收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

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。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 陶;;PC-PVDC共挤出包装材料[J];浙江化工;1989年04期
2 周国龙;塑料多层复合管共挤出加工研究[J];上海塑料;1994年03期
3 吕静,陈晋南,胡冬冬;流率和牵引速度对两种聚合物熔体共挤出影响的数值研究[J];北京理工大学学报;2003年06期
4 于振海,冀京;共挤出吹膜的界面不稳定性因素[J];塑料科技;1997年03期
5 唐伟家;共挤出发泡高阻隔PP片材[J];上海塑料;1999年02期
6 吕静,陈晋南,胡冬冬;壁面滑移对两种聚合物熔体共挤出影响的数值研究[J];化工学报;2004年03期
7 江浩,唐伟枫;聚合物熔体轴对称共挤出流动的有限元计算[J];华东理工大学学报;1997年03期
8 朱文利,周南桥;共挤复合成型的界面不稳定性[J];中国塑料;2002年07期
9 王福彪,李军;塑料异型材双色共挤出技术[J];工程塑料应用;2004年03期
10 ;新型共挤出复合片材机组[J];合成树脂及塑料;2000年01期
11 李金林;;可共挤出的胶粘剂树脂[J];化工新型材料;1984年02期
12 赵军;;共挤出的丙烯酸浴缸制品[J];砖瓦世界;1985年20期
13 陈昌杰;共挤出复合薄膜用粘合性树脂[J];上海塑料;1994年01期
14 朱福海;;共挤出的聚酯薄膜[J];现代塑料加工应用;1994年01期
15 张敏;孙胜;贾玉玺;;基于有限元方法的聚合物共挤出界面形成过程数值研究[J];应用基础与工程科学学报;2008年05期
16 解挺,朱元吉,尹延国,王晓枫;塑料型材共挤出机的研制[J];安徽科技;1996年02期
17 ;简讯[J];工程塑料应用;2005年03期
18 张敏;孙胜;贾玉玺;;双层聚合物共挤出过程的数值模拟[J];高分子材料科学与工程;2005年06期
19 叶春葆;新的医用胶管共挤出生产线[J];橡胶技术与装备;1994年04期
20 朱元吉,解挺,尹延国;塑料异型材共挤出技术[J];化学建材;1995年03期
中国重要会议论文全文数据库 前6条
1 杜芹;郭少云;王明;李姜;沈佳斌;许双喜;;多层HDPE/PA6复合材料的相形态及其力学性能研究[A];2007年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(上册)[C];2007年
2 王明;彭波;郭少云;李姜;陈光顺;杜芹;沈佳斌;许双喜;;EPDM/PS交替多层复合材料的流变研究:界面滑移[A];2007年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(上册)[C];2007年
3 王明;郭少云;李姜;沈佳斌;许双禧;;共挤出法制备交替多层高分子复合材料[A];2006年全国高分子材料科学与工程研讨会论文集[C];2006年
4 涂志刚;吴增青;麦堪成;;阻隔性塑料包装薄膜的发展[A];中国包装技术协会研讨推广会暨塑料包装委员会第六届第三次年会论文集[C];2004年
5 朱军;杨明成;陈海军;刘克波;赵惠东;张传国;;γ—射线辐射对尼龙6复合薄膜性能的影响[A];第6届辐射研究与辐射工艺学术年会论文集[C];2004年
6 朱军;杨明成;陈海军;刘克波;赵惠东;;尼龙6复合薄膜的研制及其辐射改性研究[A];科技、工程与经济社会协调发展——中国科协第五届青年学术年会论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 张敏;双组分聚合物异型材共挤出过程的数值模拟研究[D];山东大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 陈会龙;PVC软硬双层共挤发泡板材配方及工艺研究[D];北京化工大学;2008年
2 尹智龙;聚合物气辅共挤成型数值模拟研究[D];南昌大学;2007年
3 梁斌;新型单机共挤螺杆挤出机的设计及分析[D];北京化工大学;2007年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 回颖;洋专家谈高阻隔软包装[N];中国包装报;2003年
2 国塑;阻隔性塑料包装薄膜处于较快增长期[N];中国包装报;2006年
3 本报记者 魏小刚 侯嘉;双鹤打造“大输液帝国”[N];医药经济报;2002年
4 本报记者 卫东;绿染宝鸡满目翠[N];宝鸡日报;2006年
5 艳平;意大利的吹塑膜技术有独到之处[N];中国包装报;2007年
6 ;以优良产品和优质服务取信用户[N];中国包装报;2003年
7 王君;更多的份额被领先者拿走[N];中国包装报;2005年
8 ;2004美国软包装成就奖开奖[N];中国包装报;2005年
9 ;印刷复合工艺点滴[N];中国包装报;2000年
10 北京印刷学院 刘尊忠;包装材料复合五大工艺[N];中国包装报;2002年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978