基于加热细胞单元的电热变模温注塑模具加热系统设计大学论文.doc

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1、硕士学位论文(学术型)论文题目：基于加热细胞单元的电热变模温注塑模具加热系统设计作者姓名 指导教师 学科专业 机械工程 所在学院 机械工程学院 提交日期 2016年4月浙江工业大学硕士学位论文（学术型）基于加热细胞单元的电热变模温注塑模具加热系统设计作者姓名：XXX指导教师：XXX(教授)、XXX(副教授)浙江工业大学机械工程学院2016年4月Dissertation Submitted to Zhejiang University of Technologyfor the Degree of MasterDesign for Heating System of Electrical Rapi

2、d Heat Cycle Molding Mold based on Heating Cell UnitCandidate: XXXAdvisor: XXX, XXXCollege of Mechanical EngineeringZhejiang University of TechnologyApr 2016浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要

3、贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于(请在以下相应方框内打“”) 保密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。作者签名：日期： 年 月 日导师签名：日期： 年 月 日浙江工业大学硕士学位论文（学术型）基于加热细胞单元的电热变模温注塑模

4、具加热系统设计摘 要快速变模温注塑成型(Rapid Heat Cycle Molding，以下简称RHCM)技术，可以有效地改善注塑制品的熔接痕、浮纤、表面粗糙、光泽度差等质量缺陷，是一种新型的注塑成型技术。本文以电热变模温注塑成型(Electrical Rapid Heat Cycle Molding，以下简称ERHCM)模具为研究对象，在进行加热过程模具型腔表面的热响应规律分析的基础上对模具加热系统的设计做了研究和探讨，以达到快速均匀地加热模具型腔表面的目的。本文的主要研究工作与成果如下：1. ERHCM注塑模具热平衡分析及关键结构设计。基于传热学基本理论，对ERHCM注塑模具加热过程进行

5、热传递分析，建立热平衡分析方程，理论推导获得提高模具加热效率的方法。结合传统注塑模具设计基本准则和RHCM注塑成型工艺原理分析，提出ERHCM模具结构特别是加热系统关键部位的设计准则。2. ERHCM注塑模具热响应分析。对ERHCM注塑模具的传热过程进行有限元温度场模拟，在ERHCM注塑模具的热响应规律和特点分析的基础上提出了加热细胞单元这一理念，同时阐述了模具热响应效率的两个评价指标所代表的含义。基于加热细胞单元，评估了模具材料、模具结构和加热元件等因素对模具加热效率和温度均匀性的影响，分析讨论提高ERHCM注塑成型工艺加热效率和改善加热均匀性具体措施。3. 提出了一种ERHCM注塑模具加热

6、系统设计方法。基于随形加热冷却系统设计思想，将复杂的ERHCM注塑模具的加热系统简化成多个加热细胞单元，结合热响应分析计算、BP神经网络、多目标优化和多属性决策技术获得单个加热细胞单元的最佳设计参数，再将其映射到整个模具结构体来完成整个ERHCM注塑模具加热系统设计。在此过程中，以中心复合试验法(CCD)进行试验规划，运用所开发的ERHCM注塑模具辅助分析程序进行热响应分析，基于分析结果建立了加热时间以及加热完成后温差的BP神经网络模型，以加热效率和加热后型腔表面温度均匀性为优化目标，结合NSGA-II多目标优化方法和基于熵值权重法的TOPSIS多属性决策技术获得单个加热细胞单元的最佳设计参数

7、。4. 开发了具有人机交互中文界面的ERHCM注塑模具热响应辅助分析程序，有助于设计者对于ERHCM注塑模具加热系统设计参数的修改，提高了设计效率。论文的相关研究成果完善了RHCM注塑成型工艺的理论体系，为ERHCM注塑模具加热系统的设计提供了合理的指导原则，具有较强的工程和实用意义。关键词：快速变模温注塑成型，ERHCM，模具温度场，多目标优化，加热系统设计VII浙江工业大学硕士学位论文（学术型）Design for Heating System of Electrical Rapid Heat Cycle Molding Mold based on Heating Cell UnitABS

