擠出加工流場中聚合物成型機理及其工藝模擬與優(yōu)化研究.pdf

1、高分子材料、木材、金屬和硅酸鹽并稱世界四大材料體系，是國民經(jīng)濟和國防建設中重要的生產(chǎn)材料。圍繞高分子材料，目前已形成了門類齊全的高分子材料加工工業(yè)體系并在國民經(jīng)濟中占有重要地位。擠出是高分子材料成型加工中一類重要工藝，通過擠出模具能夠模塑所有的熱塑性材料和某些熱固性材料，可以生產(chǎn)管材、板材、棒材、網(wǎng)材、單絲、薄膜、異型材、發(fā)泡型材、多種材料復合制品以及線纜等帶包覆層的工業(yè)制品。擠出成型過程中，受溫度、壓強、應力以及作用時間等變化的影響，

2、體系中聚合物熔體的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和化學結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。擠出工藝條件在很大程度上決定著材料的結(jié)構(gòu)和性能，并最終影響成型制品的外觀和質(zhì)量。 由于擠出成型過程影響因素較多，借助常規(guī)實驗方法，成本高且耗時費力。目前，圍繞聚合物擠出流動過程所開展的實驗研究大多在實驗室中完成，其實驗目的主要是從研究材料自身流變性出發(fā)，以簡單剪切和拉伸流動為測試模型。由于先進測試方法難以直接引入擠出工藝現(xiàn)場，普通測試方法又不可避免會對擠出加工流場中聚合物熔體流動

3、行為造成影響并導致大量系統(tǒng)誤差，因此，實驗方法只能定性但難以定量描述聚合物加工中的實際流變行為。數(shù)值模擬技術經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，其對于大規(guī)模復雜物理和工程問題的優(yōu)秀解算能力吸引了科研人員的目光，并逐步在力學、傳熱學、材料學等諸多領域得到廣泛應用，加快了現(xiàn)代科技發(fā)展步伐。 本文探討了數(shù)值模擬技術在聚合物流變學中的應用，研究了聚合物擠出成型過程的模型化理論和數(shù)值計算方法，構(gòu)造了能夠描述擠出過程中聚合物流變行為特點的物理和數(shù)學模型。通

4、過數(shù)值模擬技術，成功預測擠出加工流場中聚合物熔體的流動速度、應力和溫度等重要場變量分布特點及其變化規(guī)律，討論并分析聚合物的復雜流變行為及其成型機理。將成型過程數(shù)值模擬技術與現(xiàn)代優(yōu)化設計理論相結(jié)合，建立并運用相應的優(yōu)化模型和算法，實現(xiàn)成型工藝與制品質(zhì)量的優(yōu)化控制。 在聚合物流變學基礎上，結(jié)合流體動力學理論，建立了基于Euler描述的非牛頓流體三維非等溫流動數(shù)學模型。采用基于低階插值的罰函數(shù)有限元方法，成功避免了混合有限元方法中為穩(wěn)

5、定壓力項求解所采用的高階插值，從而有效利用運算資源，將求解空間擴展至三維。充分考慮了剪切速率和溫度變化對材料流動性的影響，采用非線性粘度模型，實現(xiàn)了流動與傳熱的耦合求解。通過線性化交替迭代算法，在迭代過程中實現(xiàn)非線性項的線性化，減小了初始變量分布對計算收斂性影響。采用流線迎風Petrov-Galerkin(SUPG)方法，通過構(gòu)造非對稱權(quán)函數(shù)來增大流場中來流上游效應，克服了標準伽遼金(Galerkin)方法在處理對流擴散方程時因?qū)α髡純?yōu)

6、所引起的數(shù)值振蕩問題。通過理論分析，推導了冪率流體圓管泊肅葉(Poiseuille)流動中的各場變量分布函數(shù)，將模擬與理論結(jié)果進行比較，以驗證該非牛頓流動數(shù)學模型與數(shù)值計算方法的可靠性。 本文所建立的非牛頓流體三維非等溫流動數(shù)值模擬技術不僅可用于分析一般非牛頓流動問題，在處理目前流動模擬技術難以預測的復雜工藝問題時也表現(xiàn)出較強的適應性?；谠摲椒?，本文首次針對一類新型復合共擠出工藝——異型材鋼塑共擠工藝過程開展了數(shù)值建模及其工藝

7、分析工作。根據(jù)其不同于常規(guī)擠出工藝的特點，建立了該工藝過程中聚合物成型的數(shù)學模型，通過模擬計算，得到聚合物熔體由測向?qū)胫翉秃铣尚驼麄€流動過程的速度、溫度、應力和壓力等各場變量的分布，掌握了聚合物熔體的流動特點與成型規(guī)律，討論了體積流量和鋼襯移動速度變化對各場變量分布的影響。定義流速分布相對均差作為判斷擠出流動平衡性的依據(jù)，模擬并得到不同導入角角度和分流段長度對擠出流動平衡的影響，分析結(jié)論可為實際異型材鋼塑共擠工藝設計提供理論指導與支持

8、。 擠出加工流場中的聚合物熔體除了具有非牛頓流動特性外，還表現(xiàn)出較強的彈性流動特點。針對該問題，本文建立了能夠真實反映成型過程中聚合物熔體粘彈流變特性的三維粘彈非等溫流動數(shù)學模型，構(gòu)造了穩(wěn)定的有限元數(shù)值求解方法并將其成功應用于聚合物擠出工藝模擬與分析中。采用PTT(Phan-Thien-Tanner)本構(gòu)模型描述聚合物熔體的粘彈流變行為，在反映聚合物熔體剪切流動特點的同時，能較真實地反映其拉伸流動特點?？紤]粘彈介質(zhì)特有的能量耗散

