快速熱循環(huán)注塑成型過程數(shù)值模擬方法研究.pdf

1、快速熱循環(huán)注塑(Rapid heat cycle molding，RHCM)是近年來興起的一種塑料成型新技術(shù)。該技術(shù)在注射之前將模具型腔快速加熱到塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，以抑制熔體的過早冷凝，降低熔體的流動阻力，提高塑料熔體的充模流動能力。充填、保壓后的快速冷卻過程能夠在較短時間內(nèi)將成型后的塑件快速冷卻到頂出溫度以下，以縮短塑件成型周期，提高注塑生產(chǎn)效率。RHCM注塑新技術(shù)能夠一次成型表面高光且沒有熔接痕的塑料制品，消除了常規(guī)注塑(C

2、onventional injection molding，CIM)中對環(huán)境污染嚴(yán)重的拋光和噴涂等二次加工工藝，真正實現(xiàn)了綠色注塑，具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 RHCM注塑是一個相當(dāng)復(fù)雜的物理過程，涉及高分子物理學(xué)、流變學(xué)、傳熱學(xué)和流體力學(xué)等多個學(xué)科的知識，其成型機理有待進(jìn)一步探究。傳統(tǒng)的理論分析和單純的實驗研究不足以解決這一復(fù)雜的物理問題。日益發(fā)展的數(shù)值模擬方法和計算機技術(shù)為人們解決多學(xué)科交叉的復(fù)雜物理問題和工程問題提供了強有

3、力的研究手段。但是，采用傳統(tǒng)注塑模擬方法進(jìn)行RHCM注塑過程數(shù)值模擬尚存在諸多難點和問題。商業(yè)軟件模具熱響應(yīng)分析的結(jié)果無法應(yīng)用到RHCM注塑過程的熔體流動分析中，施加固定型腔溫度的常規(guī)注塑模擬方法忽略了瞬態(tài)變化的RHCM注塑模具溫度對充填和保壓過程中熔體溫度場以及流動狀態(tài)的影響，其分析結(jié)果將導(dǎo)致熔體溫度場和流場失真。傳統(tǒng)的注塑冷卻分析多采用周期平均溫度代替模具內(nèi)各點的溫度，忽略了模具溫度的周期性變化，難以反映瞬態(tài)變化的模具溫度對RHCM

4、注塑快速冷卻過程的影響。傳統(tǒng)的注塑模擬方法將模具和熔體孤立開，無法獲得不同注塑循環(huán)中模具溫度場的變化規(guī)律，難以實現(xiàn)多循環(huán)RHCM注塑過程的瞬態(tài)模擬。開發(fā)適合于模具溫度瞬態(tài)變化的RHCM注塑過程的數(shù)值模擬技術(shù)，有助于揭示RHCM注塑技術(shù)的成型機理，通過數(shù)值模擬能夠發(fā)現(xiàn)RHCM注塑模具結(jié)構(gòu)及其成型工藝中存在的問題，提出改進(jìn)方案，為RHCM注塑成型生產(chǎn)實際提供指導(dǎo)。因此，研究快速熱循環(huán)注塑成型過程數(shù)值模擬理論與方法，具有重要的理論價值和工程意

5、義。
　　 本文開展了RHCM注塑過程數(shù)值模擬方法及其關(guān)鍵技術(shù)研究，針對RHCM注塑過程中模具溫度瞬態(tài)變化的特點，研究了耦合模具傳熱的RHCM注塑過程數(shù)值模擬方法，分別建立了快速加熱、充填、保壓和快速冷卻過程的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了各成型階段的數(shù)值模擬程序，模擬研究了二維電加熱式和三維蒸汽加熱式RBCM注塑快速加熱、充填、保壓和快速冷卻過程，獲得了RHCM注塑過程中熔體速度場、壓力場、溫度場、密度場以及模具溫度場等重要場變量的分布特點

6、及其變化規(guī)律。通過集成RHCM注塑過程各階段的數(shù)學(xué)模型及其數(shù)值模擬程序建立了快速熱循環(huán)注塑過程瞬態(tài)模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)了多循環(huán)RHCM注塑過程的三維瞬態(tài)模擬。建立了電加熱式RHCM注塑實驗線，采用數(shù)值模擬和實驗的方法研究了多循環(huán)電加熱式RHCM注塑過程，獲得了不同加熱/冷卻循環(huán)下模具溫度場的分布規(guī)律，研究了注射前電加熱時間對熔體充模能力、充填狀態(tài)以及熔接痕的微觀形貌和力學(xué)性能的影響規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果與電加熱式RHCM注塑實驗結(jié)果吻合良好，驗證

