高聚合物在双螺杆挤出机中预热融化过程的数值模拟

建立双螺杆挤出机预热起动时包括机筒、高聚合物和螺杆在内的非稳态传热模型,用于预测挤出机的温度变化和分布,以及螺槽中的高聚合物融化情况。数值结果表明,受加热通道分布的影响,总体上机筒中部的温度和靠近加热通道的高聚合物温度较高,高聚合物融化越快。"8"字孔内表面、高聚合物和螺杆的平均温度随预热时间的增加而升高,"8"字孔内表面的温度在预热初期上升最快,在预热末期最先达到稳态,而螺杆的温度变化趋势与"8"字孔内表面温度变化趋势相反。与温度变化相协同,高聚合物在机筒内的融化速率随预热时间逐渐减小。研究结果对机筒加热通道的设计和优化,以及准确预测安全预热时间具有指导意义。

注射模充模流动和传热过程的理论与算法

从粘性流体力学的质量、动量和能量方程出发 ,针对塑料注射成型特点 ,基于量纲分析 ,建立了适合于充模分析的数学模型。控制方程的求解主要包括三个阶段 :压力场、温度场和流动前沿位置的确定。数值求解采用有限元法求解压力场、有限差分法求解温度场、控制体积法确定流动前沿位置 。

三螺杆挤出机挤出特性的数值模拟

利用计算流体力学的方法对聚合物熔体在三螺杆挤出机中的流动规律进行了数值模拟,分析了物料在三螺杆中心区的流动和混合情况。通过速度和压力分布,计算了三螺杆挤出机的螺杆挤出特性参数,并和双螺杆挤出机进行对比分析。结果表明,由于中心区环流的存在,延长了物料在三螺杆挤出机的停留时间分布。三螺杆挤出机在分布性混合、分散性混合、能耗等方面均好于双螺杆挤出机,而产能比又为双螺杆挤出机的1.3倍。三螺杆挤出机具有较好的工程应用前景。

矩形收敛流道内聚合物熔体三维等温幂律流动的数值模拟

本文利用罚有限无法 ,采用幂律本构模型 ,对聚合物熔体在矩形收敛口模内的三维等温流动进行了数值模拟。对于幂律模型 ,即使流量非常大 ,经过有限次迭代 ,计算都能够收敛 ,并得到合理的结果。流量越大 ,则主流动方向的流速从流道入口至出口加速上升的趋势越明显。在流道中心呈现拉伸流动 ,而壁面附近则为剪切流动。流道的中心部位存在比拉伸应力更大的第一法向应力差。在同一横截面上压力并不相同 ,因此以往关于在同一横截面上的压力恒定的假设是不恰当的。采用罚有限元法 ,速度场很小的误差就可能导致压力求解较大的误差 ,而且在流道壁面附近这种误差表现得特别显著 ,因此用罚有限元方法求解压力场有较大的局限性。

基于黄金分割法的聚合物熔体黏度模型数据拟合

注塑成型加工过程数值模拟广泛使用聚合物熔体的黏度模型,其数据拟合是一项重要工作。为降低传统迭代算法对初值的严苛要求,消除迭代过程中可能出现的病态矩阵现象,提出基于黄金分割法的拟合算法。拟合采用直接搜索法,不需要对目标函数进行求导运算。搜索过程分轮次进行,每一轮搜索在一组正交的可行方向上依次进行。在每一个可行方向上,利用黄金分割法在一个参数区间内进行一维非线性搜索。搜索区间的持续缩小,以及目标函数值的非增性,保证了算法的收敛性。以当前最优点为中心的搜索方法有利于发现更优的极小点,从而提高拟合精度。此外,针对Cross-Arrhenius黏度模型,给出一套简洁的初值计算公式,可为该模型的各种拟合算法提供合适的初值。算例表明,算法适用的初值范围广,拟合精度高于阻尼Newton法和遗传算法,而且能对其他算法的拟合结果进行二次优化。算例的计算机用时仅需数秒即可。

聚合物熔体在L型异型材挤出口模内三维粘弹流动数值模拟

利用罚函数有限元法,采用PTT粘弹模型,对聚合物熔体在L型异型材挤出口模内的三维等温流动进行了数值模拟,得出了不同挤出量下的速度和应力分布。结果表明,流速在成型区内并在其入口附近达到其在口模内的最大值;剪切应力在成型区内并在其入口附近明显持续上升,达到其在口模内的最大值后迅速回落;第一法向应力差在过渡区内并在其出口附近达到其在口模内的最大值,此后在过渡区和成型区的结合面两端近距离内急剧下降,因此成型区和过渡区接合处是熔体流动不稳定的发源地;口模内最大剪切应力和最大第一法向应力差均随挤出量的增加而近似呈线性上升,而不会急剧增加。

