雙組分聚合物異型材共擠出過程的數(shù)值模擬研究.pdf

1、聚合物共擠出加工工藝是20世紀80年代初開始應用的一種擠塑復合成型技術，它能夠使多層具有不同特性的物料在擠出過程中復合在一起，使制品兼有幾種材料的優(yōu)良特性。這些具有綜合性能的復合材料有極廣泛的應用價值。目前共擠出技術已被用于復合薄膜、板材、管材、異型材和電線電纜的生產。在聚合物共擠出加工過程中，共擠出模具設計是關鍵環(huán)節(jié)之一，利用數(shù)值計算技術可以模擬聚合物在擠出模流道內的流動過程，據(jù)此分析模具結構及工藝的合理性，為模具設計及工藝參數(shù)的確定

2、提供理論基礎。 本文以高聚物流變學為理論基礎，對非牛頓流體共擠出流動過程的有限元模擬技術進行了研究，給出了有限元方法求解的技術路線；以矩形流道為例，模擬分析了共擠出流動及擠出脹大的流動規(guī)律，研究了材料特性、共擠出的工藝條件及模具結構對共擠出界面和擠出脹大的影響；模擬了五種具有復雜界面的復合異型材共擠出過程，分析了復雜界面的形成；研究了共擠出模具設計CAD系統(tǒng)的關鍵技術和參數(shù)化建模技術，開發(fā)了雙層管材共擠出模具設計CAD系統(tǒng)，建立

3、了聚合物共擠出模具設計CAD/CAE集成系統(tǒng)。 首先針對聚合物共擠出流動的特點，建立了粘彈流體三維共擠出流動的有限元模型，研究了聚合物共擠出流動有限元模擬的關鍵技術，給出了有限元分析的總體技術路線。根據(jù)粘彈流體耦合格式有限元計算的基本方程，提出了在求解基本方程的過程中，對應力采用粘彈分量格式(EVSS)，以簡化求解，采用對動量方程中的對流項進行迎風修正，形成非協(xié)調流線迎風有限元格式(SU)的方法解決對流項占優(yōu)時數(shù)值解振蕩問題；研

4、究了共擠出過程數(shù)值模擬中所涉及的自由邊界問題，分析了計算自由邊界條件所需要的運動學條件和動力學條件，給出了自由邊界問題的求解步驟：提出了用參數(shù)漸變算法逐漸逼近收斂值的思路，通過計算證明該算法是解決聚合物共擠出流動模擬非線性問題的有效方法。 以矩形口模為研究對象，研究了共擠出成型過程中聚合物熔體的流動規(guī)律。分別用冪律流體模型和粘彈性流體PPT模型描述聚合物熔體的材料特性，考慮熔體與模具壁面的相對滑移，建立了聚合物熔體在全流道(包括

5、入口平流區(qū)、收斂流動區(qū)、共擠出流動區(qū))的有限元模型；通過數(shù)值計算，獲得了速度場、剪切應力場、壓力場、溫度場、粘度場等；根據(jù)計算結果重點分析了材料特性(包括剪切粘度、冪律指數(shù)、松弛時間等)、共擠出的工藝條件(包括總入口流量、流量比、溫度、牽引力)及模具結構(包括模具收斂角、共擠出流道的長度和流道表面光滑程度)對共擠出界面的影響。結果表明：由于模具壁面的約束作用，在擠出模具流道內部，聚合物的彈性表現(xiàn)得并不充分，兩種聚合物熔體剪切粘度和冪律指

6、數(shù)是決定界面形狀和位置的重要參數(shù)；在流道內部可以用廣義牛頓流體模型表達熔體特性。在擠出工藝參數(shù)中，總入口流量和流量比是導致共擠出界面位置變化的決定性因素。在模具結構參數(shù)中，共擠出流道的長度和模具壁面光滑程度對界面有重要的影響，根據(jù)計算結果得到了方形流道共擠出段長度與高度比的取值范圍；而模具入口收斂角對界面的影響不大，在實際生產中為了模具制造和共擠出機布置的方便，可采用圓滑過渡的90。入口角。建立了矩形共擠出流道及擠出脹大區(qū)的三維有限元模

7、型，并模擬了非牛頓流體的共擠出流動過程，獲得了擠出脹大區(qū)的速度場、剪切應力場等。對有限元模擬的數(shù)據(jù)結果進行再處理，計算了擠出脹大率和可恢復彈性形變。有限元模擬結果顯示：聚合物在離開方形口模后，熔體高度方向的擠出脹大率明顯大于寬度方向的脹大率，且兩種熔體的擠出脹大率不同，熔體末端截面形狀為不對稱的鼓形；在擠出脹大段，共擠出界面的形狀和位置會發(fā)生變化。根據(jù)模擬結果，定量地分析了材料粘彈性參數(shù)、擠出工藝參數(shù)以及流道形狀對擠出脹大率的影響。結果

8、表明：粘彈流體在矩形流道內流動時，剪切粘度和松弛時間對擠出脹大率有很大的影響。入口流量比對擠出脹大率的影響與共擠出流道的長度有關。在入口流量不變的前提下，共擠出流道的長度越大，擠出脹大率就越小；但當共擠出流道長高比達到10以后，擠出脹大率接近恒定值；共擠出成型區(qū)會導致可恢復彈性形變的衰減，但同時將使流道的壓力損失增大，最佳的流道幾何形狀應是壓力損失計算和可恢復彈性形變計算相匹配的結果。隨著模具表面光滑程度的提高，兩種流體的擠出脹大率均顯

9、著減??；流道入口收斂角的變化對擠出脹大率影響不大。 目前異型材共擠出工藝參數(shù)主要依靠經(jīng)驗和多次試模來確定，費時且成本較高，而隨著產品更新速度的加快，很多時候無現(xiàn)成的經(jīng)驗可循。本文采用數(shù)值模擬的方法對五種具有復雜界面的共擠出型材(復合擠出管材、復合擠出對接棒材、復合擠出偏心棒材、表面包覆空心異型材、嵌入式共擠出異型材)的擠出過程進行了三維數(shù)值模擬，得到速度場、壓力場、剪切應力場等，分析了共擠出異型材中復雜界面(圓柱形界面、平界面、

10、開口梯形界面、嵌入式界面)的成型過程，將數(shù)值計算結果與實驗結果進行了對比。結果表明數(shù)值模擬得到的界面形狀與實驗結果一致。同時通過分析指出確定工藝參數(shù)時應首先根據(jù)材料的特性(主要是兩種聚合物的剪切粘度)和型材截面形狀確定合理地入口流量比，然后再根據(jù)設備性能、熔體允許的壓力降等條件確定兩種熔體的入口流量。建立了聚合物共擠出模具CAD/CAE集成系統(tǒng)，為數(shù)值模擬技術與生產實際相結合提供了平臺。研究了聚合物共擠出模具設計CAD系統(tǒng)的關鍵技術和主