塑料异型材的挤出过程涉及到很多影响因素，主要包括熔融、塑化、稳流等几个步骤。与之相关的挤出模具主要包括模头和定型模两部分，其作用分别为形成异型材型坯并对其进行冷却。模头是此种异型材成型的主要零件，可利用其确定出产品的截面形状，并密实熔体，这样可以确保产品质量符合要求。因而需要仔细严谨的设计模头。
目前的计算机辅助设计技术（CAD）已经很成熟，并开始在很多工业设计领域得到广泛应用。为此本文主要利用CAD技术设计塑料异型材挤出模模头，并进行相关研究工作，在此基础上开发出一种塑料异因而此方面的研究主要是优化设计挤出模头流道。
本文主要以平开窗异型挤出成型是一种很常用的挤压成型方法，如果其加工的对象为塑料，则被称为挤塑。也就是将塑料在挤出机料筒的作用下，通过受热塑化处理之后继续进行推送，推送之后就可以得到所需要的截面制品，并利用这种方法进行相关加工。
利用挤出成型加工时，先将料自料斗进入料筒，并通过螺旋杆使螺杆表面向前输送到加料段，这样可以使加入的松散固体在输送过程中被压实；在压缩段。螺槽深度出现明显变化，并使得物料被进一步压实，然后继续在料筒外加热，并且同时通过料筒内壁摩擦剪切使得物料被加热熔融，接着对物料均匀，定温、处理之后得到熔体，然后成型就可以得到所需要的制品。
塑料异型材是挤出成型此过程可以看做为连续的动态过程，在挤压过程中会经历熔融、塑化、稳流等几个步骤[1]。塑料挤出模行业发开始得到迅速发展，不过和国外的相关技术相比，还有一定的差距。举例来说目前我国的管进口挤出模技术相比国外的明显较高，其差价很明显，最大可以达到十几倍，不过仍然有数百套挤出模进口[2]。
塑料型材挤出成型工艺与塑料的其它成型工艺不同，后者的工艺过程一般是在模具的挤压作用下实现的,塑料制品在加工过程中，物料和模具之间不会产生位移，此过程是连续的,在加工过程中主要经过稳流、分流、成型等几个步骤。在加工时，塑料型材始终处于运动状态，通过比较可以看出，塑料挤出成型相比有明显的优点，主要表现在：生产效率较高，且过程是连续的，在很多领域内都广泛应用，可方便的加工管材、棒材、板材等各种产品；成本也不高，收效快。
数，主要有机颈圆孔直径、压缩比等，这样为此类型模接着利用Trial and Error进行设计，这种方法有一定缺点，表现为设计后需要进行试模和修模，这样会影响到成本和制造周期[11然而目前的生产实践对产品的可靠性提出了更高的要求，需要通过三维设计来满足这种需求，] 然而UG在进行开发时主要是基于/Moldwizard而设计开发过CAE技术来模拟分析物料在模具中的加工过程，这样就可以确定出挤出模结构参数工艺条件，以及所得结果之间的影响关系，并根据此结果来优化模头，提高产品质量，降低生产过程中的损耗和成本[20]。
关于挤出模头的优化设计，国内外许多学者对此都进行了不同角度的研究[21-26]，不过在研究时主要是针对模具类型相关的问题，在大量简化假设之后进行的，主要利用到解析解来进行相关设计并优化，这影响了其适用性。流道结构参数化建模，主要目的是满足模头出口处相关流动条件，并利用一些优化设计工具和多目标驱动优化论可以对生产实践，起到一定的指导作用，且还可以较好的指导挤出模具的设计加工工作，进一步提高模具设计的效率，缩短开发时间，为我国挤出模具制造业的发展起到一定的推动作用。
1.2国内外的研究现状及不足
随着计算机技术的迅速发展，其开始在很多领域得到广泛应用，与计算机技术紧密相关的CAD技术也开始应用在塑料挤出成型领域。进入20世纪70年代，德国等国开始投入大量资金研发塑料异型材挤出模相关的技术。在塑料异型材加工过程中利用CAD技术具有明显的优势，例如可以显著的缩短塑料成型设计周期，提高制品质量。进入90年代之后CAD技术在国内开始迅速传播，并在塑料的生产中得到广泛应用。目前，我国许多企业科研单位开始利用CAD/CAE进行些塑料挤出模方面的研究，并取得了许多进展。
