畢業(yè)答辯-熱壓機壓頭結(jié)構(gòu)設(shè)計及傳熱性能分析研究

熱壓機壓頭結(jié)構(gòu)設(shè)計及傳熱性能

分析研究答辯學(xué)生：李守延指導(dǎo)教師：王俊堯?qū)W院：機械工程學(xué)院NortheastDianliUniversityMechanicalEngineeringCollege目錄CONTENTS研究意義與思路設(shè)計過程總結(jié)展望有限元傳熱分析1234研究意義與思路PARTONE1研究的意義與思路

課題選用聚合物微結(jié)構(gòu)熱壓成型機進(jìn)行研究，技術(shù)其制造周期短、方法簡易，聚合物微流控芯片已經(jīng)廣泛被使用，因此具有分析與研究的價值。本次設(shè)計從機械能力與熱傳遞能力依次分析熱壓頭性能特點。熱壓機是一種在加壓過程的同時給制件加熱使之膠合、塑化、固化或硫化成型的一種機器。因此，它不但有壓力機的壓力系統(tǒng)和主體結(jié)構(gòu)，而且增加了熱壓機所特有的加熱和冷卻系統(tǒng)。

ge四柱式熱壓機PARTTWO2設(shè)計過程2設(shè)計過程

如左側(cè)圖片為簡單設(shè)計的包括熱壓頭的熱壓機模型，其主要的兩大部分組成是熱壓機主體及控制機構(gòu)系統(tǒng)。液壓機主體部分包括液壓缸、活動橫梁、立柱、上下工作橫梁、上下熱壓頭等結(jié)構(gòu)組成。該結(jié)構(gòu)采用四柱三板式，活動板的垂直精度由四組控制精密的導(dǎo)套來實現(xiàn)。在所敘述的立式四柱熱壓機中,液壓缸固定在上橫梁上,柱塞與活動梁剛性連接。活動梁由柱引導(dǎo),在工作流體的壓力下上下移動。本文主要是對機械主機本體中熱壓機壓頭進(jìn)行機構(gòu)設(shè)計，不包括液壓系統(tǒng)控制機構(gòu)，所以不分析液壓系統(tǒng)。

2設(shè)計過程

熱壓頭是熱壓機中控制溫度的重要零部件之一，熱壓頭的表面精度、強度以及里面加熱通道的安放會影響溫度場的分布和熱介質(zhì)的流動，進(jìn)而影響所加工聚合物的品質(zhì)。熱壓頭通過剛性連接固定在熱壓機的移動板上，通過立柱的導(dǎo)向作用上下移動來對聚合物進(jìn)行熱壓過程。熱壓頭的結(jié)構(gòu)一般包括下加熱板、加熱片、連接板組、固定板組以及水箱。下面對這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

熱壓頭模型及結(jié)構(gòu)圖

加熱板：熱壓機下板，對目標(biāo)聚合物進(jìn)行熱壓成型的接觸板，一般采用合金結(jié)構(gòu)鋼制成。加熱板表面設(shè)計成加熱孔道。2設(shè)計過程熱壓頭加熱板模型加熱片：加熱片是一種電子元件，通常利用電阻絲來加熱，其作為熱壓頭唯一的加熱件被水箱固定在加熱板的上方。2設(shè)計過程加熱片模型及結(jié)構(gòu)圖

連接板：熱壓頭的中間及兩側(cè)板用于連接與固定整個熱壓機壓頭結(jié)構(gòu)，整個連接板截面呈現(xiàn)“工”字型形狀。這種“工”字型連接板需要至少三塊平面板，中間一塊板起支撐作用，另兩塊中間開孔使用緊固螺栓將其與中間板固定住。2設(shè)計過程連接板模型圖

水箱：在熱壓機壓頭兩側(cè)處分別放置水箱，將其置于發(fā)熱片上方將其固定，主要作用是將加熱的熱量進(jìn)行保溫，結(jié)構(gòu)類似于階梯狀，中空結(jié)構(gòu)，用于加注水、油等液體進(jìn)行熱量的保存。內(nèi)部要求熱損耗小保溫效果好，上下部分用螺釘連接緊固，方便安裝與拆卸用于檢修與維護(hù)并更換水箱中的液體。2設(shè)計過程水箱模型圖PARTTHREE3.有限元傳熱分析3.1有限元簡介