8、TRACTThe Rapid Heat Cycle Molding (RHCM) technique is a new injection molding technology developed recently, which can effectively eliminate surface quality defects of plastic part, such as welding line, floating fiber, rough surface, poor glossiness, and so on.In this paper, an Electrical Rapid Hea

9、t Cycle Molding (ERHCM) mold was applied for studying thermal response analysis. In order to heat mold cavity surface rapidly and uniformly, the thermal response of mold cavity surface and how to design the heating system were studied. The main research work and conclusions are as follows:1. The the

10、rmal balance analysis and key structure design. Based on the heat transfer theory，the heat transfer for ERHCM mold was analyzed and the thermal balance equations during heating stage was established. Then, some efficient ways to improve the mold heating efficiency was obtained. According to the trad

11、itional injection mold design theory and RHCM process principle, the design guidelines for heating system of ERHCM mold were proposed.2. Thermal response analysis of ERHCM mold. ERHCM mold heating process was simulated by using ANSYS software, and the characteristics of mold thermal response were in

12、vestigated. Then, the heating cell unit was proposed, and the meaning of the two evaluation index for thermal response efficiency of ERHCM mold was intuitively elaborated. Based on heating cell unit, the effect of mold materials, mold structure, and heating element on heating efficiency and temperat

13、ure uniformity of the mold cavity surface was investigated and some efficient ways to improve the mold heating efficiency and heating uniformity was discussed.3. An efficient design method for heating system of ERHCM mold was proposed. First, the heating system of ERHCM mold was simplified as multip

14、le heating cell units for thermal response analysis based on conformal design theory. Then, a strategy consisting of thermal response analysis, neural network, multi-objective optimization and multiple-attribute decision-making technique was applied to obtain the optimized heating cell unit. Finally

15、, the modified heating cell unit was then mapped into the entire mold to finish the heating system design of ERHCH mold. During this design process, the central composite design (CCD) method was employed in factorial experiments. In order to obtain experimental data, a thermal response aided analysi

16、s program of ERHCM mold was developed. Subsequently, a response surface using back propagation neural network (BPNN) was formed on the ground of initial finite element experiments. Then, combing Non-dominated sorting genetic algorithm II (NSGA-II) and the technique for order preferenceby similarity

17、to ideal solution (TOPSIS) based on entropy-based weight, in which the required heating time and mold cavity surface temperature difference are the objective functions, the optimized heating cell unit for ERHCM mold was obtained. 4. This developed thermal response aided analysis program can provide

18、a fast and efficient way for heating system design of ERHCM mold and hence shorten the mold development cycle time.The related research results perfect the theoretical system of RHCM process and provide important references for heating system design of ERHCM mold, which has strong engineering and pr

19、actical significance.Keywords: Rapid Heat Cycle Molding, ERHCM, mold temperature field, multi-objective optimization, heating system design目 录摘要IABSTRACTIII目录V第1章 绪论11.1 引言11.2 快速变模温注塑成型技术研究现状21.2.1 快速变模温注塑模具结构设计21.2.2 快速变模温注塑模具加热方式的研究51.2.3 模具加热系统优化设计71.3 研究现状分析及主要研究内容81.3.1 研究现状分析81.3.2 主要研究内容8第2章

20、 ERHCM注塑模具传热分析及关键结构设计112.1 引言112.2 ERHCM注塑模具加热过程的热传递分析112.2.1 ERHCM注塑模具热交换理论112.2.2 ERHCM注塑模具热平衡分析与计算122.3 电热棒传热分析及选择安装132.3.1 电热棒物理模型及材料属性142.3.2 电热棒有限元模型边界条件及初始条件152.3.3 电热棒传热分析与讨论152.4 ERHCM注塑模具关键结构技术研究162.4.1 隔热系统设计162.4.2 ERHCM注塑模具温控系统172.4.3 浇注系统设计182.4.4 测温元件的安装设计192.4.5 排气槽设计202.5 本章小结20第3章