刘耀中等[27]对CAD技术在国内外塑料异型材挤出模领域的应用情况进行了深入介绍，并详细介绍了挤出模整体CAD系统构建相关研究状况，对此种技术的发展趋势做出了具体预测，这些对CAD技术的相关应用有一定参考意义。
陈玲等[28]在主要是对传统塑料异型材挤出结构进行了仔细分析，并指出了其一些缺陷，在此基础上给出了一种新的模具设计方案。此外她还利用CAD系统进行了相关优化设计工作，这种方法相对传统的挤出制品生产过程有明显的优势，对改进塑料异型挤出技术起到一定的指导作用。
陈林生[29]深入分了此种技术在塑料异型材挤出模具方面的实际应用情况，并提出了一种依据PDM平台来设计此种异型材挤出模具的思路。同时运用Delphi软件具体分析了此种模具CAD系统方面的问题。
申长雨等[30]在此种技术方面做了很多对比研究，并得到了很多有参考价值的结论，其在对比分析挤出机头模头内流动情况后，然后利用数学模型方法具体研究了其流动过程。
孙丙宇[31]分析了此种挤出模头和型材质量之间的影响关系，然后利用计算机对塑料异型材挤出模头的结构进行了模拟分析。并根据流变学理论，具体分析了挤压过程中熔体的流动情况。，英国威尔斯大学的J.sienZ等[32]建立了一种基于塑料流量的优化函数，然后利用这种模型分析了平直段高度和材料流动速度的影响关系。通过实验和数值模拟分析了拉伸因素对工件质量的影响；并且给出了优化模具几何形状时应考虑的具体因素。不过在计算机硬件技术迅速发展的形势下，这种局限在不断消除。
英国威尔斯大学的H.J.Ettinger等研究者还[33]提出了一种改进PVC型材挤出模设计过程的一种措施。此种措施主要是根据型材的特殊设计，而认为可以通过复杂模具结构参数化来达到相关目的。在优化时可以将复杂的模具三维形状通过二维的“Die一Slices”代替,这样可以确定出最好的横截面形状，在优化时可以利用流动有限元分析工具。
德国设计人员W.Mieheaeli[34]深入研究了目前已有的挤出模具结构设计方法，并提出了一种改进方法，此种方法主要是利用有限元分析工具，这样可以提高迭代计算的速度。优化结果对修改流道几何形状有一定帮助作用，这样可以使出口的速度相一致，接着他依据相关实际模型分析验证此方法的正确性。
国内一些学者主要是利用相关模型方法分析了挤出成型数值模拟的优缺点，并得到了一些有参考价值的结论。申长雨等[35]深入分析了塑料异型材挤出成型技术的现有模型，并适当简化了挤出模头内的流动情况，然后确定的出挤出模头内熔体流动模型。同时利用横截面法/等相关方法确定出混合的异型材挤出成型相关流动性问题，并据此分析了多个分支流道条件下的出口处熔体流速，这一结果对判断模头流道设计是否合理有重要参考价值，且计算量较小，在实际应用领域有较高使用价值。
刘斌和王敏杰等[36]建立了挤出模参数优化模型，主要是在功能划分的基础上确定出的，这种方法可以较好的帮助建立面向CAE的控制模型。在此基础之上,其对原有的挤出模设计方法进行了优化，并建立了一种基于最优化理论的模型优化方法。此种方法主要考虑到挤出流动平衡，并结合横向流动原则，这样可以尽量减少模具结构导致的影响，其具有较高的实用性。
（1） 申开智等[37]研究者建立了衣架型挤出模头的优化模型，并在一定简化假设基础上得到流动数学模型，然后利用模型分析了参数对流动的影响，并利用相关结果研发了一种软件。异型材挤出模具研究相对较少，也很少有人进行模架方面的研究，目前国内关于挤出模的研究主要有如下方面：对模块进行参数化处理，建立标准件库，组装。不过如果选择这种设计方法则需要确定出相应的板块螺钉、销钉的位置、装配，这样对设计工作有一定不利影响模具类型相关的具体问题进行了研究，并深入分析了“T”形、“工”形等截面类型的型材，不过并没有进入实际应用阶段，其适用性还不能满足实际的需要，此外相关空异型材挤出模优化研究还缺乏，因而需要研平开窗类型的挤出模具主要包括模头和定型模两部分，前一部分主要作用是得到异型材型坯，后一部分则主要是冷却型坯，其还可以确保塑料异型材的稳定性[38]。在异型材加工时，模头会对异型材成型起到重要影响，其主要是确定出制品所需要的截面，还可以促使熔体充分混合均匀并密实，以此来满足相关性能要求[39]。挤出模头的稳流段可以选择多种设计方法，例如将其设计为多孔板和机颈前半段，或者将其设计为机颈和机颈过渡板。为了简化结构则可以省略多孔板，这样需要利用长圆柱形流道，；来进行稳流。
