硅酮粉改性超高分子量聚乙烯及其熔体纺丝加工性能

针对超高分子量聚乙烯(PE-UHMW)熔体加工性能差的问题,应用硅酮粉,采用熔融共混方法对PE-UHMW进行改性,以提高其熔体加工时的流动性。通过扫描电子显微镜与能量色散谱(EDS)表征了硅酮粉在PE-UHMW中的分布,并采用熔体速率测试、旋转流变测试,分析了硅酮粉含量对PE-UHMW熔体流动速率与流变性能的影响。对改性后的PE-UHMW采用熔体纺丝法制备了PE-UHMW单丝,并进行了拉伸强度测试。实验结果表明,随着硅酮粉的增加,其分散性逐渐变差,PE-UHMW熔体流动速率随硅酮粉含量先增加后降低,当硅酮粉质量分数达到4%,其熔体流动速率最高,复数黏度与储能模量最低,5%质量分数的硅酮粉在PE-UHMW基体中团聚较明显,改性后的PE-UHMW熔体流动性降低。熔体纺丝实验结果表明改性后的PE-UHMW可以通过普通单螺杆挤出机熔融挤出初生丝,经超倍热拉伸可以制备高强度单丝。当拉伸倍率为36时,质量分数3%的硅酮粉改性PE-UHMW单丝拉伸强度最高,可达1565MPa。因此综合考虑加工性能与单丝强度,采用质量分数3%的硅酮粉改性PE-UHMW较合适。

基于Struik模型的聚乙烯管道蠕变行为分析

结合聚乙烯管道长期负载的变形情况,对其蠕变行为进行研究。基于管道的Struik模型进行回归分析,求得时间硬化蠕变模型参数,建立了有限元模型。对管材在不同压力、不同壁厚下的蠕变情况进行了模拟,并在恒定压力下进行了试验,分析了管道的蠕变规律。结果表明,对于实验中研究的φ110×1.6 MPa型号的聚乙烯管道,蠕变随压力的增大而增大,压力每增大0.2P_(N),蠕变量增大约0.5%;增大聚乙烯管道的管壁厚度,环向蠕变逐渐减小,当管壁厚度由5 mm增大至10 mm时,100 h内的环向蠕变量减少了11%;有限元模拟结果与实验结果基本一致。采用时间硬化蠕变模型可以有效地进行聚乙烯管道蠕变有限元模拟,对聚乙烯管道设计与工程应用具有一定的指导作用。

改性UHMWPE/HDPE加工性能及其熔体纺丝

采用硬脂酸钙(CaSt2)、氮化硼(BN)、含氟助剂(PPA)对UHMWPE/HDPE共混物在熔融状态下的挤出加工性能进行改性,并通过转矩流变测试和熔体流动速率测试,表征了以不同方式组合的3种助剂对共混物体系的协同改性效果。通过拉伸强度测试,研究了流动改性助剂对共混物单丝的拉伸强度的影响。研究表明,添加适量CaSt_(2)后,共混物的黏流活化能和加工扭矩分别降低了32.7%和1.1%,同时,共混物单丝最大拉伸强度增大至1236.61 MPa;随着BN或PPA添加量的增加,共混物加工扭矩逐渐降低;同时添加BN和PPA后,共混物加工扭矩下降至56.98 N·m,熔体流动速率可达1.51 g/10 min,而且,单丝的拉伸强度明显降低,最大拉伸强度仅能达到815.13 MPa。

马车螺栓镦锻成形微观组织有限元模拟

对304不锈钢的流变应力数据进行处理,获得了304不锈钢在改进的L-J位错密度模型中的应变软化参数、加工硬化参数和自扩散激活能等表征参数,建立了304不锈钢L-J位错密度模型,进而采用有限元方法对马车螺栓镦锻成形过程中微观组织变化开展有限元模拟,并将模拟结果与金相实验得到的微观组织进行对比分析。结果显示,304不锈钢马车螺栓成形过程中,螺栓头部晶粒被压扁、拉长明显,方颈部位晶粒也有一定程度的细化,而杆部晶粒变化不明显;螺栓成形后,6个样品区的应变分别为2.03、2.32、0.48、0.64、0.03和0.05,其中,螺栓头部内外侧平均晶粒尺寸分别减小了约31.3%、33.5%,而硬度分别提高了约35.9%、40.8%,方颈部位内外侧平均晶粒尺寸分别减小了约23.5%、26.2%,而硬度分别提高了约24.5%、30.2%,杆部外侧平均晶粒尺寸略微减小,硬度略微增加;模拟的平均晶粒尺寸比实验的平均晶粒尺寸要小,晶粒分布更密集,但误差水平大体一致。

