط Fluent Inc. شبيه‌سازي اوليه گرفته و منتقل شده بود با استفاده از ابعاد قالب موجود و پارامترهاي فرايند عمليات و روش

اكسترود كردن همچنين فراهم آوردن شباهت شكل بدست آمده در طول عمليات اكستروژن. در حدود ۵ درصد افزايش ابعاد در پهنا و ارتفاع نوعاً پذيرفته مي‌شد با تأثير خنك كردن و كم شدن كشش در طول عمليات اكستروژن. بنابراين، هدف توليد ابعاد ۵% بزرگتر جبران انقباض و اثر خنك كردن در تنظيم و افزايش قسمت عبوري به سمت خارج مي‌باشد. قسمت مياني دچار افت شده از توليد انتهايي اكسترود شده قابل پرداخت و دوباره كاري مي‌باشد تا خنك كردن غير يكنواخت در تنظيم و انقباض قسمت عبوري به سمت خارج جايي كه حوزه شبيه‌سازي خارجي بود. Dieland و لبه‌ها توسط اصطلاحاً شبيه‌سازي اكستروژن معكوس با هدف بهبود درستي ابعاد اكسترود شده بدست مي‌آيد.

۹۱-۱۱۷
از بازرسي دقيق توزيع سرعت و فشار آشكار مي‌شود كه مناطق بازگشت مجدد در قالب وجود ندارد و آن قالب مجاري خوبي دارد. آن بايد قابل فهم باشد كه نتيجه شبيه‌سازي و تجربه بايد براي طراحي قالب كارا با يكديگر تركيب شوند. علاوه براين درك كامل از فرايند اكستروژن و خصوصيات پليمر براي طراحي قالب كارا خيلي مهم است.
يك طراحي قالب كارا، طراحي تنظيمات و درك كامل از فرايند اكستروژن كاملاً ضروري است تا رسيدن به كيفيت و دقت بالا در توليدات اكسترور شده نهايي.
نتايج آناليز CFD را مي‌توان به شكل زير خلاصه كرد:

۱ـ ابعاد بهينه قالب براي رسيدن به بيشترين تعادل جريان در قسمت خروجي فراهم شود.
۲ـ اثر زمان سختي قابل پيدا كردن است تا براي جريانها پليمر در برآورد قانون Beynalds قابل صرفنظر باشد.
۳ـ نمونه‌اي از مدل Carreau-yasuda يا شيب از نسبت سرعت به منحني نرخ برش، يك اثر مهم روي برجستگي قالب دارد.
۴ـ ميزان فشار در قالب با يك سوراخ. از دهانه تا خروجي ۵٫۰۲ MPa است.

۵ـ ميزان فشار در قالب با ۱۰ سوراخ. از دهانه تا خروجي ۷٫۳۵ MPa است.
۶ـ جريان در قالب مورد نظر بدون منطقه گردش دوباره بايد روان باشد.

۷ـ شكل قسمت خروجي قالب براي قالب با يك سوراخ نامنظم است. قوس قسمت عبور مستطيلي با يك پين بيضي شكل هم مركز است.
۸ـ جريان در قسمت خروجي با محاسبات قسمت خروجي قالب متعادل است.
۱۱۸-۹۲

۹ـ تغيير دما در سيال مناسب است تا زماني ويسكوزيته حرارتي قابل صرفنظر است (كمتر از ۵k) سطح خروجي پليمر خنك مي‌شود تا ۴۶۵k از دماي قالب كه ۴۷۵k است تا هنگامي كه از قالب يا يك سوراخ ۲٫۵cm به سمت قسمت خروجي خارج شود و خنك مي‌شود تا ۴۴۵k تا هنگامي كه خارج شود از قالب با ۱۰ سوراخ ۳٫۵cm در قسمت خروجي.

نتيجه شبيه‌سازي در طراحي و ابعاد قالب اكستروژن استفاده شده بود. جزئيات آنچه را كه ارائه شد در اين پايان نامه با يكديگر با نتيجه شبيه‌سازي، بعلاوه طراحي قالب تعديل / تطبيق براي موارد مختلف، داده و روي، و خصوصيات استيرن مي‌تواند توسط روش شبيه‌سازي توسعه يافته و انجام شود.