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《山东大学》 2007年
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双组分聚合物异型材共挤出过程的数值模拟研究

张敏  
【摘要】: 聚合物共挤出加工工艺是20世纪80年代初开始应用的一种挤塑复合成型技术,它能够使多层具有不同特性的物料在挤出过程中复合在一起,使制品兼有几种材料的优良特性。这些具有综合性能的复合材料有极广泛的应用价值。目前共挤出技术己被用于复合薄膜、板材、管材、异型材和电线电缆的生产。在聚合物共挤出加工过程中,共挤出模具设计是关键环节之一,利用数值计算技术可以模拟聚合物在挤出模流道内的流动过程,据此分析模具结构及工艺的合理性,为模具设计及工艺参数的确定提供理论基础。 本文以高聚物流变学为理论基础,对非牛顿流体共挤出流动过程的有限元模拟技术进行了研究,给出了有限元方法求解的技术路线;以矩形流道为例,模拟分析了共挤出流动及挤出胀大的流动规律,研究了材料特性、共挤出的工艺条件及模具结构对共挤出界面和挤出胀大的影响;模拟了五种具有复杂界面的复合异型材共挤出过程,分析了复杂界面的形成;研究了共挤出模具设计CAD系统的关键技术和参数化建模技术,开发了双层管材共挤出模具设计CAD系统,建立了聚合物共挤出模具设计CAD/CAE集成系统。 首先针对聚合物共挤出流动的特点,建立了粘弹流体三维共挤出流动的有限元模型,研究了聚合物共挤出流动有限元模拟的关键技术,给出了有限元分析的总体技术路线。根据粘弹流体耦合格式有限元计算的基本方程,提出了在求解基本方程的过程中,对应力采用粘弹分量格式(EVSS),以简化求解,采用对动量方程中的对流项进行迎风修正,形成非协调流线迎风有限元格式(SU)的方法解决对流项占优时数值解振荡问题;研究了共挤出过程数值模拟中所涉及的自由边界问题,分析了计算自由边界条件所需要的运动学条件和动力学条件,给出了自由边界问题的求解步骤;提出了用参数渐变算法逐渐逼近收敛值的思路,通过计算证明该算法是解决聚合物共挤出流动模拟非线性问题的有效方法。 以矩形口模为研究对象,研究了共挤出成型过程中聚合物熔体的流动规律。分别用幂律流体模型和粘弹性流体PPT模型描述聚合物熔体的材料特性,考虑熔体与模具壁面的相对滑移,建立了聚合物熔体在全流道(包括入口平流区、收敛流动区、共挤出流动区)的有限元模型;通过数值计算,获得了速度场、剪切应力场、压力场、温度场、粘度场等;根据计算结果重点分析了材料特性(包括剪切粘度、幂律指数、松弛时间等)、共挤出的工艺条件(包括总入口流量、流量比、温度、牵引力)及模具结构(包括模具收敛角、共挤出流道的长度和流道表面光滑程度)对共挤出界面的影响。结果表明:由于模具壁面的约束作用,在挤出模具流道内部,聚合物的弹性表现得并不充分,两种聚合物熔体剪切粘度和幂律指数是决定界面形状和位置的重要参数;在流道内部可以用广义牛顿流体模型表达熔体特性。在挤出工艺参数中,总入口流量和流量比是导致共挤出界面位置变化的决定性因素。在模具结构参数中,共挤出流道的长度和模具壁面光滑程度对界面有重要的影响,根据计算结果得到了方形流道共挤出段长度与高度比的取值范围;而模具入口收敛角对界面的影响不大,在实际生产中为了模具制造和共挤出机布置的方便,可采用圆滑过渡的90°入口角。 建立了矩形共挤出流道及挤出胀大区的三维有限元模型,并模拟了非牛顿流体的共挤出流动过程,获得了挤出胀大区的速度场、剪切应力场等。对有限元模拟的数据结果进行再处理,计算了挤出胀大率和可恢复弹性形变。有限元模拟结果显示:聚合物在离开方形口模后,熔体高度方向的挤出胀大率明显大于宽度方向的胀大率,且两种熔体的挤出胀大率不同,熔体术端截面形状为不对称的鼓形;在挤出胀大段,共挤出界面的形状和位置会发生变化。根据模拟结果,定量地分析了材料粘弹性参数、挤出工艺参数以及流道形状对挤出胀大率的影响。结果表明:粘弹流体在矩形流道内流动时,剪切粘度和松弛时间对挤出胀大率有很大的影响。入口流量比对挤出胀大率的影响与共挤出流道的长度有关。在入口流量不变的前提下,共挤出流道的长度越大,挤出胀大率就越小;但当共挤出流道长高比达到10以后,挤出胀大率接近恒定值:共挤出成型区会导致可恢复弹性形变的衰减,但同时将使流道的压力损失增大,最佳的流道几何形状应是压力损失计算和可恢复弹性形变计算相匹配的结果。随着模具表面光滑程度的提高,两种流体的挤出胀大率均显著减小;流道入口收敛角的变化对挤出胀大率影响不大。 目前异型材共挤出工艺参数主要依靠经验和多次试模来确定,费时且成本较高,而随着产品更新速度的加快,很多时候无现成的经验可循。本文采用数值模拟的方法对五种具有复杂界面的共挤出型材(复合挤出管材、复合挤出对接棒材、复合挤出偏心棒材、表面包覆空心异型材、嵌入式共挤出异型材)的挤出过程进行了三维数值模拟,得到速度场、压力场、剪切应力场等,分析了共挤出异型材中复杂界面(圆柱形界面、平界面、丌口梯形界面、嵌入式界面)的成型过程,将数值计算结果与实验结果进行了对比。结果表明数值模拟得到的界面形状与实验结果一致。同时通过分析指出确定工艺参数时应首先根据材料的特性(主要是两种聚合物的剪切粘度)和型材截面形状确定合理地入口流量比,然后再根据设备性能、熔体允许的压力降等条件确定两种熔体的入口流量。 建立了聚合物共挤出模具CAD/CAE集成系统,为数值模拟技术与生产实际相结合提供了平台。研究了聚合物共挤出模具设计CAD系统的关键技术和主要功能,开发了双层管材共挤出模具设计CAD系统。该系统可以在人机交互状态下进行工艺分析与三维模具设计,选择模具中各零件的结构,系统自动完成工艺参数和主要模具结构参数的计算,最后生成模具的三维造型和工程图。在CAE系统中,可以实现流线型流道的参数化造型和有限元模拟,并根据数值模拟结果对共挤出流道结构进行优化设计。以LDPE/PS双层管材共挤出模具设计和软硬共挤异型材的挤出流道优化设计为例说明了系统运行的可行性。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TQ320.663

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