一种熔体纺丝螺杆挤压过程的虚拟仿真系统

技术领域

本发明属于工业过程虚拟仿真领域，尤其涉及一种熔体纺丝螺杆挤压过程的虚拟仿真系统。

背景技术

按照成纤高聚物的性质不同，化学纤维纺丝方法主要包括熔体纺丝和溶液纺丝两大类。熔体纺丝适用于在熔融状态下不发生显著分解的成纤高聚物，例如聚酰胺纤维、聚酯纤维等。相比于溶液纺丝来说，熔体纺丝过程更加简单、纺丝速度更高、纺丝成本更低、工艺流程更短，且无需溶剂和沉淀剂回收，因此化学纤维多数采用熔体纺丝法生产。受限于纺丝装备和控制技术，国内难以建立高品质、高质量的熔体纺丝生产线，造成纺丝速度慢、生产效率不达标，因此需要加快数字化智能化改造，打造实时数据、管理信息系统、应用程序一体化集成的工业互联网平台。

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，囊括了计算机技术、电子信息技术、仿真技术，具备沉浸性、交互性、多感知性、构想性、自主性等特点。随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对虚拟现实技术的需求日益旺盛。将虚拟现实技术应用于熔体纺丝螺杆挤压过程中能够加深操作人员对熔体纺丝螺杆挤压过程的直观认识，用户可以随意操作并且得到最贴近于真实环境的反馈。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种熔体纺丝螺杆挤压过程的虚拟仿真系统的技术方案，以解决上述技术问题。

本发明第一方面公开了一种熔体纺丝螺杆挤压过程的虚拟仿真系统，所述系统包括：动画模块、前端交互模块和后端数据模块；

所述动画模块：采用三维图形建模软件和三维可视化浏览器引擎，通过三维模型设置参数，建立熔体纺丝螺杆挤压过程的设备部件的三维动态虚拟对象，得到熔体纺丝螺杆挤压三维模型；熔体纺丝螺杆挤压三维模型打包为可复用组件，嵌套至所述前端交互模块；

所述后端数据模块：建立熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区、完全填充区以及耦合界面的数学模型，将输入参数输入所述数学模型，得到所述数学模型的过程指标，存入实时数据库并传递给所述前端交互模块的数据表格；

所述前端交互模块：输入所述输入参数；通过所述数据表格展示所述数学模型的过程指标；

输入所述三维模型设置参数；呈现所述熔体纺丝螺杆挤压三维模型的三维动画，进行图像展示。

根据本发明第一方面的系统，所述采用三维图形建模软件和三维可视化浏览器引擎，通过三维模型设置参数，建立熔体纺丝螺杆挤压过程的设备部件的三维动态虚拟对象，得到熔体纺丝螺杆挤压三维模型的方法包括：

步骤11：选取熔体纺丝螺杆挤压过程的设备的所有横截面进行模型草绘，采用等比放缩的几何构型方法建立熔体纺丝螺杆挤压过程的设备部件的外观属性；

步骤12：根据熔体纺丝螺杆挤压过程的设备的草绘的模型，结合真实熔体纺丝螺杆挤压过程的设备部件的位置布局，制作设备部件的三维静态模型；

步骤13：将所述三维静态模型整体导出至所述三维可视化浏览器引擎，在三维可视化浏览器引擎中调整所述三维静态模型的位置和尺寸；

步骤14：编写所述三维可视化浏览器引擎的控制程序脚本，添加摄像机、网格、光源和渲染器，将所述程序脚本导入的所述三维静态模型，通过调整所述摄像机的位置选择预定义的光源以及寻找预定义的角度；根据真实熔体纺丝螺杆挤压过程的设备，为所述三维静态模型附着基础材质和着色器材质；

步骤15：控制程序脚本中加入轨道控制器和位置控制函数，设置所述三维静态模型中设备的从属关系；通过三维模型设置参数，即通过桶温进行物料温度的分段展示，根据不同区域的物料温度分布，显示不同的纺丝流体颜色，完成三维静态模型向三维动态模型转变，得到熔体纺丝螺杆挤压三维模型。