ANSYS軟件通用有限元分析軟件，是融機構(gòu)、液流體、電磁場分析于一體的有限元分析軟件。ANSYS具有以下特點：使用方便，滿足各種工程要求；不僅可以進(jìn)行線性分析，而且可以進(jìn)行非線性分析。本文用ANSYSWorkbench分析軟件來研究微型管道的熱壓機壓頭的熱傳遞過程，對熱壓頭進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，得出熱壓頭加熱過程中的溫度變化，驗證溫度對熱壓頭的影響，對熱壓頭進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)與幫助。由于熱壓機壓頭一系列傳熱過程與時間有關(guān)，我們選擇瞬態(tài)熱分析進(jìn)行熱壓頭的分析。Workbench主界面

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加載和求解施加初始邊界條件與系統(tǒng)溫度最后求解3.1ANSYSWorkbench熱分析過程前處理在三維畫圖軟件中創(chuàng)建模型并建立網(wǎng)格后處理加載出結(jié)果云圖Workbench主要有三個過程：

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3.2Workbench材料參數(shù)的確定要進(jìn)行workbench分析首先確立參數(shù)3.3建模與劃分網(wǎng)格

為了分析系統(tǒng)的熱特性，首先需要建立系統(tǒng)的三維實體模型。

在熱分析之前先對熱壓機壓頭的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格化的有限元模型。3.4建立初始條件初始條件3.5建立分析過程分析過程3.6熱流過程熱流過程：對熱壓頭上表面進(jìn)行加熱3.7熱流過程保溫過程：熱壓頭整體溫度保持不變3.8對流過程對流過程：目的是為了溫度逐漸下降3.9后處理結(jié)果熱分析結(jié)果云圖時間分布結(jié)果3.9后處理結(jié)果隨著時間的變化，熱壓頭各個位置溫度的大小3.9后處理結(jié)果保溫過程冷卻過程3.9后處理結(jié)果視頻3.9后處理結(jié)果熱壓頭最大溫度熱壓頭最小溫度3.9后處理結(jié)果

從變化曲線圖中可以看到最大溫度從室溫22℃開始逐漸升溫直達(dá)140℃后溫度保持不變一段時間最后下降為室溫，這與我們的預(yù)計結(jié)果類似，但這時再看最小溫度當(dāng)其溫度上升到80℃左右時有一個溫度突變區(qū)溫度在很短的時間內(nèi)到達(dá)120℃，這是因為一開始導(dǎo)入Workbench中的熱壓頭三維模型是一個整體結(jié)構(gòu)也就是說它并沒有下加熱板、中間板等機械部分組成。當(dāng)我們將熱流加到加熱板上表面時，這個表面溫度就是最大溫度，而因為熱傳遞的原因壓頭的頂端溫度最低，這兩者之間始終存在溫度差，而給出的條件是讓壓頭在某一時刻溫度相等，因此便出現(xiàn)了溫度突變的現(xiàn)象?？梢钥闯鲈谕蛔兒笞畲鬁囟扰c最小溫度的變化曲線基本相似。為此必須在做一組分析。

3.10新建模型3.11參數(shù)設(shè)定3.12后處理結(jié)果

云圖中對于熱壓頭的熱傳遞研究可以直觀的看出每一時刻的溫度變化及數(shù)值大小，且熱壓頭溫度上升，在緩慢下降且溫度沒有突變的過程，符合加熱的規(guī)律。3.12后處理結(jié)果視頻4總結(jié)展望

雖然本文提出了一種聚合物微通道熱壓機，并設(shè)計了熱壓壓頭主體結(jié)構(gòu)并且對其進(jìn)行了一些熱量分析，但論文還是存在錯誤與不合理的地方由于能力有限在熱壓機壓頭主體結(jié)構(gòu)傳熱性能分析過程中，只考慮了