21、ERHCM注塑模具温度场模拟及热响应效率影响因素分析233.1 引言233.2 ERHCM注塑模具温度场模拟及简化233.2.1 ERHCM注塑模具分析模型的建立233.2.2 有限元模型边界及初始条件的确认243.3.3 ERHCM注塑模具热响应分析253.2.4 ERHCM注塑模具加热细胞单元研究273.3 ERHCM注塑模具热响应效率的影响因素分析293.3.1 模具材料的影响293.3.2 模具型腔板厚的影响313.3.3 电热棒规格的影响333.3.4 电热棒管道空间布局的影响343.3.5 电热棒规格与空间布局交互作用的影响363.4 本章小结41第4章 基于加热细胞单元的ERHC

22、M注塑模具热响应辅助分析程序开发434.1 引言434.2 辅助分析程序的开发流程434.3 参数化有限元热响应分析过程444.3.1 APDL语言概述444.3.2 参数化建模与求解454.4 程序编译474.4.1 回调函数484.4.2 MATLAB 调用ANSYS504.5 最终程序的编译和发布504.6 程序验证与分析504.7 本章小结52第5章 ERHCM注塑模具加热系统的设计535.1 引言535.2 设计理论简述535.2.1 模型分析与简化535.2.2 多目标优化545.2.3 BP神经网络555.2.3 带精英策略的非支配遗传算法（NSGA-II）575.2.4 基于熵

23、值权重法的多属性决策技术TOPSIS585.3 ERHCM注塑模具加热系统设计实例分析605.3.1 多目标优化模型及CCD实验设计615.3.2 构建BP神经网络模型以及精度验证625.3.3 NSGA-II多目标优化645.3.4 基于熵值权重法的TOPSIS决策结果及试验验证655.3.5 加热细胞单元映射665.3 本章小结67第6章 结论与展望696.1 结论696.2 展望70附录71参考文献79致谢85攻读学位期间参加的科研项目和成果87第1章 绪 论1.1 引言注塑成型作为塑料加工中重要的成型方法之一，广泛应用于家用电器、通讯器械、日用品、医疗产品、汽车等领域。但随着注塑制品的

24、应用日益广泛，人们对注塑制品的性能、精度、成本等要求也日益提高，而传统注塑成型（Conventional Injecting Molding，以下简称CIM）工艺已经不能完全满足这些要求。CIM塑件往往受到各种缺陷的限制，如熔接痕、流痕、飞边、喷射纹、龟裂、浮纤、短射等表面缺陷，影响制品的表面质量和力学性能，一般需要经过打磨、喷涂等后处理工序来掩饰产品的部分成型缺陷。这些二次加工后处理工序不仅浪费原材料、能源和工时，还极大地延长了塑件的生产流程，导致生产成本的增加，甚至会对周围环境造成污染，危害生产人员的健康。通过对传统注塑成型工艺的改造，突破其局限性，减少塑件的成型缺陷以提高产品的质量，来满

25、足人们的生产和生活需求，这成为注塑成型与模具设计的重要研究领域之一。在注塑成型工艺过程当中，模温作为最重要的注塑工艺参数之一，不但直接影响产品的外观质量和成型周期，而且对其它工艺参数(保压压力、注射速率等)也有着重要的影响。因此，对注塑成型工艺来说，合理的模温控制具有重要的意义。传统注塑成型工艺采用恒定低模温控制，即将模具温度控制在聚合物玻璃化转变温度以下一个较低的温度范围内，但较低的模温将会导致聚合物熔体在充模流动过程中温度迅速下降，特别是靠近模具型腔表面的熔体由于温度过快地降低，会在模具型腔表面形成冷凝层，增加了聚合物熔体的流动阻力，极大地影响了聚合物熔体的填充过程，从而导致了熔接痕、流痕

26、、浮纤、表面粗糙、短射等成型质量问题的出现，严重影响塑件的表面质量1, 2。为解决传统注塑成型中所存在的问题，改善塑件质量，一种对模具快速加热和快速冷却的动态模温控制的注塑成型技术，即快速变模温注塑成型（Rapid Heat Cycle Molding，以下简称RHCM）技术在国内外兴起。快速变模温注塑成型技术（又称高光注塑成型技术、快速热循环注塑成型技术、变模温注塑成型技术）与传统注塑成型技术的工艺过程基本相同，两者区别在于快速变模温注塑成型技术在各工艺阶段调整模具的温度，实现对模具的快速加热和快速冷却，如图1-1所示3。图1-1中，RHCM注塑成型需要在熔体注射前将模具型腔表面温度快速加热