根据本发明第一方面的系统，所述设备部件包括：螺杆、套筒、加料漏斗、纺丝箱、喷丝板、计量泵、熔体聚合物、纺丝流体、调温风箱、油轮、导丝盘以及摩擦辊；

所述通过桶温进行物料温度的分段展示的方法包括：

所述桶温的分段范围为2段至8段，对应纺丝流体颜色分别为天蓝色、草绿色、粉紫色、玫红色、咖啡色、橘黄色、朱红色和熟褐色。

根据本发明第一方面的系统，所述建立熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区、完全填充区以及耦合界面的数学模型的方法包括：

步骤21：以螺距、物料密度、物料比热容、粘性耗散系数、螺杆挤出机长度、螺杆挤出机的有效体积、物料与桶体的交换面积、物料和筒体的热交换系数作为输入参数，螺杆转速、桶体温度和物料粘度作为操作变量建立熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区的质量守恒方程、熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区的能量守恒方程、熔体纺丝螺杆挤压过程的完全填充区的质量守恒方程、熔体纺丝螺杆挤压过程的完全填充区的能量守恒方程和熔体区整体的质量守恒方程；

步骤22：通过求解所述熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区的质量守恒方程、熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区的能量守恒方程、熔体纺丝螺杆挤压过程的完全填充区的质量守恒方程、熔体纺丝螺杆挤压过程的完全填充区的能量守恒方程和熔体区整体的质量守恒方程，得到能够输出过程指标的数学模型，所述过程指标包括填充率、部分填充区物料温度、完全填充区物料温度、完全填充区长度和出口压力。

根据本发明第一方面的系统，所述输出填充率的数学模型为：

其中，z为螺杆挤出机空间分布变量，F

根据本发明第一方面的系统，所述输出完全填充区长度的数学模型为：

其中，L为螺杆挤出机长度，B为压力流量系数，k

根据本发明第一方面的系统，所述输出部分填充区物料温度和完全填充区物料温度的数学模型为：

其中，a

根据本发明第一方面的系统，所述输出出口压力的数学模型为：

其中，t为时刻，η为物料粘度，ρ为物料密度，V

本发明第二方面提供了一种电子设备，所述设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，该计算机程序被所述处理器执行时，执行如本发明第一方面所述的一种熔体纺丝螺杆挤压过程的虚拟仿真系统中的方法。

本发明第三方面提供了一种存储介质，该存储介质存储的计算机程序，能够被一个或多个处理器执行，能够用来实现如本发明第一方面所述的一种熔体纺丝螺杆挤压过程的虚拟仿真系统中的方法。

可见，本发明提出的方案，可对熔体纺丝螺杆挤压工艺流程进行模拟和再现，通过三维动态视角全方位展现熔体纺丝螺杆挤压过程的运行方式，具备高逼真性、实时性和可交互性，使操作人员身临其境地体验熔体纺丝螺杆挤压的真实环境。应用数字技术和计算机技术提升操作人员对实际熔体纺丝生产过程与环境的认知。同时该虚拟仿真系统也可以用作高校实验教学，有助于提升教学效率、降低教学成本以及提升教学安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的一种熔体纺丝螺杆挤压过程的虚拟仿真系统的结构图；

图2为根据本发明实施例的熔体纺丝螺杆挤压过程的虚拟仿真系统的实现示意图

图3为根据本发明实施例的熔体纺丝螺杆挤压工艺流程示意图；

图4为根据本发明实施例的一种电子设备的结构图。

图中，1-螺杆挤压机，2-加料口。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明第一方面公开了一种熔体纺丝螺杆挤压过程的虚拟仿真系统，图1为根据本发明实施例的一种熔体纺丝螺杆挤压过程的虚拟仿真系统的结构图，图3中描述的是包括螺杆挤压机1和加料口2的熔体纺丝螺杆挤压工艺流程，具体如图1所示，所述系统包括：动画模块、前端交互模块和后端数据模块；

所述动画模块：采用三维图形建模软件和三维可视化浏览器引擎，通过三维模型设置参数，建立熔体纺丝螺杆挤压过程的设备部件的三维动态虚拟对象，得到熔体纺丝螺杆挤压三维模型；熔体纺丝螺杆挤压三维模型打包为可复用组件，嵌套至所述前端交互模块；

所述后端数据模块：建立熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区、完全填充区以及耦合界面的数学模型，将输入参数输入所述数学模型，得到所述数学模型的过程指标，存入实时数据库并传递给所述前端交互模块的数据表格；

