GFRP拉擠工藝過程優(yōu)化與節(jié)能研究

【摘要】： FRP(樹脂基復(fù)合材料)拉擠工藝過程研究的一項(xiàng)重要任務(wù)就是確定合適的拉擠工藝參數(shù),模具溫度是拉擠工藝過程中的最重要的參數(shù)之一。模具溫度設(shè)置的過低,會影響拉擠制品的質(zhì)量,模具溫度設(shè)置的過高會增加能耗。本文在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法的方法對玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)的拉擠工藝過程進(jìn)行優(yōu)化,從而得到最節(jié)能的模具溫度設(shè)置。 本文主要對拉擠工藝過程進(jìn)行研究,在傳熱學(xué)和化學(xué)動力學(xué)等理論的基礎(chǔ)上,建立了非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程和固化反應(yīng)動力學(xué)方程。通過差示掃描量熱法結(jié)合最小二乘法計(jì)算出了環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。通過有限單元法將熱傳導(dǎo)方程和固化反應(yīng)動力學(xué)方程在時間域和空間域內(nèi)離散為常微分方程,并解決了溫度和固化度之間的耦合關(guān)系。使用有限元軟件ANSYS對GFRP拉擠工藝過程進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了不同的工藝參數(shù)如模具溫度、拉擠速度等對GFRP拉擠工藝過程中溫度和固化度的影響。 本文還通過光纖布拉格光柵實(shí)驗(yàn)測定了GFRP拉擠工藝過程的非穩(wěn)態(tài)溫度場,通過萃取法測定了GFRP制品的固化度。并將ANSYS模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比,兩者的吻合效果較好,因此驗(yàn)證了使用ANSYS模擬的正確性與可靠性。 本文還利用MATLAB 6.5中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱對模擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和測試,建立了固化度與模具溫度之間的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。在此模型的基礎(chǔ)上,我們通過浮點(diǎn)編碼的遺傳算法對一個目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,最后得到了一個最優(yōu)的模具溫度。研究結(jié)果表明使用三段式模具比單段式模具更節(jié)能,當(dāng)拉擠速度為200mm/min時,每拉擠一個GFRP棒材,使用三段式模具比使用單段式模具所消耗的功率減少了384.91W。 通過本文的研究,在GFRP固化度達(dá)到要求的條件下,可以使模具所消耗的功率達(dá)到最低,從而降低能耗。這對于企業(yè)降低生產(chǎn)成本,響應(yīng)國家的節(jié)能號召具有非常重要的意義。 【關(guān)鍵詞】：玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 拉擠工藝過程 數(shù)值模擬 優(yōu)化 節(jié)能
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：TQ327.1
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 緒論9-16
• 1.1 課題背景9-10
• 1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀10-14
• 1.2.1 拉擠工藝過程優(yōu)化的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展10-12
• 1.2.2 節(jié)能在拉擠工藝過程中的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展12-14
• 1.3 本課題主要研究內(nèi)容及目的意義14-16
• 1.3.1 本課題的主要研究內(nèi)容14
• 1.3.2 本課題的研究目的和意義14-16
• 第2章 GFRP拉擠工藝過程數(shù)學(xué)模型的建立16-26
• 2.1 環(huán)氧樹脂的固化機(jī)理16-17
• 2.2 拉擠工藝過程中熱傳導(dǎo)模型和固化反應(yīng)動力學(xué)模型17-25
• 2.2.1 熱傳導(dǎo)模型的建立17-21
• 2.2.2 固化反應(yīng)動力學(xué)模型的建立21-23
• 2.2.3 邊界條件和初始條件的建立23-24
• 2.2.4 熱物理方程的建立24-25
• 2.3 本章小結(jié)25-26
• 第3章 固化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)測定26-35
• 3.1 DSC實(shí)驗(yàn)的原理和特點(diǎn)26-27
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分27-34
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)材料27
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器27
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟27
• 3.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析27-29
• 3.2.5 固化反應(yīng)級數(shù)和固化反應(yīng)指前因子的計(jì)算29-34
• 3.3 本章小結(jié)34-35
• 第4章 拉擠工藝過程的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)35-53
• 4.1 熱傳導(dǎo)方程的積分形式35-36
• 4.2 溫度場的有限元分析36-40
• 4.2.1 溫度場單元的變分計(jì)算36-38
• 4.2.2 時間的差分格式38-39
• 4.2.3 溫度與固化度的耦合39-40
• 4.3 ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬40-45
• 4.3.1 ANSYS 簡介40
• 4.3.2 GFRP 拉擠工藝過程數(shù)值模擬40-45
• 4.4 FBG光纖傳感器對GFRP拉擠工藝過程溫度場實(shí)驗(yàn)測定45-50
• 4.4.1 光纖布拉格光柵傳感器的原理及特點(diǎn)45-46
• 4.4.2 實(shí)驗(yàn)材料46
• 4.4.3 實(shí)驗(yàn)儀器46
• 4.4.4 實(shí)驗(yàn)裝置46-48
• 4.4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析48-50
• 4.5 GFRP制品固化度的測定實(shí)驗(yàn)50-51
• 4.6 ANSYS模擬模具出口處GFRP的固化度51-52
• 4.7 本章小結(jié)52-53
• 第5章 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法優(yōu)化與節(jié)能研究53-68
• 5.1 BP網(wǎng)絡(luò)概述53-57
• 5.1.1 BP神經(jīng)元模型和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)53-55
• 5.1.2 BP 學(xué)習(xí)算法55-56
• 5.1.3 BP算法的不足與改進(jìn)56-57
• 5.2 遺傳算法概述57-59
• 5.2.1 遺傳算法的基本原理57-58
• 5.2.2 遺傳算法的基本操作58
• 5.2.3 遺傳算法的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)步驟58-59
• 5.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模59-64
• 5.3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)59-60
• 5.3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的固化度模型60-64
• 5.4 遺傳算法的優(yōu)化64-67
• 5.4.1 優(yōu)化模型的建立和計(jì)算流程圖64-65
• 5.4.2 優(yōu)化結(jié)果與分析65-66
• 5.4.3 模具溫度與功率的關(guān)系66-67
• 5.5 本章小結(jié)67-68
• 結(jié)論68-69
• 參考文獻(xiàn)69-74
• 致謝74

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