热封包装机热压辊热-结构耦合分析及优化

田文昊，马智彬，刘文芝

（内蒙古工业大学 机械学院，呼和浩特 010051）

热封包装机热压辊热-结构耦合分析及优化

田文昊，马智彬，刘文芝

（内蒙古工业大学 机械学院，呼和浩特 010051）

利用Pro/E5.0软件的强大三维造型功能对热压辊进行零件建模与装配，得到其三维实体。再将得到的三维模型导入到ANSYS Workbench中，在ANSYS Workbench中对热压辊进行热-结构耦合分析，求出其在工作温度下的变形。并且在保证热压辊表面温度的情况下，对加热棒数量进行优化，确定最优设计方案。

Pro/E；热压辊；ANSYS Workbench；耦合分析；优化设计

0 引言

冰勺热封包装机的核心是热封部分，而热压辊又是热封部分的核心组件。热压辊的功能是对复合PE膜（淋膜纸）进行加热加压来实现对冰勺的紧密封合。当复合PE膜厚度0.085mm～0.100mm时，其最适宜的热封温度区间为185℃～205℃。在考虑到高温情况下，热压辊会不可避免的会产生形变，对包装机的正常工作产生不可忽略的影响——压辊膨胀卡死，因而在机器设计之初对热压辊进行热-结构耦合分析是很有必要的。本文利用Pro/E5.0软件对热压辊进行结构设计，建立样机模型，并将其导入ANSYS Workbench中进行热-结构耦合分析，使-得热压辊设计开发始终处于可控制与可预见状态，进而降低成本，缩短设计周期。

1 热压辊有限元模型

1.1 热压辊的三维模型

Pro/E是美国PTC公司一款极其优秀的工业设计软件，是现今的主流CAD/CAM/CAE软件之一，占据了国内产品设计领域的重要位置[1]。本文利用Pro/E技术对热压辊进行整体结构设计，并建立三维样机模型。根据功能要求，热压辊主要由传热部分、定位槽筒组成。传热部分上有加热孔，孔内插电加热棒，以此来对热压辊进行加热。建模时，需要对模型进行适当的简化，例如：模型中的圆角和倒角以及对分析结果不造成很大影响的小孔应该尽量省略。简化后得到的三维模型如图1所示。

图1 热压辊模型

1.2 热压辊有限元计算模型

在对热压辊进行热-结构耦合分析之前，要对其三维模型进行网格划分。将Pro/E中建立的模型保存为后缀名为“.xt”格式的Parasolid文件，然后导入ANSYS Workbench中。Workbench软件提供多种划分网格的方法，本文采用自适应网格划分方法，并对其进行Sizing设置。网格划分完毕后得到306870个节点，203089个单元。热压辊有限元模型如图2所示。

图2 网格划分模型

2 热压辊的热-结构耦合分析

在ANSYS Workbench中进行的热-结构耦合分析，是在热分析的基础上，将热分析所得的结果作为后续结构分析所需要的载荷，导入到结构分析中，从而得到在温度载荷作用下热压辊变形情况的分析方法。

2.1 设置材料属性

根据实际情况定义热压辊各部分的材料属性。考虑传热部分与热封槽筒要具备良好的传热性能、机械性能与经济性，在此选择铝合金（87Al-13Si），材料参数如表1所示。

2.2 热压辊的稳态热分析

计算热力学在工程问题中至关重要。热分析的目的就是计算模型内的温度分布以及热流密度、热梯度等物理量[2]。基于傅里叶传热定律与能量守恒定律，可以建立热分析问题的微分方程，即物体的瞬态温度场T（x，y，z，t）应该满足如下方程[3]。

其中，cT为材料比热；ρ为材料密度；kx、ky、kz分别为沿x、y、z方向的热传导系数；Q为物体内部热源强度。如果边界上的换热条件与物体内部热源都不随时间发生变化，那么经过一定时间的热交换后，物体内部的温度也不随时间变化，即：

则方程(1)变为：

进而，可以得到稳态热分析的有限元一般方程的矩阵形式：

其中[K]为热传导矩阵，包含对流系数、热传导系数与辐射和形状系数；[T]为节点温度向量；[Q]为节点热流率向量，包含热生成。ANSYS Workbench利用模型的几何参数、材料热性能参数以及所设定的边界条件，生成[K]{T}和{Q}。

求解过程如下：

1）根据设计要求，加载工作温度，每个加热孔加载温度200℃，共8处。

2）边界条件的设定：

边界条件包括热对流与热辐射。本文所分析的内容，辐射量较小，故而忽略，只考虑热对流。要求出对流传热，则必须要知道对流换热系数。对流换热系数表示流体与固体表面之间的换热能力。根据Nusselt准则，对流换热系数h的计算公式[4]为：