（2） 挤出模头的分流段可以分为三部分，主要有分流锥、收缩板。后者是一个整体板，不可以分开，其一般和预成型板组合在一起，如果为开式型材的挤出模头，则不需要分流锥。
挤出模头的成型阶段相关的模板主要有预成型板、成型板和镶块。对于结构不复杂的异型材模头，则可以将前两种板合为一块模板原先的异型材挤出模设计模式主要依靠理论与经验设计。理论设计时主要是依据相关理论和实验数据，并考虑到设计原则，
。经验设计则是在原有设计方法的基础上，参考一定的经验并借用类比方法所做的设计参数化设计是一种常用的设计方法，其主要是在设计对象的结构形状保持不变的情况下，利用参数来约定尺寸关系。这二者之间有一定制约关系，设计结果主要受尺寸影响[41]。参数化设计的具体步骤见图2-9。
图2-9 参数化设计过程
此种设计模式的特点如下[42]：
（1） 基于特征参数化。 也即是选择一些典型的几何形状来确定出形状特征，然后设定相关参数都可修改，并得到相应的实体，并据此来建立一些更复杂的几何形体。
（2） 全尺寸约束参数化。 主要是综合起形状和尺寸。然后利用尺寸关系来控制几何形状，在这种模型中，主要有三维和二维的参数化。
实现不同级别的参数化。 此种模式中，对零件级参数化并修改零件形状时主要利用到草图，如果修改三维参数则相应的模型也被修改，也可以利用装配约束关系来修改参零件间的位置关系。系统级参数化，也就是在各层次的节点上依据相应的几何关系来进行关联设计。的关联使得多个零件的尺寸建立起关联，这样就可以对同一个零件的相关特征关联进行更方便的分析。
工工艺、配合关系等之间存在较大的区别，在设计时应仔细考虑到这些数据、且需要参考相关资料这样就影响了设计效率。
为解决以上问题，本文主要是利用成型工艺孔法，确定出标准件库，然后以此为基础建立起对应的组件实体，之后就可以一次成型，这样就不需要重复操作。
（3） 得到三维参数化模型之后，可以通过设计参数来反映出模型的形状，然后确定出相应的驱动参数化模型的
约异型材挤出模模头结构设计改进的主要因素。在计算机技术迅速发展的形势下，可以通过挤出模模头的CAD系统来进行相关设计工作，有很多人进行了此方面的研究,并且已取得不少成果。不过主要是理论研究方面的，还没有进入到实际应用方面。主要问题是其不能较好的指导模具设计和制造工作，需要进行大量的试模和修模，且设计需要较长时间计了一套塑料异型材挤出模模头CAD系统，并利用此种系统进行了相关设计研究，以便为挤出模的设计、制造及调试提供支持。
可以选择如下方法来进行CAD软件的重开发[44]:
（1） 参数化CAD开发方法
很多公司生产的都是系列化品，在考虑到结构的相似性上，对零件进行分组，并依据同一组中相关零件的结构特点实现UG 参数化绘图的主要工具，用户可以利用其设置UG 中的可视化环境。这种工具中没有包含多少控件，这一点和Windows 开发工具有明显不同，且其还不受到功能, 界面等方面的影响。为此可利用MFC AppWizard( dll) 建立框架，并编写接口程序, 并以此来对MFC 对话框方便的调用，且这样还可以确保界面风格统一，因而MFC对话框具有较高的性能优势。
文件和数据库处理得到的结果和这种开发工具得到的没有多少区别，因而UG有一定优势
3.1.3UG二次开发关键技术
虽然其提供了相应的开发工具和方法，不过在应用时需要将其合适的进行连接，以此来满足用户需要的功能。，对用户的开发有明显的帮助作用。
（4） 应用菜单的建立