前端交互模块：输入所述输入参数；通过所述数据表格展示所述数学模型的过程指标；

输入所述三维模型设置参数；呈现所述熔体纺丝螺杆挤压三维模型的三维动画，进行图像展示。

在一些实施例中，所述采用三维图形建模软件和三维可视化浏览器引擎，通过三维模型设置参数，建立熔体纺丝螺杆挤压过程的设备部件的三维动态虚拟对象，得到熔体纺丝螺杆挤压三维模型的方法包括：

步骤11：选取熔体纺丝螺杆挤压过程的设备的所有横截面进行模型草绘，采用等比放缩的几何构型方法建立熔体纺丝螺杆挤压过程的设备部件的外观属性；

步骤12：根据熔体纺丝螺杆挤压过程的设备的草绘的模型，结合真实熔体纺丝螺杆挤压过程的设备部件的位置布局，制作设备部件的三维静态模型；

步骤13：将所述三维静态模型整体导出至所述三维可视化浏览器引擎，在三维可视化浏览器引擎中调整所述三维静态模型的位置和尺寸；鼠标左键控制三维静态模型移动，鼠标滚轮控制三维静态模型缩放，鼠标右键控制三维静态模型旋转；

步骤14：编写所述三维可视化浏览器引擎的控制程序脚本，添加摄像机、网格、光源和渲染器，将所述程序脚本导入的所述三维静态模型，通过调整所述摄像机的位置选择预定义的光源以及寻找预定义的角度；根据真实熔体纺丝螺杆挤压过程的设备，为所述三维静态模型附着基础材质和着色器材质；

步骤15：控制程序脚本中加入轨道控制器和位置控制函数，设置所述三维静态模型中设备的从属关系；通过三维模型设置参数，即桶温进行物料温度的分段展示，根据不同区域的物料温度分布，显示不同的纺丝流体颜色，完成三维静态模型向三维动态模型转变，得到熔体纺丝螺杆挤压三维模型。

所述设备部件包括：螺杆、套筒、加料漏斗、纺丝箱、喷丝板、计量泵、熔体聚合物、纺丝流体、调温风箱、油轮、导丝盘以及摩擦辊；

所述通过桶温进行物料温度的分段展示的方法包括：

所述桶温的分段范围为2段～8段，对应纺丝流体颜色分别为天蓝色、草绿色、粉紫色、玫红色、咖啡色、橘黄色、朱红色和熟褐色。

在一些实施例中，所述建立熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区、完全填充区以及耦合界面的数学模型的方法包括：

步骤21：以螺距、物料密度、物料比热容、粘性耗散系数、螺杆挤出机长度、螺杆挤出机的有效体积、物料与桶体的交换面积、物料和筒体的热交换系数作为输入参数，螺杆转速、桶体温度和物料粘度作为操作变量建立熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区的质量守恒方程、熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区的能量守恒方程、熔体纺丝螺杆挤压过程的完全填充区的质量守恒方程、熔体纺丝螺杆挤压过程的完全填充区的能量守恒方程和熔体区整体的质量守恒方程；

步骤22：通过求解所述熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区的质量守恒方程、熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区的能量守恒方程、熔体纺丝螺杆挤压过程的完全填充区的质量守恒方程、熔体纺丝螺杆挤压过程的完全填充区的能量守恒方程和熔体区整体的质量守恒方程，得到能够输出过程指标，即填充率、部分填充区物料温度、完全填充区物料温度、完全填充区长度和出口压力的数学模型。

