高压静电纺丝机设计及静电场优化研究

论文摘要

目前,静电纺丝技术已成为得到纳米纤维最重要的方法之一。静电纺丝过程是使带电荷的高分子溶液或熔体在强静电场中流动与变形,然后经溶剂蒸发或熔体冷却而固化,得到纤维状物质。参考国内外大量文献后发现,对于开发可控的高压静电纺丝机方面,目前的研究还很少。当前,静电纺丝设备仅处于试验阶段,设备较为简陋,均为实验室自行组装;对于高压静电纺丝工作电场的有限元分析与优化的研究几乎还没有。因此,开发出一种可控高压静电纺丝机和对电纺工作电场有限元分析与优化的研究是十分必要的。本文的研究内容主要由三部分组成,即高压静电纺丝工作电场的有限元分析与优化、高压静电纺丝机的设计以及高压静电纺丝机的试验研究。在静电场分析与优化方面:首先,从静电纺丝的工作原理及过程入手,分析了纺丝过程中影响工作静电场分布的因素,将不重要的影响因素加以忽略。再根据高压静电纺丝机的结构特点,进而利用ANSYS有限元分析软件建立了工作静电场仿真模型,并将模型进行了简化处理。然后,通过对几种不同电场分布形式分析,选出了较优的方案。在优选方案中采用辅助电场的方法进行进一步优化。最后,还利用ANSYS对影响纺丝电场分布的几个参数进行了参数化分析与优化。在高压静电纺丝机的设计方面,以实现实验参数的实时调控为标准,设计出了实验参数可控的高压静电纺丝机。实现了注射装置的进给速度的调控,接收距离的调控,接收器滚筒旋转速度的调控,接收器平台往复运动速度的调控。在接收距离和接收器平台往复运动速度的调控中,采用了步进电机和蜗杆的机构实现运动和控制功能;在接收器滚筒旋转速度的调控中,设计了一种半径可调的接收器滚筒装置,并采用伺服电机实现其旋转运动和控制功能。静电纺丝机控制程序的开发环境是Visual C++6.0,可通过在控制界面窗口中输入不同的参数,来方便地对试验参数进行实时调控。为保护控制元件在高压静电场中的稳定工作,设计了电磁屏蔽装置。在高压静电纺丝机的试验研究方面,采用自行设计的静电纺丝机纺丝装置,以纺丝过程中电场的稳定性、纺丝的收集效果以及纺丝的形态为评定标准,选取分析优化的电场优化装置,分别进行不同电压、不同接收距离、不同纺丝速度下的单因素试验研究,并得到不同影响因素与纺丝收集形态的关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源与背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景
• 1.2 国内外静电纺丝技术的发展与研究状况
• 1.3 本文的研究目的和意义
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究意义
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 静电纺丝电场的FEM分析
• 2.1 有限元方法概述
• 2.2 ANSYS软件的概况
• 2.2.1 ANSYS图形处理界面
• 2.2.2 命令输入
• 2.2.3 处理器
• 2.2.4 求解技术
• 2.3 电场问题的有限元法及电场边界条件
• 2.3.1 泊松方程和拉普拉斯方程
• 2.3.2 静电场中的定解问题
• 2.3.3 电场有限元计算原理
• 2.4 静电纺丝工作电场分析
• 2.4.1 静电纺丝机结构简介
• 2.4.2 模型简化及假设条件
• 2.4.3 电场分析中单元选择
• 2.4.4 定义材料参数
• 2.4.5 模型几何参数的确定
• 2.4.6 网格的划分
• 2.4.7 加载和边界条件的确定
• 2.5 静电场模拟结果
• 2.6 静电纺丝机工作电场分布的基本规律
• 2.7 本章小结
• 3 基于纺丝电场结构参数化建模的纺丝机优化
• 3.1 电场优化现状
• 3.2 参数化建模
• 3.2.1 参数化建模功用
• 3.2.2 APDL参数化设计语言
• 3.2.3 主要可变参数对象
• 3.3 纺丝影响因素分析
• 3.4 两种电场结构的比较分析
• 3.4.1 针对板式
• 3.4.2 板对板式
• 3.4.3 两种结构的比较
• 3.5 镂空板式电场结构的分析
• 3.6 附加电场优化分析
• 3.6.1 影响因素的分析
• 3.6.2 附加电场的有限元分析
• 3.7 纺丝机的结构优化
• 3.7.1 建立优化参数模型
• 3.7.2 优化设计步骤
• 3.7.3 优化结果
• 3.8 本章小结
• 4 高压静电纺丝机的设计
• 4.1 静电纺丝机的技术指标
• 4.2 静电纺丝机的工作原理
• 4.3 静电纺丝机的总体方案设计
• 4.3.1 工作原理
• 4.3.2 注射装置
• 4.3.3 升降控制台的设计
• 4.3.4 静电纺丝机底座的设计
• 4.3.5 静电纺丝机接收装置的设计
• 4.4 控制系统方案设计
• 4.4.1 控制系统总体设计方案
• 4.4.2 屏蔽技术和接地技术在电磁兼容中的应用
• 4.4.3 本设计采取的措施
• 4.5 本章小结
• 5 静电纺丝机的试验研究
• 5.1 静电纺丝试验设计与方法
• 5.1.1 静电纺丝机装置系统
• 5.1.2 试验方法
• 5.2 不同电场结构下的试验研究
• 5.2.1 针对板式与纺丝直径的试验研究
• 5.2.2 板对板式与纺丝直径的试验研究
• 5.2.3 镂空板式与纺丝直径的试验研究
• 5.2.4 附加电场式与纺丝直径的试验研究
• 5.3 不同电场结构下的纺丝结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