27、到聚合物玻璃化转变温度以上，并在注射、保压阶段保持高温恒定，然后在保压后期，快速地冷却模具到塑件顶出温度，最后开模取出塑件，从而完成一个注塑成型周期。快速变模温注塑成型技术可实现高模温充填，避免熔体的过早冷凝，保证其良好的流动性，从而显著提高熔体填充和复制型腔的能力，避免传统成型中因熔体急剧冷却所导致的制品质量缺陷4-6。总之，快速变模温注塑成型技术是一种低污染、短流程、高精度的绿色环保注塑成型技术，具有广阔的市场前景和发展潜力。图1-1 传统注塑成型与快速变模温注塑成型工艺关系图31.2 快速变模温注塑成型技术研究现状快速变模温注塑成型技术的核心是变模温技术。该技术最早可以追溯到上世纪50年

28、代末60年代初，Bolstad7和Thiess8在各自申请的专利中分别设计了一种可以实现模具型腔快速加热和快速冷却的注塑成型装置。但是一直到90年代，由于精密塑件、光学塑件、微特征成型件以及生物医疗器械等注塑制品的需求持续增长，快速变模温注塑成型技术才得到真正的重视。经过近三十年来的发展，RHCM注塑成型技术获得了长足的进步。首先，模具的快速加热方式越来越呈现多样化；再者，人工智能技术和科学决策方法越来越多地应用到模具结构和模具加热、冷却系统的优化中；最后，越来越多的先进的制造技术被运用到模具的开发和制造中来。目前对快速变模温注塑成型技术已有较多的研究，现重点讨论有关模具结构设计、加热方式、模

29、具加热系统优化设计等方面的研究进展和现状。1.2.1 快速变模温注塑模具结构设计RHCM注塑模具结构设计研究主要是围绕如何提高模具型腔表面热响应效率展开的。RHCM注塑成型模具设计时需要满足三方面的要求9, 10：(1) 需要有足够的机械强度满足注塑成型时所需要的注射压力和锁模力；(2) 模具设计制造过程中应该尽量选择低热质量的模具材料，减小注塑模具中需要快速加热和快速冷却的模具模具材料的热容量和热惯性；(3) 尽可能降低模具生产成本，提高注塑模具的使用寿命。基于此，国内外的研究人员开发了多种新型结构的RHCM注塑模具。Xu11和Au12基于自由体积成型技术设计了一种桁架列式模具，其结构特征是

30、模具型腔板由模具型腔面、支撑机构、基体三部分组成，如图1-2所示，通过减少模具的热质量来提高加热和冷却效率。图1-2 桁架列式模具示意图11Kimerling等13设计了一种矩形气囊式的模具，如图1-3所示。矩形气囊式设计减少了模具的热质量，使得模具表面温度可以在5s内由70加热至200。图1-3 矩形气囊式模具结构示意图13Jansen14, 15提出了一种由导电聚合物树脂为加热层，聚酰亚胺（PA）树脂为隔热层和不锈钢金属为基体的多层结构模具。该多层结构模具中的隔热层可以有效地起到隔热和绝缘作用，使得模具型腔表面温度在0.2s内由0加热到80，加热效果显著。Yao16, 17等开发了一套由金

31、属加热层、氧化绝热层和金属基体所构成的多层结构模具，通过金属加热层可以快速地加热模具，氧化绝热层可以有效地防止热量损失。该技术能使模具温度在2秒内从25快速地加热到250，并且能在10秒内冷却至50。另外，Yao18等又开发了一种以热解石墨为加热层的多层结构模具。基于热解石墨电热属性的各项异性特点，模具型腔表面温度从5加热到250接着冷却到50分别只需2s和8s。Yoon19等采用热喷涂法在模具型腔表面喷上较薄的聚醚醚酮树脂层，从而保证聚合物熔体填充时较高的模具型腔表面温度。研究结果表明，模具型腔表面经过热喷涂处理后，型腔表面温度可由处理前的57升高至122。山东大学的王桂龙等20-22设计了

