本發(fā)明涉及過(guò)程系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域，特別是涉及一種可用于反應(yīng)擠出過(guò)程設(shè)計(jì)的虛擬仿真平臺(tái)。

背景技術(shù)：

對(duì)聚合物加工裝置尤其是雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行建模研究是對(duì)反應(yīng)擠出工藝、工程技術(shù)開(kāi)發(fā)和設(shè)備優(yōu)化的基礎(chǔ)，可定量了解雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)溫度分布、壓力分布、分子量分布、粘度與反應(yīng)的耦合關(guān)系，認(rèn)識(shí)其控制規(guī)律，從而為雙螺桿擠出機(jī)的設(shè)計(jì)、選型、操作條件的優(yōu)化及生產(chǎn)工藝的改造等提供依據(jù)和手段。

由于反應(yīng)擠出過(guò)程涉及傳遞與反應(yīng)，影響因素多；且計(jì)算設(shè)置復(fù)雜，基于商用計(jì)算流體軟件中提供的參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法難以推廣、應(yīng)用。因而有必要對(duì)計(jì)算程序進(jìn)行集成。該仿真平臺(tái)利用Visual Studio設(shè)計(jì)用戶友好的交互界面，采用后臺(tái)調(diào)用方法以及ANSYS命令流腳本文件對(duì)商用計(jì)算平臺(tái)ANSYS Workbench中Polyflow軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)并完成封裝，整合計(jì)算各步驟，包括雙螺桿擠出機(jī)幾何構(gòu)建、網(wǎng)格劃分、求解計(jì)算和結(jié)果后處理等過(guò)程，充分發(fā)揮Polyflow在三維反應(yīng)擠出模擬中的強(qiáng)大功能。另一方面，該仿真平臺(tái)增強(qiáng)了操作的簡(jiǎn)便性，有良好的擴(kuò)展性。用戶通過(guò)平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互界面完成幾何參數(shù)輸入后，該平臺(tái)可自動(dòng)完成擠出機(jī)的參數(shù)化建模和網(wǎng)格劃分過(guò)程，并調(diào)用Polyflow軟件協(xié)助用戶輸入體系的物性數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)和操作參數(shù)，之后便可對(duì)擠出機(jī)螺槽中的流動(dòng)及反應(yīng)進(jìn)行有限元計(jì)算，待計(jì)算收斂后，可采用設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)工作代碼，高效處理溫度、粘度、分子量的軸向和徑向分布信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種用于反應(yīng)擠出過(guò)程的虛擬仿真平臺(tái)。

該平臺(tái)分為輸入層，計(jì)算層和輸出層。計(jì)算平臺(tái)的基本設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖1。輸入層：在充分了解反應(yīng)體系物性后對(duì)操作參數(shù)和設(shè)備參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)和選型；計(jì)算層：通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的控制方程計(jì)算擠出機(jī)中的“三傳一反”（即動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞及聚合反應(yīng)）；輸出層：考評(píng)初步設(shè)計(jì)后的物理量分布情況。在初步計(jì)算的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步修正過(guò)程參數(shù)或擠出機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，反復(fù)試驗(yàn)，直到獲得預(yù)期的反應(yīng)效果。

開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程包括：采用JavaScript腳本文件進(jìn)行編程，自底而上對(duì)雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行參數(shù)化幾何構(gòu)建；利用Visual Studio開(kāi)發(fā)Windows窗體應(yīng)用程序讀入JavaScript腳本，編譯復(fù)制、旋轉(zhuǎn)、平移等特征完成雙螺桿元件的共軛匹配并后臺(tái)調(diào)用建模軟件構(gòu)建物理模型，之后設(shè)置網(wǎng)格尺寸并調(diào)用網(wǎng)格處理軟件完成空間離散。外部讀取數(shù)據(jù)包括用戶輸入的操作條件和物性參數(shù)，條件滿足后即可進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬結(jié)果數(shù)據(jù)量大，后處理中可通過(guò)自動(dòng)化編譯、構(gòu)建大量特征面、提取特征面上的物理量分布等。

具體而言，包括以下方案：

步驟1：幾何模型參數(shù)化?；赩isual Basic的腳本文件進(jìn)行編程，采用由點(diǎn)成線、線成面，最后刻畫(huà)三維特征的方法構(gòu)建螺桿元件。因此，首先要確定雙螺桿擠出機(jī)的端面輪廓曲線。圖2為嚙合型同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的端面輪廓曲線，主要由8段圓弧構(gòu)成，若端面方程用極坐標(biāo)表示，極點(diǎn)為坐標(biāo)中心O，極軸與OX軸重合，ρ為半徑，θ為極角，則其數(shù)學(xué)模型為：