连续玻璃纤维增强PE复合管新型接头的设计

以连续玻璃纤维(GF)增强聚乙烯(PE)复合管为研究对象,设计了一种适用于复合管道的新型非金属管道接头,该接头采用对焊和热熔缠绕的方式对管道进行连接,通过理论公式计算了管道接头处的接头厚度和GF带缠绕长度。建立了内压载荷下管道接头的有限元模型,对接头处的受力和流体流动情况进行模拟分析。模拟结果表明,GF带与管端接触的截面受力最大,最大应力出现在增强层。管道接头处的最大应力为环向应力,除最外层外,管道接头处各层受力由内向外呈现递减趋势。接头等通径的设计能够有效避免接头处物料粘结和应力集中的发生。对新型管道接头进行静液压实验,验证了管道接头的安全性与可靠性。

铰链式带锯床锯架结构分析与优化

采用有限元方法对某型号铰链式带锯床锯架结构的静态特性进行了模拟分析,分别获得了张紧状态和锯切状态下锯架的应力应变分布规律,分析了锯架的变形情况,发现该锯架在从动轮侧存在应力集中现象,最大应力为159.02 MPa,超过了材料的许用应力。设计并进行了检测试验,根据数值模拟结果在锯架表面选择了8处测点,测试结果与数值模拟结果吻合较好,最大误差不超过10%,验证了有限元模拟结果的准确性。以模拟结果为依据对应力集中部位进行形状优化,优化后锯架的最大应力减小到59.11 MPa,安全系数达到4.2,符合高可靠性设计要求。结果表明,该优化方法对带锯床锯架的设计和优化具有指导意义。

基于DEFORM-3D的空心铝型材挤压过程有限元分析

运用DEFORM-3D软件对矩形方管空心铝型材的挤压成形过程进行了数值模拟分析,研究了6061铝合金矩形管平面分流模挤压过程金属的流动规律。给出了挤压成形过程中变形材料的流动速度、应力、应变、温度的分布,为该类产品在成形过程中提高加工精度、减少应力集中、延长模具的使用寿命等提供了依据。

塑料容器等温吹塑成型计算机模拟

针对等温吹塑成型工艺,建立了几何模型。基于粘度对剪切速率依赖性模型的材料,通过在Polyflow模拟软件中建立任务,利用网格重置技术,进行了计算机模拟分析,获得了型坯在吹塑过程中的厚度变化、型坯与模具的接触时间分布以及吹塑压力对吹胀时间和壁厚的影响,对容器生产过程中壁厚的控制有一定的指导作用。

连续玻纤/PE增强复合带弹性参数计算方法

为研究连续玻纤/PE增强复合带的弹性性能,建立了连续玻纤/PE增强复合带模型,并对其材料及结构提出了基本假设,在此基础上采用理论公式法求解了复合带的弹性参数.建立了复合带在单向拉伸状态下的有限元模型,对玻纤与PE进行了位移耦合处理,求得了复合带沿玻纤长度方向的弹性模量,该结果与理论结果吻合很好.通过拉伸实验获得了复合带玻纤长度方向与带宽方向的弹性模量,带宽方向的弹性模量与理论结果吻合;而在玻纤长度方向上,由于加工工艺、材料状态等与假设条件之间的偏差,以及实验测试过程中存在的误差,其弹性模量与理论解、数值解相比偏低.

稳态三维不可压缩流体非等温有限元模拟

针对幂律型流体,建立了稳态三维粘性不可压缩流体非等温流动的有限元模型。采用罚有限元法将连续性方程引入到动量方程,获得了速度场分布。能量方程采用SUPG(stre-amline upwind/Petrov-Galerkin formulation)方法构造非对称权函数,克服了对流项占优时数值解的失真现象,获得了稳定的温度场分布。以幂律型流体本构关系计算了剪切速率对粘度的影响,采用Arrhenius模型计算了温度对粘度的影响。以幂律型流体矩形截面稳态收敛流动为例,计算了区域内流体的速度和温度分布规律。计算结果表明,经过有限次迭代可获得合理速度场分布,在能量方程出现对流项占优的情况下,即便采用较粗的网格划分,仍能获得稳定的温度场分布。

旋轮设计与制造的若干关键技术问题

分析了旋压成形工艺,总结了旋轮的工作状态和失效形式;分析了旋轮用钢的选取、热处理方案制定、旋轮形状优化的一般原则,并给出了相应的建议;采用有限元方法对旋轮进行了静力分析,获得了旋轮的应力分布规律,揭示了旋轮断裂的路径;结合生产中旋轮的断裂实例,将理论研究应用于裂纹分析,成功解释了裂纹的起源和扩展路径。研究表明,为获得高性价比的旋轮,需在理论研究的基础上综合考虑多方面的关键技术问题。

聚合物T型材挤出成型过程有限元模拟

本文采用聚合物加工理论和有限元方法,建立了聚合物异型材挤出模拟的有限元模型,模拟了聚合物T型材挤出成型过程,获得了聚合物熔体在模具内的速度场、温度场、压力场和应力场分布,分析了模拟结果对成型过程的影响,预测了成型过程中可能出现的缺陷,给出了模具和工艺设计的合理化建议。模拟结果揭示了聚合物T型材挤出成型过程的一般规律,对于模具和工艺设计具有直接的指导作用;所建立的数学方法和获得的模拟结果对于聚合物异型材挤出具有通用的指导意义。

