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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:鄭宜仁
研究生(外文):Jeng, Yi-Ren
論文名稱:結合實驗與數值分析預測射出EVA發泡成型之膨脹形狀
論文名稱(外文):An Experimental Study Coupled With Numerical Analysis For Predicting EVA Foam Expansion Geometry On Injection Molding Process
指導教授:姚宏宗姚宏宗引用關係
指導教授(外文):Yau, Hong-Tzong
口試委員:嚴家銘劉德騏鍾卓良黃以文
口試委員(外文):Yen, Chia-MingLiu, De-ShinChung, Cho-LiangHwang, Y.-W.
口試日期:2012-07-10
學位類別:博士
校院名稱:國立中正大學
系所名稱:機械工程學系暨研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:76
中文關鍵詞:有限元素分析發泡倍率熱傳模擬膨脹模擬類神經
相關次數:
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對於直接射出發泡成型製程來說,準確並且快速的預測縮小模的形狀是一個困難且重要的工作。 而這個製程被廣泛的運用到製鞋工業(球鞋)以產生抗震的鞋子中底。 而根據原始設計的鞋子中底形狀並使用最佳化方法去修改縮小模形狀,則是快速並準確的獲得縮小模形狀的關鍵所在。 本研究對於發泡乙烯-醋酸乙烯共聚物材料(EVA)採用一系列具有不同厚度大小的方塊試片建立起溫度-時間曲線與發泡倍率的關係,並採用熱膨脹方法來模擬發泡放大的過程。 並且採用真實的運動鞋中底來驗證我們模擬正確性,並且發展及應用3D定位與牛頓最佳化方法來獲得縮小模的形狀。 同時最後我們也真實的去製造縮小模並生產球鞋中底成品,並與原來設計的大3D CAD比對,最後結果,其最大誤差皆落在4mm以內,可以符合鞋廠的需求。 故此方法可以大幅的減少鞋廠嘗試錯誤的次數。
Accurately and rapidly predicting the shrink mold shape of direct injection-expanded foam molding is an important and difficult task. This molding method is widely used by sports shoe sole manufacturers to create shock-resistant materials. Modifying the shrink mold shape using the numerical optimization method is crucial to rapidly obtaining the correct shrink mold size. This study uses a series of rectangle specimens to identify the relationship between the thermal heating of molding and the expansion ratio of ethylene vinyl acetate foam material and then uses this thermal expansion ratio to simulate expansion behavior. The experiments in this study also use the actual shoe sole type, which has the original 3D shape, and use the proposed simulation method to obtain the simulation expansion shape. This study also develops an optimization algorithm based on 3D registration and the Newton-Raphson method to obtain the shrink mold shape. We also manufactured the shrink mold and obtained the shoe sole product to compare any discrepancies between the product and the original 3D shape. The results of this method meet the requirements of the shoe sole factory (i.e., achieve a difference of less than 4 mm). Therefore, this algorithm can reduce the number of iterations.
目 次
摘要…………………………………………………………………I
ABSTRACT……………………………………………………………………II
目次 ………………………………………………………………III
List of Figures………………………………………………………………………………………V
List of Tables…………………………………………………………………………………… IX
第一章 IP (Injection Phylon) 發泡簡介 …………………1
1-1 前言 …………………………………………………………1
1-2 論文架構………………………………………………………4
第二章文獻回顧與發泡微觀/巨觀理論 …………………………7
2-1微觀理論 ……………………………………………………7
2-2巨觀理論與應用………………………………………………8
第三章 IP發泡製程介紹……………………………………………12
3-1 化工調料………………………………………………………12
3-2 模具製造………………………………………………………14
3-3 IP射出…………………………………………………………18
第四章 建立標準的倍率實驗 …………………………………21
4-1 標準倍率實驗設計—厚度法則 ……………………………21
4-2 標準倍率實驗設計—溫度-時間曲線法則……………………24
4-3建立巨觀倍率實驗的類神經網路 ……………………………29
第五章 發泡膨脹方法之研究及建立 ………………………………31
5-1元素壓力膨脹法…………………………………………………32
5-2熱膨脹法…………………………………………………………38
第六章 翹曲攤平問題…………………………………………………42
6-1 翹曲實驗觀察 …………………………………………………42
6-2 攤平理論 ………………………………………………………43
第七章 實驗及膨脹模擬結合並驗證型體……………………………47
7-1巨觀z軸厚度法--階梯模驗證 …………………………………47
7-2巨觀z軸厚度法--簡易鞋模驗證 ………………………………48
7-3溫度-時間曲線面積法之驗證--小試片模 ……………………51
7-4溫度-時間曲線面積法之驗證--簡易鞋模驗證 ………………53
7-5溫度-時間曲線面積法之驗證--複雜鞋模驗證 ………………54
第八章 縮小模形狀預測與軟體試模…………………………………55
8-1使用牛頓最佳化方法進行縮小模修改 …………………………56
8-2軟體試糢及型體驗證 …………………………………………60
第九章 結論 …………………………………………………………64
第十章 未來展望及鞋廠線上使用 …………………………………65
10-1建立小試片發泡模擬的誤差資料庫(厚度法) …………………66
10-2以類神經訓練並修正誤差而得到正確的倍率與normal
厚度之關係 …………………………………………………69
10-3 使用複雜鞋型及正確的發泡倍率關係進行驗證………………70
10-4 鞋廠線上之使用 …………………………………………………72
參考文獻 ……………………………………………………………74

