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(jì)80年代初開始應(yīng)用的一種擠塑復(fù)合成型技術(shù)，它能夠使多層具有不同特性的物料在擠出過程中復(fù)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(fù)合材料有極廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前共擠出技術(shù)已被用于復(fù)合薄膜、板材、管材、異型材和電線電纜的生產(chǎn)。在聚合物共擠出加工過程中，共擠出模具設(shè)計(jì)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)可以模擬聚合物在擠出模流道內(nèi)的流動(dòng)過程，據(jù)此分析模具結(jié)構(gòu)及工藝的合理性，為模具設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)的確定

2、提供理論基礎(chǔ)。 本文以高聚物流變學(xué)為理論基礎(chǔ)，對(duì)非牛頓流體共擠出流動(dòng)過程的有限元模擬技術(shù)進(jìn)行了研究，給出了有限元方法求解的技術(shù)路線；以矩形流道為例，模擬分析了共擠出流動(dòng)及擠出脹大的流動(dòng)規(guī)律，研究了材料特性、共擠出的工藝條件及模具結(jié)構(gòu)對(duì)共擠出界面和擠出脹大的影響；模擬了五種具有復(fù)雜界面的復(fù)合異型材共擠出過程，分析了復(fù)雜界面的形成；研究了共擠出模具設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)化建模技術(shù)，開發(fā)了雙層管材共擠出模具設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)，建立

3、了聚合物共擠出模具設(shè)計(jì)CAD/CAE集成系統(tǒng)。 首先針對(duì)聚合物共擠出流動(dòng)的特點(diǎn)，建立了粘彈流體三維共擠出流動(dòng)的有限元模型，研究了聚合物共擠出流動(dòng)有限元模擬的關(guān)鍵技術(shù)，給出了有限元分析的總體技術(shù)路線。根據(jù)粘彈流體耦合格式有限元計(jì)算的基本方程，提出了在求解基本方程的過程中，對(duì)應(yīng)力采用粘彈分量格式(EVSS)，以簡(jiǎn)化求解，采用對(duì)動(dòng)量方程中的對(duì)流項(xiàng)進(jìn)行迎風(fēng)修正，形成非協(xié)調(diào)流線迎風(fēng)有限元格式(SU)的方法解決對(duì)流項(xiàng)占優(yōu)時(shí)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(jì)算自由邊界條件所需要的運(yùn)動(dòng)學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)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(jì)算證明該算法是解決聚合物共擠出流動(dòng)模擬非線性問題的有效方法。 以矩形口模為研究對(duì)象，研究了共擠出成型過程中聚合物熔體的流動(dòng)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(duì)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(dòng)區(qū)、共擠出流動(dòng)區(qū))的有限元模型；通過數(shù)值計(jì)算，獲得了速度場(chǎng)、剪切應(yīng)力場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、粘度場(chǎng)等；根據(jù)計(jì)算結(jié)果重點(diǎn)分析了材料特性(包括剪切粘度、冪律指數(shù)、松弛時(shí)間等)、共擠出的工藝條件(包括總?cè)肟诹髁俊⒘髁勘?、溫度、牽引?及模具結(jié)構(gòu)(包括模具收斂角、共擠出流道的長(zhǎng)度和流道表面光滑程度)對(duì)共擠出界面的影響。結(jié)果表明：由于模具壁面的約束作用，在擠出模具流道內(nèi)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(nèi)部可以用廣義牛頓流體模型表達(dá)熔體特性。在擠出工藝參數(shù)中，總?cè)肟诹髁亢土髁勘仁菍?dǎo)致共擠出界面位置變化的決定性因素。在模具結(jié)構(gòu)參數(shù)中，共擠出流道的長(zhǎng)度和模具壁面光滑程度對(duì)界面有重要的影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到了方形流道共擠出段長(zhǎng)度與高度比的取值范圍；而模具入口收斂角對(duì)界面的影響不大，在實(shí)際生產(chǎn)中為了模具制造和共擠出機(jī)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(dòng)過程，獲得了擠出脹大區(qū)的速度場(chǎng)、剪切應(yīng)力場(chǎng)等。對(duì)有限元模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行再處理，計(jì)算了擠出脹大率和可恢復(fù)彈性形變。有限元模擬結(jié)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(duì)稱的鼓形；在擠出脹大段，共擠出界面的形狀和位置會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)模擬結(jié)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(duì)擠出脹大率的影響。結(jié)果

8、表明：粘彈流體在矩形流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，剪切粘度和松弛時(shí)間對(duì)擠出脹大率有很大的影響。入口流量比對(duì)擠出脹大率的影響與共擠出流道的長(zhǎng)度有關(guān)。在入口流量不變的前提下，共擠出流道的長(zhǎng)度越大，擠出脹大率就越小；但當(dāng)共擠出流道長(zhǎng)高比達(dá)到10以后，擠出脹大率接近恒定值；共擠出成型區(qū)會(huì)導(dǎo)致可恢復(fù)彈性形變的衰減，但同時(shí)將使流道的壓力損失增大，最佳的流道幾何形狀應(yīng)是壓力損失計(jì)算和可恢復(fù)彈性形變計(jì)算相匹配的結(jié)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(duì)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(yàn)和多次試模來確定，費(fèi)時(shí)且成本較高，而隨著產(chǎn)品更新速度的加快，很多時(shí)候無現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可循。本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)五種具有復(fù)雜界面的共擠出型材(復(fù)合擠出管材、復(fù)合擠出對(duì)接棒材、復(fù)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(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、剪切應(yīng)力場(chǎng)等，分析了共擠出異型材中復(fù)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(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明數(shù)值模擬得到的界面形狀與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。同時(shí)通過分析指出確定工藝參數(shù)時(shí)應(yīng)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(shè)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(shù)與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合提供了平臺(tái)。研究了聚合物共擠出模具設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和主