9、模式，在熱力學第一定律基礎上，根據(jù)非平衡不可逆熱力學理論首次推導了該粘彈介質(zhì)的能量守恒方程。將粘彈性附加應力張量作為有限元基本解，采用解耦方法實現(xiàn)了三維空間中速度場、溫度場和流動應力場的多物理場穩(wěn)定求解。將應力張量作為擬體力項處理后，動量方程會失去橢圓性并導致計算結(jié)果發(fā)散。通過分離粘彈分裂(DEVSS)方法，引入穩(wěn)定化因子對動量方程進行橢圓化處理，提高了速度場求解的穩(wěn)定性。采用非協(xié)調(diào)流線迎風(SU)方法克服了本構(gòu)方程在對流占優(yōu)時的數(shù)值振

10、蕩問題，實現(xiàn)了應力場的穩(wěn)定求解。通過對粘彈流體4:4:1收縮流動模擬結(jié)果與polyflow軟件模擬結(jié)果的比較，證明本文所建立的粘彈流動模型和數(shù)值計算方法的合理與可靠性。將該模型與方法成功應用于異型材擠出工藝過程模擬，討論了網(wǎng)格密度、罰數(shù)和能量分割系數(shù)等計算控制參數(shù)對模擬結(jié)果的影響。分析了中空異型材擠出過程中聚合物熔體的流動速度、溫度和應力分布，討論了加工流場中聚合物熔體的粘彈流動特點，獲得了工藝條件和口模結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對聚合物流變行為的影

11、響規(guī)律。 擠出脹大是聚合物擠出成型工藝中無法回避的一個問題。由于加工中聚合物熔體的粘彈流變特性，熔體離開口模時，形變回復等會導致聚合物熔體的擠出脹大，表現(xiàn)為擠出物截面形狀和尺寸發(fā)生變化，對擠出制品的尺寸和精度造成影響。本文在粘彈流動數(shù)值模擬技術基礎上，建立了聚合物熔體三維擠出脹大的數(shù)學模型和數(shù)值求解方法并編制了相應的有限元模擬程序。針對一種工業(yè)用低密度聚乙烯(LDPE)的擠出脹大問題開展了實驗及其數(shù)值模擬研究。通過控制應變流變儀

12、分別得到小幅振蕩剪切流動中儲能和耗能模量的分布以及穩(wěn)態(tài)剪切流動中剪切粘度和第一法向應力差的分布。采用非線性回歸方法擬合流變測量實驗結(jié)果，得到以PTT本構(gòu)模型表征的材料線性和非線性粘彈流變參數(shù)。通過間接測量，得到不同螺桿轉(zhuǎn)速時LDPE通過圓形口模時的出口擠出脹大比。采用本文所建立的聚合物擠出脹大數(shù)學模型及其數(shù)值求解方法，對實驗條件下LDPE的擠出脹大過程進行模擬，比較了擠出脹大比的實驗和模擬結(jié)果。通過擠出脹大數(shù)值模擬，進一步討論了LDPE

13、通過圓環(huán)口模時的出口擠出脹大問題，得到實驗中難以測得的流動速度和應力等場變量分布，可對擠出脹大特點及其形成機理進行定性與定量分析和預測。 聚合物擠出成型過程數(shù)值模擬是被動式的，實際應用中需依靠專業(yè)工程技術人員的智力、知識和經(jīng)驗，對計算結(jié)果進行分析、評價，然后修改設計。本文將擠出成型過程數(shù)值模擬技術與優(yōu)化設計理論相結(jié)合以實現(xiàn)成型過程與制品質(zhì)量的優(yōu)化控制。在成型過程模擬技術基礎上，提出了一種基于數(shù)值模擬、前饋神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法的聚合

14、物擠出工藝與模具優(yōu)化設計方法。根據(jù)擠出流動平衡原則，建立了以出口流動均勻性為目標，以工藝和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)為設計變量的優(yōu)化模型。通過成型過程數(shù)值模擬獲得目標函數(shù)值以建立訓練神經(jīng)網(wǎng)絡模型的樣本庫，采用反向誤差傳播算法進行網(wǎng)絡學習，建立用于預測隱目標函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，從而有效減小有限元模擬計算量。通過遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡的交互運算，得到優(yōu)化結(jié)果，使設計建立在科學分析的基礎上從而提高擠出加工工藝設計水平。探討了該優(yōu)化設計方法各模塊計算實施中的關鍵

15、技術問題，編制了聚合物擠出工藝與模具優(yōu)化設計程序。分別針對異型材鋼塑共擠工藝過程和片材擠出工藝過程進行優(yōu)化設計并達到相應的優(yōu)化目標。 數(shù)值模擬技術在聚合物加工工程領域的應用已成為計算流變學的重要分支之一。近年來，盡管流體力學數(shù)值方法取得了較大進展，但在處理復雜流動問題時，其解算能力仍受到流動區(qū)域和計算穩(wěn)定性的限制。尤其對于復雜工程與工藝問題，其數(shù)學建模和數(shù)值模擬關鍵技術研究鮮有報道。本文針對擠出加工流場中聚合物熔體非牛頓粘性和彈