32、浮动型腔式模具结构（如图1-4），型腔板和型芯板并没有同各自所对应的冷却板完全地固定在一起，而是通过推拉杆浮动的连接在一起。在加热阶段，型腔/型芯冷却板通过推拉杆与型腔/型芯板分离，因而所需加热的型腔/型芯板体积较小，升温速率高；在冷却阶段，型腔/型芯冷却板通过推拉杆与型腔/型芯板紧密地连接在一起，此时，冷却水通过冷却板中的冷却管道快速地冷却模具和高温熔体。图1-4 浮动型腔式模具结构华南理工的黄汉雄等23, 24设计了一种电加热和水射流冷却的快速热循环模具，如图1-5所示。图1-5中，加热的时候，冷却腔的存在减少了加热板与冷却板之间的接触面积，减少了模具的加热体积和热量损失，提高了加热效率；

33、冷却的时候，冷却水通过水射流冷却组件高速喷射阴模加热板的背面和阳模加热板的背面,有效地提高了冷却效率。图1-5 电加热和水射流冷却的快速热循环模具结构示意图以上研究中，我们可以发现，RHCM注塑模具方面的研究主要集中在在加热层和模具基体之间增加隔热层方面，如桁架结构、矩形气囊腔、氧化绝热层、冷却腔等，这能有效地减少模具的热质量，使得模具能够快速的加热和冷却。在模具设计的研究过程中，不同的模具结构往往有着其特有的加热方式。1.2.2 快速变模温注塑模具加热方式的研究动态模温控制是RHCM注塑成型工艺的关键技术之一，选择合适的模具加热/冷却方法非常关键。模具的冷却方法有冷却水冷却、空气冷却以及油冷

34、却，其中以冷却水冷却最为常用。而模具的快速加热方式有很多种，例如薄膜电阻加热法25-27、电加热法28、对流加热法29-31（蒸汽、高温水、油）、电磁感应加热法4, 32-35、火焰加热法36, 37、红外辐射加热法38-40等，各加热方式的优缺点如表1-1所示。目前，生产中普遍采用的动态模温控制方法为采用蒸汽或电热棒作为加热源、冷却水作为冷却源来快速地加热和冷却模具型腔，基于此发展起来的变模温注塑成型技术即为蒸汽式变模温注塑成型（Steam Rapid Heat Cycle Molding，以下简称SRHCM）技术和电热变模温注塑成型（Electrical Rapid Heat Cycle

35、Molding，以下简称ERHCM）技术5, 41。SRHCM注塑成型技术利用动态模温控制系统装置将蒸汽和冷却水循环交替地通入到模具内部管道中，达到快速加热和冷却模具的目的6, 29。在SRHCM注塑工艺开始阶段，动态模温控制系统通过控制相关设备向模具型腔内部管道中通入蒸汽，快速加热模具至塑料的玻璃化转变温度之上。温度达到所设定的温度后，停止蒸汽的供给，同时注塑机开始注射。在塑料熔体的充填过程中，模具温度通过高温蒸汽保持恒定。在注射保压后期，动态模温控制系统通过控制相关设备向模具型腔内部管道中通入冷却水，快速冷却模具和高温熔体。当模具温度降到塑件顶出温度时，通过压缩空气将模具管道中的冷却水排出

36、，同时顶出塑料制件，从而开始下一个注塑循环。表1-1 各加热方式的优缺点加热方式优缺点蒸汽加热需要锅炉装置，装置复杂，占地面积广，安全性难保证，模温易控制。高压高温水加热价格昂贵、装置体积较大，难以达到很高的模温，模温易控制。电加热实现简单方便、加热速度快，能源利用率低。电磁感应加热加热速度快，能耗低，热效率高，需要外部执行机构使电磁线圈进出模具，模具型腔表面温度均匀性较差。火焰加热需要外部执行机构，加热速度快，但加热功率不易控制，模具型腔表面温度均匀性较差。红外辐射加热需要通过外部执行装置使热辐射源进出模具，但热辐射源加热速度慢且价格昂贵。薄膜电阻加热温度控制方便，反应灵敏，电阻层绝缘存在安