螺紋元件與捏合盤元件具有相同的二維幾何特征，所不同的只是在擠出方向上的特性。其中，螺紋元件為螺旋掃描特性，利用Sweep語(yǔ)句可直接生成；而捏合盤元件為重復(fù)的拉伸-旋轉(zhuǎn)特性，需要用for語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。螺紋混合元件即在螺桿上開(kāi)反向螺槽的元件，利用Sweep語(yǔ)句也可直接生成。平臺(tái)生成的螺桿元件幾何模型見(jiàn)圖3。另外，螺桿元件的組合則需要同時(shí)考慮軸向的發(fā)展長(zhǎng)度以及旋轉(zhuǎn)角度，這些操作可通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)平移的特征編譯完成。

步驟2：網(wǎng)格劃分自動(dòng)化。保證一定的網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)數(shù)值計(jì)算的精度和收斂至關(guān)重要。這里通過(guò)編譯全局網(wǎng)格尺寸控制網(wǎng)格生成，在Mesh Control Group中定義默認(rèn)的最大和最小網(wǎng)格尺寸分別為10mm與3mm。根據(jù)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的驗(yàn)證，證明該網(wǎng)格尺寸具有普適性，基本能滿足精度和計(jì)算時(shí)間的共同要求。在八核48G內(nèi)存的服務(wù)器上計(jì)算長(zhǎng)徑比為50的雙螺桿擠出機(jī)反應(yīng)擠出過(guò)程耗時(shí)約為20~24個(gè)小時(shí)。另外，編譯中也提供了開(kāi)放的接口，設(shè)計(jì)人員可針對(duì)不同螺桿構(gòu)型自行修改網(wǎng)格類型及尺寸。

步驟3：程序封裝及窗體設(shè)計(jì)。編譯常采用的JavaScript有一定局限性，不能獨(dú)立運(yùn)行應(yīng)用程序。為此，本工作采用Visual Studio 2010 創(chuàng)建用戶界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)ANSYS Workbench軟件中各模塊的后臺(tái)調(diào)用和腳本運(yùn)行。

創(chuàng)建的窗體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。左下方為端面曲線的基本尺寸，分別為螺桿頂徑R_s、根徑R_b，擠出機(jī)半徑R和中心距C_L。同時(shí)，不同雷諾數(shù)下進(jìn)口發(fā)展段長(zhǎng)度L可根據(jù)L=0.005×Re^._D計(jì)算得到，也作為變量置于窗體中。元件結(jié)構(gòu)的組合通過(guò)上方功能區(qū)實(shí)現(xiàn)。首先選擇元件類型，選型完畢后，不必要的尺寸參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榛疑?，防止用戶輸入時(shí)的錯(cuò)誤。螺紋元件輸入的軸向尺寸為導(dǎo)程及元件長(zhǎng)，螺紋混合元件還包括狹槽尺寸和個(gè)數(shù)，捏合塊輸入的軸向尺寸為捏合盤厚度，個(gè)數(shù)及錯(cuò)列角。

在用戶界面輸入相關(guān)信息后，該虛擬平臺(tái)將信息自動(dòng)寫(xiě)入腳本文件進(jìn)行尺寸更新，并按照環(huán)境變量設(shè)置的路徑啟動(dòng)ANSYS Workbench軟件，自動(dòng)完成擠出機(jī)物理模型的構(gòu)建。圖5顯示的為輸入幾何參數(shù)后，用戶界面自動(dòng)構(gòu)建的實(shí)體模型和劃分的網(wǎng)格。

步驟4：調(diào)用Polyflow主程序。由于建模和離散均調(diào)用ANSYS Workbench中的Polyflow系統(tǒng)，建模完畢后將自動(dòng)進(jìn)入Polyflow中的Polydata程序。該程序界面友好，擠出過(guò)程的物性、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、流變學(xué)模型和邊界條件等均可直接輸入，因此對(duì)該部分內(nèi)容無(wú)需進(jìn)行編譯，只需通過(guò)語(yǔ)句將計(jì)算設(shè)置為并行計(jì)算，可將計(jì)算使用的CPU個(gè)數(shù)設(shè)置為8個(gè)。采用有限元方法計(jì)算控制方程，包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程，其中物系的本構(gòu)方程采用用戶自定義函數(shù)引入。由于描述反應(yīng)擠出的數(shù)學(xué)模型具有強(qiáng)烈的非線性，為此，采用漸變算法降低計(jì)算中的非線性。主要的漸變參數(shù)為反應(yīng)焓和動(dòng)力學(xué)常數(shù)，采用f(S)=S格式進(jìn)行漸變處理。

