随着太阳能热水器的不断普及，几乎每家每户都装有太阳能热水器。传统的太阳能内胆材料为不锈钢和陶瓷，由于目前提倡材料轻量化，因此出现了聚丙烯(PP)材料。PP材料具有耐化学性、耐热性、电绝缘性、高强度力学性能和良好的高耐磨加工性能等，在机械、汽车、电子电器、建筑等领域得到广泛的开发应用[1]。一般来说，保温过程就是热传递过程，壁厚不均匀，制件的热量分布就不均匀，受热不均必然会导致热残余应力存在，从而影响制件的保温性能[2]。王冬梅等[3]研究了太阳能热水器内胆以及防腐技术，预测外加电流阴极保护技术在产品应用中的发展趋势。刘军强等[4]介绍了太阳能塑料内胆的材质、设备及挤出吹塑成型过程中需要注意的问题。石南辉等[5]介绍了太阳能内胆的焊接方法及工艺，为从事太阳能热水器内胆制造人员提供一定的借鉴。李安桂等[6]采用流体计算力学数值模拟的方法，对水箱内胆不同倾斜程度的放热过程进行研究，改善了太阳能水箱的保温性能。本实验以太阳能水箱内胆为研究对象，通过响应面法对其成型工艺参数进行优化，最终获得一组较佳的成型工艺参数，有效改善了制件的性能。13D建模及网格划分1.1三维建模图1为通过UG NX 10.0软件进行的三维建模图，模型尺寸为300 mm×1 500 mm。所用材料为聚丙烯(PP)，在加工时PP熔体黏度受温度的影响较小，而随剪切速度提高而减小，并且其对制件收缩率影响较大，在吹塑成型过程中会严重影响制件的壁厚分布，从而导致制件发生翘曲变形[7]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.019.F001图1三维建模图Fig.13D modeling diagram1.2网格划分图2为太阳能内胆网格划分图。网格划分最小纵横比为1.040 5，网格匹配率为97.02%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.019.F002图2太阳能内胆初步模拟图Fig.2Preliminary simulation of the inner solar tank1.3初步模拟分析影响吹塑成型工艺的因素包括吹胀压力、吹胀时间、型坯初始温度以及型坯初始壁厚等。吹胀压力过小会导致制件成型不饱满，过大会吹破型坯，甚至引起炸模，一般吹塑成型压力在0.1~1 MPa。温度对于吹塑成型至关重要，温度高低对于制件收缩率也有一定的影响，PP材料的成型温度在210~270 ℃，本实验选取220 ℃作为型胚初始温度。型坯初始壁厚对吹塑成型也有一定的影响，初始壁厚过厚、过薄会导致最终制件的壁厚过厚或过薄，根据相关经验，吹塑成型制件的壁厚一般在2~5 mm，本实验通过设计响应面优化成型参数。图3为当吹胀压力0.3 MPa，型坯初始温度220 ℃以及型坯初始壁厚4 mm时的成型结果。从图3可以看出，制件的壁厚分布并不是很均匀，尤其是在制件拐角处壁厚较薄，这是由于在成型过程中拐角处后接触到模具，因此温度变化相对较慢[8]。当其他部分接触到模具时，温度会急剧下降，导致整个流动性变差，因此不易变形，拐角处正好相反，因此其壁厚较薄，所以，后续通过设计响应面模型优化其成型工艺参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.019.F003图3太阳能内胆初步模拟图Fig.3Preliminary simulation of the inner solar tank2响应面设计2.1响应面模型影响吹塑成型的工艺参数有很多，本实验研究了吹胀压力(A)、型坯初始温度(B)以及型坯初始壁厚(C)对制件成型性能的影响，选用三水平三因素的实验设计表，表1为响应面因素水平设计。表2为响应面实验方案与结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.019.T001表1响应面因素水平设计Tab.1Response surface factor level design因素吹胀压力(A)/MPa型坯初始温度(B)/℃型坯初始壁厚(C)/m-10.12100.00300.32200.00410.52300.00510.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.019.T002表2方案及结果Tab.2Scheme and results方案因素响应目标值A/MPaB/℃C/m均匀性函数值R1/10-510.12100.0041.05920.32200.0041.02930.12200.0051.20540.32300.0030.55350.32200.0040.90960.32200.0041.04670.52300.0041.09880.32100.0051.64290.52100.0041.022100.32200.0040.874110.32300.0051.811120.52200.0051.614130.52200.0030.445140.32200.0041.034150.12300.0040.959160.12200.0030.637170.32100.0030.4102.2响应面拟合根据所得壁厚均匀性函数值结果进行回归拟合，具体的回归拟合方程为：R1=0.98+0.040A+0.036B+0.53C+0.044AB+0.15AC+0.006BC-0.036A2+0.092B2+0.033C2 (1)根据回归拟合方程得到具体的残差分布图，当残差分布图趋向于一条直线时，表明该模型较好，可用于进行实验预测[9-10]。