37、全隐患，电阻加热层使用寿命有限。ERHCM注塑成型技术，在模具内嵌入电热棒，通过通电电热棒达到加热模具的效果17, 28，如图1-6所示。在注塑合模控制过程中，动态模温控制系统通过控制电热棒将模具型腔表面温度快速加热至工艺要求的温度。然后电热棒停止加热，注塑机完成熔体注射和保压工作。在保压后期，冷却管道中通入冷却水用以快速冷却模具和高温熔体。当模具温度降到塑件顶出温度时，通过压缩空气将模具管道中的冷却水排出，同时顶出塑料制件，为下一个注塑件的生产循环做好准备。图1-6 ERHCM注塑模具电加热技术作为一种常规加热技术，具有成本低、易维护和模具结构紧凑等优点，已经广泛应用于微小型注塑模具的整体加

38、热。但是RHCM工艺对模具整体进行加热，所需热容量较大，加热效率相对较低。模具加热系统设计是否合理，将直接影响着产品质量和制造成本。因而需要对ERHCM注塑模具加热系统进行优化，实现模具型腔表面的快速加热。1.2.3 模具加热系统优化设计根据RHCM注塑成型工艺特点9, 21，模具型腔表面温度需要在填充前快速均匀地加热到聚合物玻璃化转变温度之上。模具的加热效率和加热后型腔表面温度均匀性是RHCM工艺中的两个重要指标，对注塑成型周期和塑件的质量有着直接的影响，前者影响注塑成型的生产效率，后者影响注塑制品的质量。对于给定的加热方式来说，这两个指标主要依赖于加热系统设计。因此，基于加热效率和模具温度

39、均匀性考虑，为了获得最佳的模具加热性能，有必要对RHCM注塑成型的加热系统进行优化设计。目前，对于模具冷却系统的优化设计，国内外学者已开展了大量的研究工作，而对于RHCM注塑模具加热系统的设计与优化研究工作相对较少42-46。RHCM注塑模具加热系统的设计大多采用试错法调整设计参数，通过有限元分析获得达到设定温度所需的加热时间以及型腔表面的温度分布。然而，满足快速均匀加热型腔表面的最优设计参数是不容易获得的，这种基于模拟的试错设计法有着很大的局限性。基于此，国内外的学者对RHCM注塑模具加热系统设计与优化进行了一些研究。Li等47以液晶电视机前壳的快速变模温注塑模具为研究对象，以模具型腔表面的

40、温度均匀性为目标函数，结合DOE试验设计、有限元法、响应曲面法(response surface methodology, RSM)和GA遗传算法对模具的加热/冷却管道布局进行了优化设计。研究结果表明，优化后的模具型腔表面温度均匀性提高了54.5%，然而此方法忽略了加热效率这一目标，存在单目标优化的片面性。同时，Li等48, 49通过结合有限单元法和基于Pareto的多目标遗传算法，实现了对SRHCM注塑模具和ERHCM注塑模具加热管道布局的优化设计。研究结果表明，模具型腔表面温度分布得到明显改善，加热效率略有下降，但变化不大，避免了单目标优化结果的片面性。Wang等50以空调面板过热水式变模

41、温注塑模具为例，提出了一种综合CAE技术、RSM模型、多目标优化算法和多属性决策技术的变模温注塑模具加热管道优化设计方法，最终获得了最满意的加热管道设计方案，同时模拟验证了该设计的有效性。研究结果表明，模具的加热效率提高了14.98%，同样的，型腔表面温度分布均匀性也提高了35.49%。Xiao等51以电热式变模温注塑模具为原型，结合有限元分析、BP神经网络模型、RSM模型和基于Pareto的多目标遗传算法来解决加热系统的多目标优化，其中所诉模具表面与中心之间的距离、电热棒的数量和功率密度为设计变量，所需的加热时间和最高型腔表面温度为目标函数。结果表明，所建的BP模型由于其搜索空间为RSM模型

42、的2倍大，因而其准确度优于RSM模型的准确度，并且，优化的设计参数明显地提高了模具型腔表面温度的分布均匀性和加热效率。同时，Xiao等52采用PSO-FEM优化方法对扰流板变模温注塑模具的加热系统进行了优化，优化之后，模具的加热效率和型腔表面温度均匀性分别提高了14%和91%。该文献中的优化设计方法，加热的管道布局设计变量部分被设为定值、约束条件复杂，且优化迭代过程耗时时间较长。Wang等53-55根据RHCM注塑工艺要求和模具的结构特点，建立了RHCM注塑模具加热/冷却系统优化设计的RSM模型，利用所开发的粒子群优化算法对多目标优化函数进行了非线性优化，实现了RHCM注塑模具加热/冷却系统的