步驟5：自動(dòng)化后處理的程序設(shè)計(jì)。在反應(yīng)擠出分析中，定義了眾多參數(shù)表征過(guò)程中的混合和反應(yīng)性能。為研究物理量沿?cái)D出方向的變化，需對(duì)各軸向橫截面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。顯然，橫截面取得越密，獲得的變化趨勢(shì)越精確。后處理過(guò)程中，該平臺(tái)主要采用循環(huán)語(yǔ)句對(duì)橫截面構(gòu)建進(jìn)行編譯。各橫截面的差異僅在于軸向位置不同，編譯中采用for語(yǔ)句即可直接獲得各截面構(gòu)建的宏。圖6顯示了采用編譯語(yǔ)句獲得的橫截面分布。需要指出的是，為捕捉擠出過(guò)程沿軸向的特性，在模擬計(jì)算中橫截面分布密度還需加倍。采用命令流構(gòu)建橫截面不僅節(jié)約人工時(shí)間，還可隨時(shí)改變橫截面的分布密度，為統(tǒng)計(jì)分析提供便利。

獲得橫截面上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的物理量分布后，還需求解物理量在面上的平均值。若后處理中導(dǎo)出了100個(gè)橫截面的平均值，則需對(duì)每一物理量都要進(jìn)行100次統(tǒng)計(jì)分析。每個(gè)面的節(jié)點(diǎn)數(shù)以千計(jì)，使得數(shù)據(jù)選取和處理極為繁瑣。為減少設(shè)計(jì)人員重復(fù)工作量，本工作通過(guò)VBA設(shè)計(jì)了工作代碼完成后處理統(tǒng)計(jì)分析。將所有截面上的信息合并導(dǎo)出為后綴是.csv的文件。每個(gè)截面起始行都有[Name]字符，可作為標(biāo)志字符串以確定每個(gè)平面的起始行和終止行，確定后則可計(jì)算平面的平均值、樣本方差等。

具體實(shí)施方式

該虛擬仿真平臺(tái)操作簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性強(qiáng)，可利用提供的離散方法和耦合方法對(duì)反應(yīng)擠出過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，可為反應(yīng)擠出雙螺桿反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供較為方便、快捷的處理方法。

通過(guò)該虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行元件選型和組合設(shè)計(jì)以調(diào)控?cái)D出機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，可獲得滿足產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量需求的擠出機(jī)結(jié)構(gòu)。具體步驟如下（見(jiàn)圖7）：

1. 根據(jù)擠出任務(wù)要求，先確定擠出機(jī)的基本尺寸，如長(zhǎng)度、公稱直徑和操作溫度等；

2. 對(duì)螺桿元件的排列順序進(jìn)行優(yōu)化選型。一般聚合過(guò)程進(jìn)料后首先要求減小分散相尺寸，快速熔融，之后進(jìn)入反應(yīng)段，因此遵循“進(jìn)料-分散-分布-返混-計(jì)量”的設(shè)計(jì)原則，排列順序?yàn)椤奥菁y件-捏合塊-螺紋混合件-反向螺紋件-螺紋件”；隨反應(yīng)的進(jìn)行，某些聚合產(chǎn)物在擠出后期可能發(fā)生聚合物分子鏈的纏結(jié)、凍膠等，可對(duì)螺桿元件排列順序做出調(diào)整，捏合塊位置建議移至后端；

3. 螺桿元件軸向尺寸的優(yōu)化選型。螺桿元件端面曲線在第1步中已確立，但其軸向幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)具有較大自由度，如螺紋元件的導(dǎo)程、長(zhǎng)度，捏合塊中盤體厚度、錯(cuò)列角，螺紋混合元件的導(dǎo)程，狹槽尺寸等。該虛擬仿真平臺(tái)將這些結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計(jì)參數(shù)，要求操作人員提供；

4. 將各類螺桿元件進(jìn)行組合得到雙螺桿擠出機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)，通過(guò)網(wǎng)格劃分將計(jì)算域離散為有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，便于下步進(jìn)行有限元計(jì)算；

5. 調(diào)用Polyflow計(jì)算軟件，輸入物性參數(shù)和邊界條件等，構(gòu)造完整的數(shù)值模型；選擇合適的數(shù)值方法及漸變算法，保證計(jì)算結(jié)果的收斂；

6. 計(jì)算得到的結(jié)果文件，通過(guò)后處理得到各物理量場(chǎng)，以此判斷該雙螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)能否滿足需要，若不滿足，則根據(jù)選型依據(jù)重復(fù)2~6步，不斷優(yōu)化選型，得到最優(yōu)結(jié)果生成分析報(bào)告。