PE-UHMW异型材挤出成型有限元模拟与实验制备

根据生产需求,设计了3字形超高分子量聚乙烯(PE-UHMW)异型材挤出成型流道,并建立了该异型材挤出成型有限元模型,应用有限元软件Polyflow对挤出流道内的熔体流动情况进行了有限元模拟,分析了不同壁面滑移系数、压缩比、压缩角对成型过程的影响,预测了在成型过程中不同参数可能导致的缺陷。结果表明,当模具压缩比与压缩角分别为2.5和25°、壁面滑移系数为5×106情况下,可获得较好的压力与速度分布,应用优化后的挤出模具制备了合格的PE-UHMW异型材。

PET薄膜挤出成型有限元模拟和阻流分析

设计了厚度为0.12mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜衣架式挤出流道,使用有限元软件模拟了聚合物熔体的流动规律,获得了流道内部的压力场、速度场和温度场的分布,分析了阻流设计对流场的影响。研究表明,流道结构对压力分布影响显著,对速度、温度分布影响不明显;流道阻流部分尺寸较小的改变,会引起流道内部熔体压力较大的变化,易导致挤出成型过程的不稳定,从而显著影响产品质量。此外,挤出流量对流场压力分布影响很小。

超高摩尔质量聚乙烯薄膜挤出成型有限元模拟

建立了超高摩尔质量聚乙烯(UHMWPE)薄膜熔体挤出成型有限元模型,采用鱼尾式机头设计了厚度为1mm、幅度为100 mm的UHMWPE薄膜挤出模具,基于有限元软件Polyflow对挤出流道内熔体的流动开展了有限元模拟,采用不同几何模型分别获得了流道内熔体速度和压力的分布规律。分析了有无阻流块、有无稳流区和不同长度成型区对流动的影响,获得了阻流块高度、稳流区长度、成型区长度对挤出成型的影响规律和影响效果,对UHMWPE薄膜挤出口模设计给出了建议。

钢塑共挤模具分流段成形过程数值模拟

以聚合物挤出过程模拟的罚有限元模型为基础,采用VC++语言自主开发了模拟软件,对Carreau流体在钢塑共挤模具分流段的流动过程进行模拟,获得模具内聚合物熔体的三维速度场分布,采用SUPG方法求解能量方程,在对流项占优的情况下获得温度场的分布,分析不同体积流量对速度的影响。结果表明实例分析给出钢塑共挤模具内流场的一般规律对模具设计具有一定的指导意义。

超轻薄优盘注塑成型过程有限元分析

本研究利用有限元分析软件Moldflow,对超轻薄优盘的注塑成型过程进行了模拟分析,预测了塑件的最佳浇口位置、浇注系统的平衡性、熔接痕的强度、冷却系统的冷却效果以及塑件的翘曲情况。针对分析中出现的问题,提出了相应的优化方案。在此基础上,开展了模具的制造,取得了满意的效果。本研究对同类产品的精密注塑模具设计具有一定的指导作用和参考价值。

材料成型及控制工程专业培养方案改革探索与实践

材料成型及控制工程专业是教育部在20世纪90年代进行高等学校本科专业调整时设立的一个本科专业,该专业涵盖了原来的铸造、锻造、焊接等材料加工类老专业的工艺及设备内容。笔者通过调研与总结现阶段材料成型及控制工程专业教学实践,分析了目前培养方案实施中的关键问题,制定了本专业的专业特色,阐述了教学内容和课程体系改革与建设的总体思路,强化了专业主干课程与实践教学环节,从而较为科学地解决了培养应用型、技能型、创新型人才所面临的问题。

材料成型计算机模拟本科教学的若干问题与对策

本文对材料成型及控制工程专业计算机模拟(CAE)教学实施过程进行了研究,分别从理论和软件教学方面入手,解释了教学过程中遇到的一些问题,并给出了解决的措施。研究表明,为获得良好的教学效果,在落实基本的教学内容基础上,还需要在学生的思想动态、专业英语、实训等方面加强指导。

钢塑共挤模具导入角变化对聚合物熔体流动行为影响的数值模拟分析

以聚合物挤出过程有限元模型为基础,采用自主开发的有限元分析软件对幂律型流体在钢塑共挤模具分流段的流动过程进行了非等温模拟,获得了聚合物熔体在模具分流段内的速度场和温度场分布;分析了导入角变化对聚合物熔体流动行为影响的一般规律。结果表明:仅考虑导入角变化对流动行为的影响时,速度场和温度场的分布趋势基本不变;在垂直于流动方向的截面上的速度分布和在流动区域内的最大温升会略有改变。给出的如何合理选择导入角度的建议,对模具设计与优化具有一定的指导意义。