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《中南大学》 2006年
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PIM充模过程的数值模拟分析及应用研究

郑洲顺  
【摘要】:本文用有限元分析软件ANSYS对PIM过程进行模拟,把分形混沌理论、两相流理论和边界层理论应用于PIM过程的研究,针对PIM充模流动过程模拟中亟待解决的一些问题进行了一系列的基础理论研究和数值模拟分析。 首先,以流体力学和热力学理论为基础,采用Euler法描述PIM充模流动,详细推导了充模过程的质量、动量和能量守恒方程,分析了喂料熔体的流变特性和本构方程,建立了PIM的连续介质模型,并给出模型在直角坐标系下的分量表示形式。根据流动边界条件和传热边值条件的数学描述,对基本控制方程的积分表达式进行推导,得出模壁边界流体是否满足无滑移条件,并不影响PIM连续介质模型有限元方程的推导和计算过程。根据Galerkin加权余量法对模型进行了离散化处理,形成有限元特征方程组,采用VOF方法追踪熔体流动前沿,给出了对离散化代数方程组进行有限元数值求解的算法。基于有限元分析软件ANSYS,对PIM喂料的粘度模型进行了二次开发,将ANSYS的模块功能进行扩充和系统集成,生成了专用于PIM充模过程模拟的模块,成功地将ANSYS应用于PIM过程的模拟。 其次,利用所开发的PIM过程模拟专用模块,对含绕流情况的PIM充模流动进行了多种组合模拟,结合实验研究经验和流体力学理论对模拟结果进行了详细分析。讨论了PIM工艺参数的变化对各种缺陷形成的影响,给出了利用数值模拟优化工艺参数的方法,用实例阐释了PIM模拟专用模块的使用方法和技巧。模拟结果表明,在PIM充模过程中,当熔体绕过内孔交汇时总是前沿中心最先相交,从而在内模壁边界附近形成气孔和空洞等缺陷。在绕流交汇区是否产生熔接线主要由交汇时熔体的温度和粘度决定,不同注射速度所形成的熔接线位置和形状及其变化过程也不同。若注射速度快,在绕流交汇区域形成气孔和空洞的可能性就大。复杂型腔和绕流内模壁的存在更容易形成喷射。因此,如果模具排气孔位置设计不当将不可避免地导致成形坯产生气孔和空洞等缺陷,用模拟结果指导模具设计是控制熔接线、气孔和空洞等缺陷产生的有效方法。由于内部粘性摩擦热的产生使某些局部区域的瞬时温度比喂料熔体初始注射温度还高,且局部区域最高温度的持续时间非常短暂,这有可能使粘结剂失效或材料性能改变而形成缺陷。当模腔接近充满时压力急剧增大,速度和粘度分布
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TF124.39

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