圖目錄
圖一 直接射出成型發泡開模圖………………………………………3
圖二 直接射出發泡成型示意圖………………………………………3
圖三 割紙板比對,並根據誤差,去修縮小模的形狀與尺寸……………4
圖四 論文架構圖………………………………………………………6
圖五 EVA發泡成品在表皮處都有一層密度近乎EVA料的硬皮層…9
圖六 階梯模 : 具有一階一階不同厚度變化的階梯模……………10
圖七 不同厚度中心點之SEM觀察…………………………………10
圖八 根據不同z軸深度進行切片,切片位置越靠近中心點其密度
越小,即發泡倍率越大…………………………………………11
圖九 打料機/造料/IP顆粒……………………………………………13
圖十 以標準的長方錐度模具制定發泡倍率…………………………13
圖十一 模具製造流程…………………………………………………14
圖十二 使用均勻倍率作縮模,對鞋子曲面作morphing………………………16
圖十三 Trim surface之morphing ………………………………………………………16
圖十四 模具生產流程 ……………………………………………17
圖十五 割紙板比對,並修正縮小金屬模具…………………………18
圖十六 發泡射出機動作圖 ………………………………………19
圖十七 發泡跳模後,將成品置入烘箱于以固化定型………………20
圖十八 各種不同厚度的發泡成品及其模具結構圖…………………21
圖十九 不同巨觀厚度試片其x,y,z倍率之間的關係………………22
圖二十 計算每個element之巨觀厚度………………………………23
圖二十一 斜度模之每個element之巨觀厚度分佈…………………24
圖二十二 IP-003之熱傳導係數及比熱………………………………25
圖二十三 IP-003之熱傳模擬與實際量測之比對……………………26
圖二十四 試片中心點之密度與線發泡倍率…………………………27
圖二十五 發泡倍率與溫度-時間曲線之關係………………………28
圖二十六 以厚度當輸入端,倍率當輸出端以建立EBP類神經網路…30
圖 二十七 使用CAD方法處理不等倍率,將造成element之間彼此
的overlap與gap…………………………………………………………………………31
圖二十八 發泡結構 …………………………………………………33
圖二十九 IP-003之揚氏係數(E)…………………………………………………………………33
圖三十 定義發泡壓力與倍率之關係…………………………………38
圖三十一 使用Abaqsu讀進CAE模型檔(inp)…………………………………………40
圖三十二 在Abaqus的Step中設定damping factor以穩定計算……41
圖三十三 EVA part開模後,將先產生翹曲,逐漸冷卻後,將自動攤平 43
圖三十四 複雜鞋型進不等倍率膨脹產生翹曲的情形 ………………43
圖三十五 傳統攤平方式,依攤平curve的變化,
讓3D element跟著同動 ……………………………………44
圖三十六 傳統攤平方式,產生傾斜面情形………………………………44
圖三十七 Anchor point產生變形場情形 ……………………………45
圖三十八 鞋子3D element隨變形場進行morphing攤平的情形 ……45
圖三十九 複雜鞋型之morphing攤平的情形 …………………………46
圖四十 階梯模之模擬與實際倍率比對之結果 ………………………48
圖四十一 簡易鞋模驗證 : 實際開模圖 ……………………………49
圖四十二 簡易鞋模驗證 : 厚度分佈圖 ……………………………50
圖四十三 簡易鞋模驗證 : 模擬膨脹後之結果 ……………………50
圖四十四 簡易鞋模驗證 : 模擬與實際之剖面比對
(巨觀z軸厚度法) …………………………………………50
圖四十五 小試片模模擬與實際之倍率之比對 ……………………52
圖四十六. 簡易鞋模之模具及成品圖與熱傳及膨脹模擬 …………53
圖四十七 簡易鞋模驗證 : 模擬與實際之剖面比對
(溫度-時間曲線面積法) ……………………………………53
圖四十八 複雜鞋模之模具及成品圖與熱傳及膨脹模擬 ……………54
圖四十九 複雜鞋模驗證 : 模擬與實際之剖面比對
(溫度-時間曲線面積法) …………………………………54
圖五十 軟體試模及最佳化流程 ………………………………………55
圖五十一 3D Registration ………………………………………………………57
圖五十二 使用長方體採用牛頓最佳化方法進行縮小模修改過程…………59
圖五十三 第一次軟體試模,得到修正後之模擬小3D ……………………………………61
圖五十四 第一次軟體試模,模擬大3D與正確大3D之誤差分佈…………61
圖五十五 第一次軟體試模,修正小3D(藍)與正確小3D(紅)之比對………62
圖五十六 第四次軟體試模,得到修正後之模擬小3D ………………………………62
圖五十七 第四次軟體試模,模擬大3D與正確大3D之誤差分佈……………62
圖五十八 第四次軟體試模,修正小3D(藍)與
正確小3D(紅(虛線))之比對 ………………………………63
圖五十九 小試片中心點Edge/Mid/Center之切片及密度量測
(切片以7mm為例) ………………………………………66
圖六十 小試片中心點Edge/Mid/Center之發泡倍率,並與巨觀倍率
結果比較(切片以7mm為例)…………………………………………67
圖六十一 進行小試片模的x方向之膨脹模擬(以7mm試片為例)…………68
圖六十二 t1/t2/t3厚度給于一微幅上下限,則共有27種倍率的組合
(以7mm試片為例) ……………………………………68
圖六十三 使用類神經網路,訓練27種倍率組合與誤差關係…………………69
圖六十四 正確的t1/t2/t3之發泡倍率與normal thickness之關係……70
圖六十五 計算每個element之z軸厚度與normal厚度 ……………………71
圖六十六 element之z軸厚度(左)與normal厚度(右)之分佈圖…………71
圖六十七 模擬與實際量測之比對 ……………………………………72


表目錄
Table 1 IP-003之熱傳係數及比熱…………………………………25
Table 2: 牛頓最佳化方法之收斂過程………………………………60
Table 3: 軟體試模--正確大3D與模擬大3D之誤差比對 …………63

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