43、优化设计，提高了模具的加热效率，改善了均匀性。上述文献47, 50, 53-55中采用二阶多项式模型建立精确的数学模型（RSM模型）不能很好的反映设计参数与优化目标之间的关系，局限于其搜索空间。而BP神经网络模型具有很强的容错性和处理速度，可以不需要精确的计算模型，实现设计变量与优化目标的非线性映射，最终获得可靠且精度较高的输入输出预测模型51。文献48, 49, 51中获得的加热系统的最优Pareto设计方案解集最后需要人工进行主观判断，确定最后的方案，存在着主观决策随意性。以上关于RHCM注塑模具加热系统优化设计变量部分被设为定值，约束条件复杂，受模具结构的影响，不具有一般性。1.3 研究

44、现状分析及主要研究内容1.3.1 研究现状分析通过上述文献的讨论不难发现，RHCM注塑成型技术在近些年来已经获得了长足的进步，然而该技术依然存在着不少技术与理论上急需解决的问题。以广泛使用的ERHCM注塑模具为例，加热系统和冷却系统是相互独立的。对于冷却系统的设计在传统注塑成型的研究中得到了较为详细的诠释，相关方法和成果直接可以用于满足动态模温控制对模具冷却的要求，而对于加热系统的设计与布局的相关研究较少。ERHCM注塑模具加热系统设计大多凭经验确认或者采用试错法调整设计参数，实际效果还主要依靠设计工作者的经验，还没有形成一套完善的ERHCM注塑模具加热系统设计理论和方法体系。目前，针对于ER

45、HCM注塑模具的设计开发主要基于常规的注塑模具设计经验和规范，模具结构设计如何影响模具型腔表面的温度场尚不是十分清晰，无法对模具型腔表面温度进行有效的控制。因此，有必要形成一种完善的ERHCM注塑模具加热系统设计方法，不受模具结构的影响，具有一般性，可服务于工业生产用的变模温注塑模具的设计，同时为成型品质管理和工艺调控提供理论依据。1.3.2 主要研究内容本文针对ERHCM注塑模具加热系统的设计依赖经验为主、缺乏优化设计理论、无规可依循的现状，作了以下几方面的研究：第一章：绪论。简述了RHCM注塑成型工艺原理以及存在的优势。重点讨论了有关RHCM注塑模具结构设计、加热方式和加热系统优化设计方面

46、的研究进展和现状。阐述了本文的研究目的与意义。第二章：ERHCM注塑模具传热分析及关键结构设计。对ERHCM注塑模具加热过程进行热传递分析，研究加热效率的影响因素；对电热棒的热传递性能做了合理评估，提出了电热棒的使用准则；此外，还对ERHCM注塑模具的关键结构进行了设计。第三章：ERHCM注塑模具温度场模拟及热响应效率影响因素分析。对一ERHCM注塑模具的传热过程进行有限元温度场模拟，分析ERHCM注塑模具的热响应规律和特点，提出了加热细胞单元这一理念。基于加热细胞单元，评估了模具材料、模具结构和加热元件等因素对模具加热效率和温度均匀性的影响，分析讨论提高ERHCM注塑成型工艺加热效率和改善加热均匀性具体措施。第四章：基于加热细胞单元的ERHCM注塑模具热响应辅助分析程序开发。基于简化的加热细胞单元，结合MATLAB-GUI和ANSYS有限元分析软件，开发了针对ERHCM注塑模具热响应分析的具有人机交互中文界面的辅助分析程序。本章节开发的程序应用于第3章和第5章中试验设计方案响应值的获取。第五章：ERHCM注塑模具加热系统的设计，提出了一种ERHCM注塑模具加热系统优化设计方法。基于随形加热冷却系统设计方法，将复杂的ERHCM注塑模具简化成单个加热细胞单元，以加热效率和加热型腔表面温度均匀