本發(fā)明在該虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)上，進(jìn)行下列具體實(shí)施例，并結(jié)合附圖對(duì)本說(shuō)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，所指出的實(shí)施例僅僅是為了方便對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，本發(fā)明并不僅僅局限于下列各實(shí)施例。在本發(fā)明思想的指引下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種調(diào)整、補(bǔ)充及替換。然而，這不會(huì)超出本發(fā)明的精神和范圍。下面對(duì)該仿真平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)的展示功能和優(yōu)化設(shè)計(jì)算例進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

實(shí)例一、反應(yīng)擠出過(guò)程的動(dòng)態(tài)展示

將模擬過(guò)程設(shè)置為瞬態(tài)任務(wù)并根據(jù)轉(zhuǎn)速確定合適的時(shí)間間隔后模擬計(jì)算，可獲得每個(gè)時(shí)刻下的流線、物理量分布等云圖，進(jìn)一步獲得物理量隨時(shí)間的變化情況。這對(duì)了解擠出機(jī)從開(kāi)車到穩(wěn)定操作的變化過(guò)程大有裨益。

擠出過(guò)程中，示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡受螺桿元件旋轉(zhuǎn)影響，具體如圖8所示。模擬中物料流率為7000 mm³/s，轉(zhuǎn)速為90 rpm?？梢?jiàn)，隨著螺桿轉(zhuǎn)數(shù)不斷增加，示蹤粒子逐漸從入口輸送至出口。示例中粒子的初始分布為左右分布，結(jié)合具體情況也可調(diào)整為上下分布。通過(guò)粒子的空間位移統(tǒng)計(jì)計(jì)算可定量表征不同元件及其組合的混合效果，如分隔尺度、伸展對(duì)數(shù)、RTD、應(yīng)力等。

實(shí)例二、PPTA縮聚雙螺桿擠出機(jī)整體模擬

反應(yīng)擠出是生產(chǎn)聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺（PPTA）常用的連續(xù)化生產(chǎn)手段。由于PPTA反應(yīng)擠出過(guò)程涉及“三傳一反”，因此，PPTA產(chǎn)品質(zhì)量與流動(dòng)密切相關(guān)。將螺桿元件進(jìn)行組合以設(shè)計(jì)合理的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)PPTA反應(yīng)擠出過(guò)程至關(guān)重要。設(shè)計(jì)平臺(tái)中對(duì)網(wǎng)格做了適當(dāng)簡(jiǎn)化，目的是在保證計(jì)算精度的前提下提高可處理的擠出長(zhǎng)度并縮短計(jì)算時(shí)間。目前研究表明，采用默認(rèn)的網(wǎng)格密度將流體域網(wǎng)格控制在120萬(wàn)以內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)直徑30 mm，長(zhǎng)徑比200的擠出機(jī)整體反應(yīng)擠出過(guò)程，可滿足PPTA三階縮聚反應(yīng)擠出機(jī)整體計(jì)算的要求，見(jiàn)圖9。

模型在八核48G內(nèi)存的服務(wù)器上計(jì)算耗時(shí)約60個(gè)小時(shí)（模擬中只考慮了一個(gè)反應(yīng)）。根據(jù)資料，我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的用于配混料作業(yè)的雙螺桿長(zhǎng)徑比范圍24~48，用于一般反應(yīng)擠出的雙螺桿長(zhǎng)徑比可達(dá)48，國(guó)外著名雙螺桿擠出機(jī)廠家的雙螺桿最大長(zhǎng)徑比為70，說(shuō)明設(shè)計(jì)的計(jì)算平臺(tái)可勝任絕大部分混料、反應(yīng)擠出的模擬。與一維商業(yè)化計(jì)算軟件（如Akro-co-twin screw, Ludovic）相比，該計(jì)算平臺(tái)不僅同樣能提供反應(yīng)擠出過(guò)程中物理量沿?cái)D出方向的變化情況，還可具體分析擠出機(jī)徑向混合、軸向混合與分散混合性能。在計(jì)算資源和時(shí)間允許的條件下，更有利于對(duì)反應(yīng)擠出過(guò)程進(jìn)行全面分析。

附圖說(shuō)明：

圖1. 計(jì)算優(yōu)化平臺(tái)的設(shè)計(jì)框架

圖2. 嚙合型同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的端面輪廓曲線

圖3. 不同螺桿元件幾何模型

圖4. 用戶界面的窗體結(jié)構(gòu)

圖5. 用戶界面構(gòu)建的最終實(shí)體模型及網(wǎng)格劃分

圖6. 后處理過(guò)程中的橫截面構(gòu)建

圖7. 計(jì)算平臺(tái)的模擬流程

圖8. 不同轉(zhuǎn)速下示蹤粒子的可視化空間分布

圖9. 長(zhǎng)徑比為200的雙螺桿擠出機(jī)中物理量分布情況.(a) 壓力分布；(b) 分子量分布。