其中：Nu为Nusselt系数；k为流体导热系数；L为特征长度。由上式可知，只要知道Nusselt系数，便可计算出对流换热系数h。

在设备正常工作时，旋转的热压辊会加速与空气的对流换热，此时Nusselt系数公式[5]为：

表1 材料参数

3）求解结果，设置好边界条件，所得结果如图3所示。

图3 热压辊的温度分布云图

从图上可以看出，热压辊上最低温度为199.27℃，完全满足工作要求。

3 热压辊的热-结构耦合计算

在求得热压辊的温度分布之后，对其进行其热-结构耦合分析。热-结构耦合分析是在静力学分析与热分析的基础上进行的。利用ANSYS Workbench进行热-结构耦合分析时常用的分析方法有两种[6]：直接耦合分析方法与顺序耦合分析方法。直接耦合分析方法是直接采用具有位移和温度自由度的耦合单元，并且得到热分析和结构应力分析结果的方法。顺序耦合分析方法是包含两个或多个相关物理场并按一定顺序排列进行分析。即通过第一个物理场分析得到的结果做为第二个物理场分析的载荷边界条件从而实现两种物理场的耦合。考虑到热压辊不存在高度的非线性作用，所以采用顺序耦合方法更为有效。其热-结构耦合载荷传递分析界面如图4所示。

图4 热-结构耦合载荷传递分析界面

进入Static Structural模块后，为了还原热压辊在真实工作情况下的变形情况，对热压辊与轴的接合面施加固定约束。然后对其热变形进行求解得到热压辊的综合变形云图如图5所示。

图5 热压辊的综合变形云图

从图5中可以看出，除了固定位置没有产生位移，其他所有地方均因受热产生了位移。热压辊最大热变形位置为定位槽筒外侧，其大小约为0.299mm。由于热封基材为双层复合PE膜，其总厚度为0.170mm～0.200mm。所以热压辊的热变形对于设备能够正常工作的影响不能忽略，因此在设计包装机热封部分时应着重考虑热压辊的合理装配位置与装配精度。热封槽也因热封槽筒受热变形而受到影响，变形区间约为0.199mm～0.299mm。由于热封槽变形属于外扩型变形，因此不会影响到冰勺正常的嵌入。

4 加热棒数量的优化

对热压辊进行热-结构耦合分析后可以知道，只要有温升，热压辊就会发生变形。在不影响热压辊正常工作时的温度条件下，本文通过将原来8个加热棒减少为4个加热棒来对其进行优化，然后对优化加热棒数量后的热压辊进行热-结构耦合分析，得出分析结果，并与优

【】【】化前的的结果进行比较和分析，确定设计的最优方案。

通过优化后的分析结果可以看出，优化为4个加热棒后的热压辊表面温度最低为188.64℃，大于复合PE膜的最低热封温度，满足工作要求。最大热变形由原来的0.299mm降低为0.153mm。通过减少加热棒的数量，不仅减少了热压辊48.8%的热变形量，还可以降低生产成本。图6、图7分别为优化加热棒数量之后的热压辊的温度云图与综合变形云图。

图6 优化后的热压辊温度云图

图7 优化后的热压辊综合变形云图

5 结论

通过对冰勺热封包装机的热压辊进行热-结构耦合分析，得到了热压辊的温度分布云图、综合变形云图，能够验证设计的合理性以及预测在未来装配机器时所遇到的问题。通过对结果的分析和研究，对热压辊的电加热棒数量进行优化设计，并对优化结果进行分析，来确定优化后的热压辊是否能够满足实际要求，为冰勺热封包装机的装配及进一步优化设计提供依据。

本文通过Pro/E5.0软件建立热压辊的三维模型，并将三维模型导入ANSYS Workbench中，在ANSYS Workbench中对其进行其稳态热分析、热-结构耦合分析，然后再对其电加热棒数量进行优化，这为产品的设计开发节省大量的时间。此技术的成熟可简化产品开发过程，缩短开发周期，减少开发费用和成本，提高产品质量。

[1] 张云静.Pro/ENGINEER野火5.0中文版从入门到精通[M].北京:电子工业出版社,2010.

[2] 黄志新,刘成住.ANSYS Workbench14.0 超级学习手册[M].北京:人民邮电出版社,2014:314-315.

[3] 赵腾伦,姚新军.ABAQUS6.6在机械工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2007:157-159.

[4] 邹君阳,肖民,何云.基于ANSYS Workbench的机床热结构与热平衡分析[J].机械制造,2012,(10):8-10.

[5] Jin Kyung Choi,Dai Gil Lee.Thermal Characteristics of the Spindle Bearing System with a Gear Located on the Bearing Span[J].International Journal of Machine Tools&Manufactu re,1998:1019-1032.

[6] 火统龙,葛文杰,赵炜.减速器箱体的热-结构耦合分析[J].机械传动,2014,(4):134-135.

Optimization and thermal-structure coupling analysis of heat-seal packing machine heat-press roller

TIAN Wen-hao, MA Zhi-bin, LIU Wen-zhi

TB486

：A

1009-0134(2017)03-0090-03

2016-11-15

田文昊（1989 -），男，内蒙古乌海人，硕士研究生，研究方向为机械设计与理论。