熔喷非织造衣架型模头中聚合物流动数值模拟

熔喷非织造设备中聚合物熔体分配流道主要采用衣架型模头,衣架型模头的设计对于熔体分配的均匀性乃至最终产品的均匀性至关重要。采用二维有限元方法对熔喷非织造衣架型模头中聚合物的流动进行了数值模拟,研究了衣架型模头的几何参数和流体特性对速度场的影响。结果表明:随着歧管倾斜角度和成型面高度的增大,模头出口处流率分布的均匀性逐渐提高;模头出口处流率分布还受流体幂律指数的影响,即针对某一幂律指数设计的衣架型模头,无论幂律指数增大还是减小,模头出口处流率分布的均匀性都将趋于恶化。

振动力场下圆管内聚合物熔体速度场的数值模拟

利用ANSYS-FLOTRAN有限元分析软件模拟了不同振动频率下圆管内不可压缩幂律流体非定常流动的速度场。结果表明:1)振动力场作用使熔体在入口附近出现速度突变,振动频率越高,突变越厉害,速度值越大,稳定时圆管的无量纲长度越大;2)熔体轴向速度在径向呈类抛物线分布,振动频率存在最佳值,大于或小于最佳振动频率,熔体轴向速度分布范围均会变宽,流动变得不稳定;3)出口处速度响应存在时间延迟和速度峰,随着振动频率的增加,速度峰值升高,稳定时熔体轴向响应速度波动范围变宽,波动平衡点速度值升高。

聚合物熔体矩形流道挤出胀大的数值模拟

运用Picard迭代格式的有限元方法,采用Wagner积分型本构方程对黏弹流体挤出胀大进行三维模拟分析。每次迭代根据新的自由面边界位置重新划分网格,由前一次迭代得到的速度场,算出单元高斯点流线,沿流线积分计算应力,把应力作为拟体力,建立非线性方程组迭代格式。对不同宽度和长度的矩形流道的挤出胀大进行模拟计算,分析了流道宽度和长度对胀大率的影响。结果表明,随着宽厚比的增加,厚度胀大率随之增加;随着流道长度的增加,胀大率逐渐下降。该结果与二维狭缝流道的数值模拟和实验结果比较表明,用该方法对黏弹流体挤出胀大流动进行三维模拟是可行的和准确的。

薄壁气体辅助注塑件气体穿透过程的研究

基于气体穿透实验技术的研究分析 ,针对气体辅助注射成形中气体穿透气道的复杂过程 ,对薄壁气辅注塑件沿圆形截面气道穿透推进并形成模壁表层熔体的充模流动过程进行了研究。通过引入合理的简化和假设 ,建立了反映充模流动压力梯度、材料性能、表层熔体厚度比、非牛顿指数等影响因素的计算穿透速度和时间的数学方程 ,对气体注射压力、熔体温度、非牛顿指数影响气体穿透充模过程进行了实例数值模拟研究。结果表明 ,增大气体注射压力 ,其气体穿透方向所形成的表层熔体厚度比值也增大 ,降低熔体注射温度和非牛顿指数会增大气体穿透的壁厚值 ,其值接近国外试验测定值 ,也比较符合实际的气辅注射成形工艺结果。

振动作用下单螺杆挤出机内聚合物熔体的流动

提出了一种求解二维耦合流场的有限差分数值模拟新方法 ,避免了求解压力Poisson方程 .对振动力场作用下聚合物熔体在单螺杆挤出机螺槽内的流场进行了数值计算 ,得到了不同时刻螺槽内聚合物熔体的流动速度与剪切应力分布 .结果表明 ,振动将导致螺槽内聚合物熔体的流动速度与剪切应力周期性变化 ,当振动扰动系数较大时 ,螺槽展开方向甚至会出现瞬时压力反流 .最后 ,通过剪切应力的分布曲线证明本研究所得结果的正确性 .

用PSM模型模拟聚合物熔体的长口模挤出胀大

以作者提出的模拟黏弹流体挤出胀大流动的方法为基础,计算了IUPAC-LDPE熔体经过长圆形口模的挤出胀大.计算结果同文献的报道基本一致,表明作者提出的方法适于黏弹聚合物熔体的挤出胀大模拟.