7、了本文開發(fā)的RHCM注塑過程三維瞬態(tài)模擬系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。
　　 本文基于Linux系統(tǒng)下的開源C++平臺OpenFOAM，采用有限體積法離散控制方程和求解離散后的代數(shù)方程組，在簡單介紹計算流體力學(xué)基本控制方程和有限體積法基本理論的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了通用控制方程中瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項的離散過程，研究了離散后代數(shù)方程組的求解方法，為RHCM注塑過程快速加熱、充填、保壓和快速冷卻階段數(shù)值模擬程序的開發(fā)打下了理論基礎(chǔ)。

8、　　 快速加熱過程是RHCM技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，加熱后的模具溫度場分布是充填分析的初始條件，開展快速加熱過程數(shù)值模擬將為RHCM注塑充填、保壓和冷卻過程中的模具溫度場分析提供程序平臺。本文建立了RHCM注塑快速加熱過程模具熱響應(yīng)分析模型，根據(jù)電加熱式和蒸汽加熱式RHCM注塑模具內(nèi)部無熱源的特點，確定了模具-空氣邊界的自然對流換熱、模具-電熱棒邊界的固定熱流密度以及模具-加熱蒸汽邊界的強制對流換熱邊界條件模型，開發(fā)了RHCM注塑快速加熱過程

9、模具熱響應(yīng)分析程序，通過數(shù)值模擬獲得了電加熱和蒸汽加熱過程中模具溫度場的分布特點及其變化規(guī)律，模擬結(jié)果與商業(yè)軟件ANSYS的熱分析結(jié)果吻合良好，驗證了本文熱分析模型的有效性。
　　 為了解決中面流法和雙面流法不能分析變厚度和厚壁制件熔體流動的問題，本文將厚度方向速度與其它方向速度置于同等地位，建立了描述聚合物熔體三維非等溫不可壓縮充填流動的數(shù)學(xué)模型，采用PISO(Pressure Implicit with Splitting

10、ofOperators)算法求解耦合的速度場和壓力場，基于VOF(Volume of Fluid)方法追蹤熔體的流動前沿。為了解決VOF方法中流體體積函數(shù)遷移問題，建立了引入人工壓縮項的流體體積函數(shù)輸運方程。在型腔邊界的處理上，為了解決簡單地施加無滑移邊界條件所引起的流動前沿失真問題，建立了以邊界單元充填狀態(tài)為判據(jù)的動態(tài)邊界條件，根據(jù)邊界單元流體體積函數(shù)取值的不同來實現(xiàn)無滑移邊界條件(對于熔體)和自由穿梭邊界條件(對于空氣)的動態(tài)轉(zhuǎn)換。

11、開發(fā)了熔體充填流動過程數(shù)值分析程序。模擬研究了充填過程中熔體溫度、速度和壓力等場量的分布規(guī)律，對比了不同模具溫度邊界下熔體充填流動的特點，獲得了型腔溫度對熔體充填過程的影響規(guī)律，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果以及商業(yè)軟件Moldflow的分析結(jié)果吻合良好，驗證了本文開發(fā)的熔體三維流動過程數(shù)值模擬程序的可行性和正確性
　　 針對常規(guī)流動模擬因忽略模具溫度變化而引起的RHCM注塑充填分析結(jié)果失真問題，本文提出了耦合模具傳熱的注塑模擬方法，建立了

12、耦合模具傳熱的RHCM注塑充填過程數(shù)學(xué)模型，在型腔區(qū)域內(nèi)求解熔體流動過程的質(zhì)量、動量守恒方程，獲得熔體的速度場、壓力場和應(yīng)力應(yīng)變場分布，在模具本體及其包圍的型腔區(qū)域內(nèi)同時求解模具的熱傳導(dǎo)方程和熔體流動的能量守恒方程，獲得包括模具和熔體在內(nèi)的整個系統(tǒng)的溫度場分布，研究了模具-熔體耦合邊界的處理方法，開發(fā)了耦合模具傳熱的RHCM注塑充填過程數(shù)值模擬程序。以快速加熱過程模具熱響應(yīng)分析的結(jié)果為初始條件，模擬研究了二維電加熱式和三維蒸汽加熱式RH