所述输出填充率的数学模型为：

其中，z为螺杆挤出机空间分布变量，F

所述输出完全填充区长度的数学模型为：

其中，L为螺杆挤出机长度，B为压力流量系数，k

所述输出部分填充区物料温度和完全填充区物料温度的数学模型为：

其中，a

出口压力的数学模型为：

其中，t为时刻，η为物料粘度，ρ为物料密度，V

在一些实施例中，前端交互模块包括用户信息展示页面、用户信息编辑页面、仿真参数输入页面、结果数据表格展示页面、结果数据图像展示页面、三维动画展示页面。

在前端交互模块的参数页面，当输入参数为空或非数字类型时，无法提交仿真请求，同时弹出文字警告作为反馈；如果无警告，则发起网络请求，将所有输入参数存入实时数据库。

数据表格展示的页面中，数据表格中除最后一列数据外均为最终稳态数据，最后一列数据以附件形式呈现，点击附件可下载，附件内容为对应结果数据的稳定过程。

在一些实施例中，前端交互模块还包括：数据图像展示页面通过二维折线图和三维曲面图绘制过程指标的变化过程，图像具备浏览器大小自适应功能。

实施例1：

一种熔体纺丝螺杆挤压过程的虚拟仿真系统，具体如图1和图2所示，所述系统包括：动画模块、前端交互模块和后端数据模块；

所述动画模块：采用三维图形建模软件和三维可视化浏览器引擎，通过三维模型设置参数，建立熔体纺丝螺杆挤压过程的设备部件的三维动态虚拟对象，得到熔体纺丝螺杆挤压三维模型；熔体纺丝螺杆挤压三维模型打包为可复用组件，嵌套至所述前端交互模块；

所述后端数据模块：建立熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区、完全填充区以及耦合界面的数学模型，将输入参数输入所述数学模型，得到所述数学模型的过程指标，存入实时数据库并传递给所述前端交互模块的数据表格和熔体纺丝螺杆挤压三维模型；

前端交互模块：输入所述输入参数；通过所述数据表格展示所述数学模型的过程指标；

输入所述三维模型设置参数；呈现所述熔体纺丝螺杆挤压三维模型的三维动画，进行图像展示。

所述建立熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区、完全填充区以及耦合界面的数学模型的方法包括：

步骤S101：选取工业生产中建立熔体纺丝螺杆挤压过程的设备的所有横截面进行模型草绘，采用等比放缩的几何构型方法建立熔体纺丝螺杆挤压过程的设备部件的长、宽、高、直径等外观属性；

步骤102：借助blender三维图形图像软件进行三维建模；基于草绘设计图稿，在blender软件中新增立方体、圆柱体、圆环、锥体、经纬球、平面、路径曲线等基本物体，利用移动、缩放、旋转、环切、内插面、倒角、透视、循环边等操作将添加的基本物体制作成初步成型的熔体纺丝螺杆挤压过程的设备部件，得到三维静态模型；

步骤103：在编辑模式下，对点、线、面进行优化，添加切割线，挤出各个面，修改圆柱体连接处的弯曲程度；

步骤104：制作纺丝熔体流动效果；新建一个立方体，将纹理改成线框，新建一个经纬球并置于立方体内部，为立方体添加流体属性，类型为域，域类型为液体，并勾选液体和网格，此时立方体变成实心，需要将其再次转换为线框；为经纬球添加流体属性，类型为流，流体类型为液体；

步骤105：制作成丝效果；新建路径曲线，在编辑模式下增加曲线分段点数，通过移动首尾分段点的位置来改变曲线长度，通过移动其余分段点的位置来调整曲线的弯曲程度，使部分曲线缠绕在圆柱体上；

步骤106：调节三维静态模型的材质参数；根据真实生产环境调节各模型部件的金属度、高光强度、粗糙度，从0到1对应着从无到有，对IOR折射率和自发光强度进行微调；

步骤107：将制作完成的熔体纺丝设备模型以glb格式全部导出到三维可视化浏览器引擎中；

步骤108：初始化三维浏览器引擎；通过加载器导入gbl格式的模型文件，创建相机、场景、渲染器、坐标轴，添加平行光源和点光源；

步骤109：控制熔体流动速度和导丝盘卷绕速度；在三维可视化浏览器引擎程序脚本中创建三维场景中移动和旋转的控制变量，引入轨迹控件，关联所创建的控制变量，设定控制参数的调节范围；

步骤110：通过桶温进行物料温度的分段展示，分段范围为2段～8段，对应纺丝流体颜色分别为天蓝色、草绿色、粉紫色、玫红色、咖啡色、橘黄色、朱红色、熟褐色；

步骤111：调整摄像机位置，实现镜头追踪效果；在三维可视化浏览器引擎程序脚本中创建轨迹构造函数进行相机轨道控制，通过maxZoom和minZoom属性来拉远镜头和拉进镜头，修改摄像机位置后需要在渲染函数中重新制定摄像中心点来调整偏角；

步骤112：将熔体纺丝螺杆挤压三维模型封装成可复用组件，应用于前端交互模块的页面显示，根据浏览器窗口大小完成自适应功能。

所述建立熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区、完全填充区以及耦合界面的数学模型的方法包括：