L型异型材挤出口模内聚合物熔体三维等温幂律流动的数值模拟

利用罚有限元法,采用幂律本构模型,对聚合物熔体在L型异型材挤出口模内的三维等温流动进行了数值模拟,分析了口模内熔体流动的速度场和应力场。分析表明:L型异型材挤出口模截面不能简单视作两矩形截面的几何组合,因为其上有三个特征流动区;过渡区对熔体在口模内的流动有非常大的影响,它不但影响成型区熔体的流动,而且对稳流区熔体的熔体的流动产生一定的影响;此外,因为在过渡区产生了熔体拉伸取向,需要一定的成型区长度使高分子链段充分松弛。

夹芯注最小壳层预填充量的预测及其误差分析

顺序共注射模塑中的芯层熔体前沿冲破是造成共注制品报废的重要原因之一,合理控制壳层预填充量可预防此现象发生。从运动学角度探讨芯层熔体冲破的影响因素,建立预测最小壳层预填充量的方程,并在Moldflow平台上进行验证。发现芯壳层熔体黏度比R较小时,该方程的预测值相对数值模拟结果偏大;反之亦然。

嵌入式行星螺杆挤出机内流场混沌行为研究

基于有限体积方法,对嵌入式行星螺杆挤出机内流场进行了三维等温数值模拟。通过简化的物理模型来模拟螺杆的几何结构,使用用户自定义程序设定了行星螺杆运动的边界条件。分析了挤出机螺槽内压力和速度的分布;使用粒子追踪技术观察了螺杆内流体运动轨迹和粒子分布规律;对粒子在螺杆内的停留时间分布进行了统计。结果表明行星螺杆对流体运动产生了周期性扰动。初始位置在一起的两个粒子,终点位置却相距很远。示踪粒子的具有对初始敏感的混沌特性,粒子的运动轨迹具有无序性,说明流体存在着混沌效应。

基于Cross方程的IUPAC-LDPE熔体挤出胀大的数值模拟

挤出胀大是聚合物挤出成型加工中的常见问题。文中数值模拟了用Cross模型表征的IUPAC-LDPE熔体经过长圆口模的挤出胀大流动,计算采用的是基于常规四边形单元的有限元法。广义牛顿流体模型中的Cross模型能较好地描述IUPAC-LDPE熔体的剪切黏度稀化特性,但该方程不能预测出与挤出胀大实验相近的挤出胀大比,同时该方程预测的出口压力损失基本上为常数。本文的结果表明工程上常用的Cross型广义牛顿流体模型不能用于分析和预测真实聚合物熔体的挤出胀大行为。

聚合物固体粒子在熔体中的流动和传热数值分析

对螺杆挤出机螺槽建立了准三维的流动和传热模型,模拟了聚合物固体粒子在熔体中的流动、受热、温升和熔融行为;采用横纵向截面研究了聚合物固体粒子的速度和温度随时间的变化情况;通过计算得出了固体粒子熔融所需要的时间以及流场总能量增量中外部传热和内部黏性耗散生热所占的百分比。结果表明,机筒传热和黏性耗散对系统能量增加的贡献为3.68∶1。

模拟技术在吹塑型坯成型中的研究进展

介绍了模拟技术在吹塑型坯成型中的研究和发展状况 ,针对型坯成型过程 ,对国内外学者进行数值分析的方法和理论依据进行了论述 ,着重论述了神经网络方法。并指出型坯成型是吹塑过程的核心 ,是一个受聚合物材料性能、熔融温度。

聚合物熔体在曲线型异型材挤出口模内三维粘弹流动数值模拟

利用罚函数有限元法,采用PTT粘弹本构模型,对聚合物熔体在C形和Y形截面异型材挤出口模内的三维粘弹流动进行了数值模拟。在相同挤出流量下,得到了口模内不同截面上的速度和应力分布。对模拟结果的分析表明:异型流道中存在的突出棱角会使局部流道截面的有效流动面积减小,产生收敛效应,收敛角越大,收敛效应越强。因而要保证熔体稳定流动,过渡区与成型区流线必须平滑连接;异型流道中不同的部位熔体所受的剪切和拉伸应力都有所不同,熔体受力历史差异可能导致制品质地不均匀,挤出口模设计中必须考虑熔体受力史。

夹芯注壳层熔体最小预注量的计算与验证

在夹芯注射成型中为了更多地填充价格较低的芯层材料,需在不发生芯层熔体前沿冲破的前提下,找到壳层熔体最小预注量。从运动学角度探讨芯层熔体前沿冲破过程,建立了快速计算壳层熔体最小预注量的数学方程;利用Co-Injection模块,针对具体塑料件进行试验验证,并利用二次迭代法可大幅减少计算值与实际值的偏差。