MenuScript是一种很常用的校本语言，其主要用于定义NX菜单。此外用户还有利于其来改变NX菜单的结构，并新建一些定制菜单，或者改变其响应行为。这些菜单对应的文件一般存放在startup文件夹中，可以根据需要对其进行编辑，在编辑时需要利用到编辑器。在men文件代码中，在定义菜单的标题，可以选择相应的关键字，也可以据此来改变响应行为。也可以根据需要来改变关键词来改变菜单功能，或者增加ACTIONS关键字来得到所需要的程序，调用需要满足一定的要求，也就是其存放位置对应的目录是一致的。实现MFC对话框的调用，这就需要通过相应的MFC接口程序来实现，其具体实现过程如下：
1.在【Project】命令对应的Link 选项中找到相应的libufun. Lib文件并添加。
2.在【Tools】命令中的Directaries选项中找到UG 头文件并将其添加进来。
3.得到所需要的全局对象类之后，添加相应的入口函数ufsta，或者UG 头文件，添加成功之后进行编程。
4. 编译、链接之后可以得到一个. dll文件，将其复制到Startup 文件夹，然后启动此文件，这样就可以调用MFC 对话框，并实现相应的对话操作。塑料异型材的挤出成型过程涉及到很多的操作，可以看做为连续的动态过程, 在挤出过程中一般要经历熔融、塑化、稳流等复杂的步骤[47]，其工艺内腔结构需要满足一定的平衡性要求，这样可以确保产品质量，这样同时也可以得到一些复杂的曲面造型[48]。为满足相关生产效率要求，可以选择一模多腔结构，不过这样也使得曲面设计的难度显著增加[40]。塑料异型材截面存在较大的变化，且塑料材质不同情况下相应的内腔应变系数也存在明显变化，且相应的X、Y方向应变系数也明显不同，而内筋结构设计的复杂性也明显增加，这样曲面的造型更为复杂，这些都增大了设计难度[49]。多封闭环快速识别算法在智能识别领域应用较广，其可以较好的识别出相应的两截面的封闭环，依据其重心坐标建立对应关系
所谓“优化”主要是达到更合理状态，而“优化设计”，主要是通过改变方案来达到更好的要求，使得相应的支出最小[51]。
优化设计可以通过两种方法来实现。主要有，解析法—主要是通过微分和求极值方法而得到相应的最小值；数值法—主要是利用计算机处理单元系统来多次迭代逼近，并得到所要求的最小值。由于前一种方法需要建立方程，求解微分方程。如果求解的问题很复杂，则求解微分方程难度很大，因而这种方法主要是用于理论研究，实际工程领域一般并不适用。
传统的结构优化设计主要是在确定出相应的对比设计方案后，从中选择出最合理的方案。这种方法对设计者有较高的要求，也就是有多年的设经验，且熟悉使用相关工具，不过由于受到资源时间的限制，可以选择的方案一般是有限的，且并非最优方案。
如果想获得最佳方案，则需要提供多种方案并进行比较，并在其中仔细选择，这样就需要大量的资源，如果单纯依靠人力则一般不能满足这方面的相关需要，而只能靠计算机来完成。不过目前可以进行结构优化的软件并不多，其中最常用的为ANSYS软件。其属于一种很方便的软件分析工具，此种软件具有较强的优化设计功能，可以优化结构尺寸，以及拓扑结构，其中提供了一些有用算法。
ANSYS 是一种很常用分析工具，其一般定位于一个CAE协同平台，此平台有较高的集成性，可以利用其进行CAD软件设计。此种软件开发了很多个版本，其中的新版本增加了一些常用模块并实现了所需要的功能。这样在进行产品开发时可以利用CAE技术来分析处理在，这样可以显著的缩短产品设计周期、降低成本。
从易用性方面看，AWE对应的模块可以方便的进行优化设计，这样在对CAD模型进行改进后，相应的变量就能直接传递到AWE环境下，如果设置好相应的约束条件，则可以较好的实现优化设计并得到所需要的结果。
利用Workbench相关工具可以对CAD和CAE进行联合优化，具体的优化步骤如下[52]：
（1） 参数化建模：通过此种软件的参数化建模功能对相关数据进行定义，并得到相应的模型参数，并利用这些参数来修改模型。