13、CM注塑的充填流動過程，揭示了充填過程中熔體的流動前沿狀態(tài)、流場分布特點以及包括模具和熔體在內(nèi)的整個系統(tǒng)溫度場的分布規(guī)律，對比了固定邊界溫度充填分析和耦合模具傳熱充填分析結(jié)果的不同。模擬結(jié)果表明，考慮模具溫度瞬態(tài)變化對熔體流動影響的耦合模具傳熱的充填分析程序更適合于RHCM注塑充填過程的數(shù)值模擬。
　　 在保壓過程中，熔體的密度變化較大，熔體的可壓縮性不可忽略。針對保壓過程的可壓縮流動問題，本文建立了耦合模具傳熱的RHCM注塑保

14、壓過程數(shù)學(xué)模型，在型腔內(nèi)部，用單域的Spencer-Gilmore狀態(tài)方程描述熔體的可壓縮性，基于PISO方法求解保壓過程可壓縮熔體的流動方程，獲得熔體的流場和密度場分布，用引入人工壓縮項的VOF輸運方程追蹤熔體的流動前沿。在模具本體及其包圍的模具型腔內(nèi)同時求解模具的熱傳導(dǎo)方程和熔體流動的能量守恒方程，獲得模具和熔體的瞬態(tài)溫度場分布，開發(fā)了耦合模具傳熱的RHCM注塑保壓過程數(shù)值模擬程序。以充填分析終了時模具溫度場分布以及型腔內(nèi)塑料熔體的

15、流場和溫度場分布作為保壓分析的初始條件，模擬研究了二維電加熱式和三維蒸汽加熱式RHCM注塑的保壓過程，揭示了RHCM注塑保壓過程中熔體溫度場、密度場以及模具溫度場的變化規(guī)律。
　　 常規(guī)注塑冷卻模擬多用周期平均溫度代替模具內(nèi)各點的溫度，無法實現(xiàn)對RHCM注塑冷卻過程的瞬態(tài)模擬。本文研究了模具與熔體間、模具與冷卻劑間以及模具與空氣間的熱交換模型，建立了耦合模具傳熱的RHCM注塑快速冷卻過程的數(shù)學(xué)模型，給出了描述冷卻過程中模具內(nèi)溫度

16、場變化的熱傳導(dǎo)方程，建立了型腔內(nèi)熔體的質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程，考慮了體積力(重力)對冷卻過程中熔體狀態(tài)的影響，考慮了熔體固化潛熱對冷卻過程溫度場的影響。為了研究快速冷卻階段熔體的凝固和收縮，基于Darcy定律建立了熔體凝固過程中兩相區(qū)內(nèi)已凝固塑料與未凝固熔體之間的關(guān)系，開發(fā)了耦合模具傳熱的RHCM注塑快速冷卻過程數(shù)值模擬程序。以保壓分析的結(jié)果為初始條件，模擬研究了二維電加熱式和三維蒸汽加熱式RHCM注塑的快速冷卻過程，揭示了快

17、速冷卻過程中模具溫度場變化、熔體的凝固現(xiàn)象、溫度場分布、密度場分布以及塑件的收縮規(guī)律。
　　 常規(guī)注塑模擬方法忽略了注塑過程中熔體和模具間的耦合傳熱，無法實現(xiàn)多循環(huán)RHCM注塑過程的瞬態(tài)模擬。針對這一問題，本文通過集成RHCM注塑快速加熱、充填、保壓和快速冷卻過程的數(shù)學(xué)模型及其數(shù)值模擬程序，開發(fā)了多循環(huán)RHCM注塑過程瞬態(tài)模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)以模具熱響應(yīng)分析的結(jié)果為初始條件進(jìn)行耦合模具傳熱的熔體充填和保壓過程數(shù)值模擬，將充填/保壓模

18、擬獲得的熔體流場、溫度場以及模具溫度場分布作為冷卻過程的初始條件，進(jìn)行耦合模具傳熱的RHCM注塑快速冷卻過程數(shù)值模擬，在多循環(huán)注塑過程中，把上一個RHCM注塑循環(huán)的模擬結(jié)果作為下一個RHCM注塑循環(huán)的初始條件，實現(xiàn)了多循環(huán)RHCM注塑過程的三維瞬態(tài)數(shù)值模擬。
　　 自主開發(fā)了基于電加熱和水冷卻的RHCM注塑模具溫度控制系統(tǒng)以及電加熱模具。采用數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方法，研究了多循環(huán)電加熱式RHCM注塑過程，獲得了不同加熱/冷卻循