薄膜传输系统导向辊处的刚柔流耦合动力学研究

The scratch, drift and wrinkling defects on the membrane during web handling process severely restrict the quality and efficiency of the new web products such as flexible electronics. The air entrainment between the moving web and the guide roller makes the membrane presents a multi-body complex dynamic behavior, which is the key to study the transfer stability for high speed and high precision flexible membrane. The phenomenon of air entrainment between moving membrane and the guide roller will be explored and the rigid-flexible-fluid coupling dynamic behavior of the guide roller, the membrane and the air entrainment will be studied in this project. The fluid field characteristics will be analysed and the effect of process and physical performance parameters of membrane and guide roller on the air entrainment is studied firstly.Then the performance parameters of the air entrainment, membrane and guide roller on the membrane and the guide roller dynamic characteristics and on the guide roller traction and its runnability are studied.Based on the above analysis, the rigid-flexible-fluid coupling dynamic model of the high-speed flexible membrane on the guide roller will be derived. The mechanism of the scratch, drift and wrinkling defects on the membrane will be revealed. The process and physical performance parameters affecting the motion stability of membrane will be determined. The research results have wide application prospects in the field of roller employment and web transfer stability in web processing system.

薄膜传输中的划伤、漂移和皱褶缺陷严重制约着柔性电子等新型薄膜产品的制备质量和效率的提高。薄膜传输系统在导向辊处出现空气夹带现象，运动薄膜呈现多体多场耦合的复杂动力学行为，严重影响了高精度和高速度运动薄膜的传输稳定性。本项目拟探索薄膜传输中的空气夹带机理，研究导向辊、薄膜和夹带气体三者间的刚柔流耦合的动力学行为。通过分析运动薄膜和导向辊之间夹带气体的流场特性，获取薄膜和导向辊的性能参数对夹带气体厚度、压力分布和速度分布的影响规律；研究计及夹带气体作用的导向辊的力学特性和牵引特性；建立导向辊处运动柔性薄膜的刚柔流耦合动力学模型，研究导向辊的力学特性和夹带气体的流场特性对薄膜动力学特性的影响规律；进而研究薄膜在导向辊处的传输稳定性，揭示薄膜经过导向辊时发生划伤、漂移和皱褶的机理，确定薄膜稳定运行的性能参数，为薄膜传输系统导向辊的选用和运动薄膜的稳定传输提供实验依据和理论基础。

柔性电子等新型高精密薄膜产品广泛应用于信息、医疗、能源和印刷包装领域。薄膜和导向辊构成了薄膜传输系统的主要组成部分，运动薄膜在导向辊处产生的划伤、漂移和皱褶缺陷严重制约着柔性电子等新型薄膜产品的制备质量和效率的提高。本项目主要研究了研究了导向辊、薄膜和夹带气体三者间的耦合动力学现象。具体如下：. 研究了导向辊结构的力学特性，揭示了导向辊的挠曲变形规律，分析了薄膜张力、导向辊壁厚和轴肩长度对挠度的影响关系，对静态时的挠曲变形进行了试验研究。建立了多体组合的导向辊有限元模型，对理论分析结果进行了仿真验证，对导向辊结构进行了模态分析、谐响应分析和瞬态分析。.研究了薄膜和导向辊之间夹带气体的流场特性。建立了夹带气体的雷诺兹方程和运动薄膜的平衡方程，获得了薄膜与导向辊之间夹带气体的气膜厚度和压强分布情况。分析了薄膜的传输速度和薄膜张力等因素对夹带气体流场特性的影响，揭示了包角和薄膜宽度与导向辊半径的比率对夹带气体的流场分布的影响规律。. 研究了薄膜传输系统导向辊的牵引特性和随动性的问题。建立了导向辊的牵引力模型的，给出了导向辊牵引特性的影响因素及变化规律，给出了薄膜与导向辊的包角、薄膜张力和牵引力的变化关系，分析了摩擦系数、包角和张力对薄膜和导向辊速差的影响。建立了导向辊的随动性模型，研究了导向辊的结构参数（导向辊直径、壁厚、轴肩长度、筒体长度）及薄膜和导向辊之间的包角、薄膜张力、薄膜传输速度对导向辊随动性的影响。. 研究了轴向张力作用下薄膜的横向振动特性以及薄膜经过导向辊时张力的变化特点，揭示了挠曲变形瞬态响应产生的张力扰动对牵引力和速差的影响因素和变化规律。针对薄膜传输系统运动薄膜横向振动的问题，提出了基于次最优控制法的运动薄膜横向振动的主动控制策略。. 研究成果为凹版印刷机等薄膜传输系统设计和薄膜产品制造工艺参数的选择与调整提供了有力的依据，为研究运动薄膜的传输稳定性理论和应用研究奠定了基础。