步骤201：设螺距为ξ，设置为0.023m，螺杆转速为N，范围为500rpm～1100rpm，瞬态填充率为f

熔体纺丝螺杆挤压过程的部分填充区的能量守恒方程如下：

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步骤202：设完全填充区内部出口压力为p，模具出口处的物料流量为F

熔体纺丝螺杆挤压过程的完全填充区的能量守恒方程如下：

步骤203：设t为时刻，螺杆挤出机的有效表面积为S

步骤204：假设熔体纺丝螺杆挤压过程中部分填充区和完全填充区之间的温度是连续的，入口处的填充率与进料速率成正比；为了方便处理，将移动边界转换为固定边界，引入坐标变化如下：

步骤205：令上述质量守恒方程和能量守恒方程中的状态变量关于时间的导数为0，得到数据模型如下：

其中f

步骤206：选用关系型数据库MySQL作为存储信息库，非关系型数据库Redis作为缓存数据库；将从前端交互模块输入的输入参数通过网络连接发送到后端并存储到MySQL数据库中；

步骤207：从MySQL数据库中读取数据，代入到数据模型中，得到填充率、物料温度、完全填充区长度和出口压力等过程指标的计算结果，并将过程指标存储到MySQL数据库；

步骤208：将MySQL数据库中的过程指标以应用程序编程接口的形式返回给前端的数据表格，进行相应形式的页面展示。

前端交互模块包括用户登录页面、用户信息展示页面、用户信息编辑页面、三维模型设置参数和输入参数输入页面、数据表格展示页面、过程指标图像展示页面、三维动画展示页面；实现步骤如下：

步骤301：用户在登录页面输入用户名、密码、验证码，用户名和密码有长度和格式限制，前端通过表单校验的方式验证所输入的数据是否为空以及是否符合规则；校验通过后对用户密码进行加密，发送给后端服务器进行用户认证，若认证通过则使用编程式路由导航到平台主页，否则不进行页面跳转，且弹窗提示登录失败；

步骤302：在三维模型设置参数和输入参数输入页面，设置螺距、物料密度、物料比热容、粘性耗散系数、螺杆挤出机长度、螺杆挤出机的有效体积、物料与桶体的交换面积、物料与筒体的热交换系数、螺杆转速、桶温、物料粘度为必填项，表单校验通过后发起网络请求，将所输入参数传递给后端数据模块；

步骤303：通过UI组件库中的表格组件将后端返回的过程指标以表格形式展示到前端页面，数据表格中除最后一列数据外均为最终稳态数据，最后一列数据以附件形式呈现，点击附件可下载，附件内容为对应结果数据的稳定过程；

步骤304：通过数据可视化图表库ECharts绘制结果数据图像，将后端返回的过程指标以折线图、直方图、饼状图形式展示到前端页面；

步骤305：将熔体纺丝螺杆挤压三维模型的可复用组件引入到前端交互模块的程序脚本中，进行单个页面展示；通过全局配置语言依赖项实现前端语言国际化，中英文切换可一键完成。

综上，本发明各个方面的技术方案与现有技术相比具有如下优点：本可对熔体纺丝螺杆挤压工艺流程进行模拟和再现，通过三维动态视角全方位展现熔体纺丝螺杆挤压过程的运行方式，具备高逼真性、实时性和可交互性，使操作人员身临其境地体验熔体纺丝螺杆挤压的真实环境。应用数字技术和计算机技术提升操作人员对实际熔体纺丝生产过程与环境的认知。同时该虚拟仿真系统也可以用作高校实验教学，有助于提升教学效率、降低教学成本以及提升教学安全性。

本发明第二方面公开了一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现本发明公开第一方面中任一项的一种熔体纺丝螺杆挤压过程的虚拟仿真系统中方法的步骤。

图4为根据本发明实施例的一种电子设备的结构图，如图4所示，电子设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该电子设备的处理器用于提供计算和控制能力。该电子设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该电子设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、近场通信(NFC)或其他技术实现。该电子设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该电子设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是电子设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本公开的技术方案相关的部分的结构图，并不构成对本申请方案所应用于其上的电子设备的限定，具体的电子设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

本发明第三方面公开了一种存储介质，具体涉及计算机的可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现本发明公开第一方面中任一项的一种熔体纺丝螺杆挤压过程的虚拟仿真系统中方法的步骤。

请注意，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。