（2） CAE求解：确定出相应的CAD模型之后求解。
（3） 后处理：确定出相应的目标函数，然后对其优化处理，并进行评价。
（4） 优化参数评价：主要是比较相应的优化参数，也就是本次和上次的优化参数比较后确定出本次的循环目标函数是否满足要求，，也就是达到最优化目的。如果满足此条件则结束迭代，如不满足则继续下一步。
（5） 接着对已完成的和当前的优化循环变量的状态进行修正，并在修订后，重新投入循环。
为了能够更有针对性地模拟塑料异型材挤出过程中熔料的流动情况，对于本文中的挤出模模头结构仿真分析和优化，可采用Workbench平台下的POLYFLOW组件来完成，其主要是利用都有限元分析工具来对具有豁性和勃弹性的流体问题通过CFD软件来分析，其可以对非牛顿流体等相关流体进行较好处理，可以利用其解决聚合物、食品等方面的问题，这类问题主要和温度维度以及稳定状态等有关。利用利用其进行相关聚合物的挤出、吹塑等问题的分析处理、并解决相关化学反应问题。
4.1.2 Workbench优化分析工具
可以依据其功能将这类工具分为以下5种，分别为直接优化工具，多目标驱动优化分析工具，响应曲面优化，各种工具的之间存在较大区别，以下进行具体分析）[53]。
（1） 直接优化工具，其主要作用是设置优化目标，同时进行优化分析，以便得到所需要的组合方案。
（2） 多目标驱动优化分析工具，此种工具的主要作用是从给定的一组样本中确定出满足要求的设计点。
（3） 参数相关性优化工具，其作用主要是通过图表来对相关参数的关系进行显示。
（4） 响应曲面优化工具，其主要作用是，确定出相应的参数和曲面之间的影响关系。
（5） 六西格玛优化工具，这种工具主要是利用相关标准误差理论，确定出产品的可靠性概率，并利用结果来判断相关产品性能。
4.2流道结构参数化建模
可以利用CAD/CAE技术来设计挤出模，对此种模型中的熔体流动过影响熔体流动均匀性因素有很多，其中主要有压缩比、压缩角。在不同段各因素的影响大小有明显区别，在流道的机颈段、稳流段等几个部分中，对各部分流量进行调节的主要为压缩段。对称性，对设计变量进行简化，所需要的计算量可以明显减少，相应的结果更合理。为了达到相关的分析结果并缩短计算时间，还需要确定出合理的解空间，在此空间中设计变量可以根据需要改变。根据模具设计经验，以及相关加工要求。此种结构中相关变量的对应关系和取值范围应满足一定条件，其具体情况见表4-1。
状态变量是约束设计的数值，其会对设计结果产生明显影响，可以将其看做为“因变量”，和设计变量存在一定函数关系。在选择状态变量时，主要应考虑到相关问题的实际要求和具体的设计要求，且考虑到相应的约束条件[54]。对流道结构优化设计过程，主要需要考虑的变量有：
①流道中的最大剪切速率。此速率不可以超过额定值，如果超出则导致熔体破裂。
②对于入口为压力边界条件（也就是压降在一定范围内），应确保流量满足相应条件，在满足产品质量条件下，还需要确保生产效率满足要求；若入口参数对应速度边界条件，则应控制压降不超出相应范围。流道结构的设计优化需要依据相关流动性分析基础，优化需要实现的目的为，使塑料熔体加工过程中分布均匀，相关截面子区域在模头出口处对应的流速是相同的，这样可以确保制品物理机械性能满足一定的要求，且减少相应的残余应力。模头出口速度是否均匀和型材质量有重要影响关系，本文主要选择流速均方差口处截面的单元节点相关流速数据，并确定出相应的出口节点对所有节点平均速度的均方差来获
聚合物挤出流动的Bird-Carreau流变方程，然后利用此方程来模拟相关模头内塑料熔体三维流动过程，得到相应的数据结果，并据此获得模头各位置处的速度压力场。
（4）利用优化方法得到相应的最佳出口处截面的速度均方差，选择对流动平衡影响较大的
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