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机构

1 篇 广东工业大学

作者

1 篇 余炳圳

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1 篇 中文

检索条件"主题词=热塑性注塑成型"

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排序：

基于数值模拟的注塑机能耗与制品质量多目标优化研究

基于数值模拟的注塑机能耗与制品质量多目标优化研究

引用

作者：余炳圳广东工业大学

学位级别：硕士

我国制造业发展迅速,目前已成为世界第一制造大国。但是,一方面,基于我国长期快速发展的工业化进程,我国制造业能源消耗量非常大;另一方面,以高投入、高消耗、高污染、低质量、低效益为特征的传统工业增长模式带来了能源浪费、环境恶化... 详细信息

我国制造业发展迅速,目前已成为世界第一制造大国。但是,一方面,基于我国长期快速发展的工业化进程,我国制造业能源消耗量非常大;另一方面,以高投入、高消耗、高污染、低质量、低效益为特征的传统工业增长模式带来了能源浪费、环境恶化等一系列问题。塑料产业迅猛发展,需求量增加、产品种类、质量要求提高、能源面临制约问题。注塑机作为塑料生产使用最普遍的加工设备,其整体能源的消耗量非常大。所以,为了有力推进我国塑料制造业的绿色发展,以“高产、高质、低耗”的标准为目的,在塑料原料、注塑机型号和模具都确定的情况下,怎样从能耗和注塑质量两个层面达成注塑机的节能软技术优化对于我国塑料行业而言极具意义。针对注塑机热塑性注塑成型总量能耗高、制品质量不稳定的问题,本文以BS80-Ⅲ型注塑机为研究对象,基于数值模拟技术和多目标优化算法对注塑过程能耗和制品质量进行工艺参数优化分析。首先根据注塑机的结构特点和工作原理,然后从生产角度出发,分析温度、压力、成型周期三大工艺特性对生产过程的能耗及质量的影响,准确、精炼提取有效工艺参数,在深入理解其工作原理的基础上,为了对注塑机能耗和制品质量进行评估,建立了注塑过程变值阶段能耗模型、体积收缩率和重量偏差率指标。其次,基于数值模拟技术构建热塑性注塑成型模型。为了保证数值模拟的可靠性,利用企业提供的实际生产过程填充压力数据验证热塑性注塑成型数值模拟模型的可靠性,引入动态时间规整(Dynamic Time Warping,DTW)对数值模拟结果进行相似性分析。然后结合注塑机节能降耗和制品质量评价指标以及数值模拟模型求解各组仿真实验的综合评价值,利用正交实验显著性分析确定待优化参数,利用单因素分析探究三个待优化参数对注塑机能耗和质量的影响规律。最终,基于随机森林模型构建待优化参数与能耗、质量之间的预测模型,基于邻域搜索的自适应差分进化算法(Self-adaptive Differential Evolution with Neighborhood Search,Sa NSDE)对多目标预测模型迭代搜索寻优,获得最佳的参数组合。本文的主要内容如下:(1)针对以往的研究中能耗模型涵盖了设备参数和软参数,对于软技术节能来说亟需一个与工艺参数相关的能耗模型这一问题,本文基于变值和非变值概念提出了变值阶段能耗建模方法。根据注塑机工作周期合模、塑化、填充、保压、冷却、开模、顶针进退,每个步骤都要消耗一定能耗,先计算出单周期系统能耗,再根据工艺参数变化对能耗数值存不存在影响分离出变值阶段能耗,该阶段能耗占系统能耗比重大,从而构建了合理的注塑机能耗评估模型。(2)针对质量评价指标体积收缩率难测量、流动前沿温度、壁上剪切压力、体积流量率等获取难度大的问题,本文基于数值模拟技术构建了热塑性注塑成型仿真模型并进行了模流分析,并利用动态时间规整算法对注塑过程特性进行相似性分析,从而获得填充件全局流动状态的可靠信息,为注塑质量效果提供可视化的帮助,同时为节能降耗提供分析中的详细过程数据。(3)针对热塑性成型设置的工艺参数多、输入维度大这一问题,本文通过设立六因素四水平正交实验,利用热塑性注塑成型仿真模型的可视化数据,结合实验结果对注塑机工艺参数进行显著性分析,确定出了填充时间、熔体温度和保压压力为本文的待优化工艺参数。最后,结合变值阶段能耗、体积收缩率和重量偏差率三个评价指标,探讨分析了关键工艺参数对能耗和制品质量单因素影响规律。(4)针对传统优化实验受限于求解耗时较长、计算复杂度大,本文提出了一种基于邻域搜索的自适应差分进化算法(Sa NSDE)的注塑机能耗和制品质量多目标优化方案。首先,结合正交实验方案和数值模拟提取多组工况下的过程数据并根据能耗和质量评估指标计算结果。接着以待优化工艺参数为输入,能耗和质量评估指标为输出,基于随机森林算法构建了变值阶段能耗、体积收缩率和重量偏差率的预测回归模型。最终,对待优化参数进行范围约束,以上述三个预测回归模型为优化函数,基于Sa NSDE算法对优化模型迭代搜索寻优,获得最优Pareto解集,并将优化结果同最初方案进行比较,证明了优化方法的有效性。

关键词：热塑性注塑成型 DTW相似性分析数值模拟随机森林回归多目标差分进化算法

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