图4为残差分布。从图4可以看出，模型残差分布效果较好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.019.F004图4残差分布Fig.4Distribution of residuals表3为方差分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.019.T003表3方差分析Tab.3Analysis of variance因素偏差平方和自由度方差F值P值显著性相关系数R2=0.9552模型信噪比r=13.954模型2.4090.27016.580.0006显著A0.01310.0130.790.4033B0.01010.0100.640.4484C2.2312.230138.870.0001显著AB0.00710.0070.480.5101AC0.09010.0905.610.0496显著BC0.000210.00020.0110.9212A20.00610.0060.350.5752B20.03610.0362.240.1784C20.00510.0050.290.6080残差0.1170.016失拟项0.08730.0294.450.0915不显著纯误差0.02640.006总误差2.5116从表3可以看出，模型的P值为0.000 6，为显著，失拟项P值为0.091 5，为不显著，表明该模型可靠，可以用于模拟预测。其中C、AC的P值都小于0.05，表明因素C以及AC影响显著。模型的相关系数R2为0.955 2，表明壁厚均匀性预测值和实际值拟合程度比较高。一般来说，模型信噪比大于4表明模型的预测准确性比较高，本次模型信噪比为13.954，准确性较高。图5为响应面模型的三维及二维图。图5a为吹胀压力和型坯初始温度对壁厚均匀性函数值的影响。从图5a可以看出，当吹胀压力一定时，壁厚均匀性函数值随着型坯初始温度的增大先减小后增大，当型坯初始温度一定时，吹胀压力对壁厚均匀性函数值影响很小。图5b为吹胀压力和型坯初始壁厚对壁厚均匀性函数值的影响。从图5b可以看出，随着吹胀压力以及型坯初始壁厚的不断增大，壁厚均匀性函数值也随之增大。图5c为型坯初始壁厚以及型坯初始温度对壁厚均匀性函数值的影响。从图5c可以看出，型坯初始壁厚以及型坯初始温度两者的交互作用不明显。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.019.F005图5响应曲面分析Fig.5Response surface analysis通过Design Expert软件对所获得的响应面分析结果进行优化，通过Optimization选项自动获取最佳成型工艺参数组合，表4为最优设计变量取值。从表4可以看出，较佳的工艺参数组合为吹胀压力0.461 MPa，型坯初始温度为213.169 ℃，型坯初始壁厚为0.003 m，该成型工艺条件下的壁厚均匀性函数值R1有最小值为0.372×10-5 mm2。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.019.T004表4最优设计变量取值Tab.4Value of optimal design variable变量最优参数吹胀压力(A)/MPa0.461型坯初始温度(B)/℃213.169型坯初始壁厚(C)/m0.003均匀性函数值R1/10-50.372期望1.002.3模拟验证根据较佳成型工艺参数组合，通过Ansys Workbench中的Polyflow模块对其进行模拟验证，图6为具体模拟结果。从图6可以看出，制件的整体壁厚均匀性较未优化之前得到明显改善，未优化前制件的壁厚均匀性函数值为0.396×10-5 mm2，优化后制件的壁厚均匀性函数值为0.384×10-5 mm2，与未优化前相比减小了0.012×10-5 mm2，与预测值0.372×10-5 mm2相比减小了0.024×10-5 mm2，相对偏差为3.13%，小于5%，表明本次模拟结果可靠。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.019.F006图6模拟验证Fig.6Simulation verification3生产验证根据优化后的较佳成型工艺参数进行实际的生产验证，即吹胀压力0.461 MPa，型坯初始温度为213.169 ℃，型坯初始壁厚为0.003 m，图7为所得到的制件。从图7可以看出，所制得的太阳能内胆成型质量较好，满足实际的生产需求，整体壁厚比较均匀，翘曲变形量不大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.019.F007图7太阳能内胆Fig.7Solar inner tank4结论(1)通过Ansys Workbench软件中的Polyflow模块可以对吹塑制件进行吹塑成型模拟，发现制件在拐角处容易发生壁厚分布不均匀的现象，影响制件的成型质量。(2)太阳能内胆成型过程容易出现壁厚不均匀，导致制件成型质量差，通过响应面法可以获得一组较佳的成型工艺参数组合。(3)当吹胀压力0.461 MPa，型坯初始温度213.169 ℃，型坯初始壁厚0.003 m时，制件的成型质量最好。优化后制件的壁厚均匀性函数值经计算为0.384×10-5 mm2，与预测值0.372×10-5 mm2相比减小了0.024×10-5 mm2，相对偏差为3.13%，小于5%，表明本次模拟结果可靠。