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气体辅助注射成型充填/后充填过程流动数值模拟

李倩  
【摘要】: 气体辅助注射成型(Gas-Assisted Injection Molding)是在传统注射成型基础上发展起来的一种新的聚合物加工方法。与传统的注射成型不同,它是在向型腔内注入一定量的熔体后,用气体取代熔体继续注入型腔,形成中空注塑件。气体辅助注射成型工艺在成型大型、超厚或超薄塑件(如汽车面板、保险杠,冰箱、彩电等汽车和家用电器)方面具有极大的潜力和市场。被称为塑料加工业的未来技术。 充填/后充填是气体辅助注射成型过程的一个重要阶段,该阶段从熔体注射开始,经历气体注射(含首次气体穿入和二次气体穿入),到气体保压压力撤除为止,其中涉及高聚物熔体和高压气体两相流动和气—熔界面问题,这一阶段的温度变化范围大,压力变化幅度大,伴有相态变化,熔体具有可压缩性,较之传统注射成型其熔体流动行为更复杂。同时,由于成型过程引入了许多新的工艺参数,如气道的设计、注气点位置、熔体注射量、注气延迟时间、气体压力和气体注射时间等,这些工艺参数间的相互干扰和制约也比传统注射成型更明显,传统的经验和技巧已远不能有效而准确地对该成型工艺的充填过程中熔体流动和气体穿透进行控制,更不能确保气体辅助注射成型制件的最终质量与性能。采用数值方法实现对气体辅助注射成型过程的仿真和分析,可突破传统经验的束缚,为工程实际提供一个以科学定量和科学分析为基础的实用技术手段,对于提高气体辅助注射成型技术的应用水平具有重要的科学意义和应用价值。 本文利用流变学、热力学、计算力学等知识,从粘性流体力学的基本理论出发,对气体辅助注塑成型过程的充填/后充填阶段的物理过 程进行充分剖析,通过对熔体一气体两相流动的深入研究,提出了合 理的假设和简化,将成型过程视为气体-熔体两相流体的瞬态流动,不 计气体传递过程中的压力损失,认为熔体一气体边界处压力分布均匀, 气体对熔体的作用通过施加在熔体/气体边界上的边界条件来体现,结 合工程实际中气辅成型制件的特点,将熔体在模具中的流动分为扁平 薄壁型腔中的流动和圆管中的流动两种情况来讨论。对于熔体在气道 .部分中的流动,则根据气道宽度和厚度方向比值的不同,分别按上述 两种情形处理。 基于上述理论和方法,建立了气体辅助注射成型充填/后充填过 程统一的数学模型,从而将气辅注塑充填/后充填阶段的熔体流动模拟 归结为一组关于压力和温度的偏微分方程的求解问题。在建立材料模 型时,考虑了温度、压力及剪切速率对粘度的影响,采用Cross-WLF 粘度模型和双域Tait模型描述熔体密度的变化,并将比热和热传导率 都作为温度的函数处理。对于结晶型聚合物,考虑了转换温度附近密 度、比热的突变对成型过程的影响,采用有限元/有限差分混合法求 解压力方程和能量方程,即在流动平面内(流动方向上)各待求量用 有限元求解,而各待求量在型腔厚度方向(圆管径向)的分布及时间 “变量采用有限差分法求解,在单元结点处对能量方程进行求解得到温 度分布,用伽辽金加权余量法对压力控制方程离散并用松驰迭代活求 解得到压力分布。 对于气体辅助注射成型中移动边界这一关键技术问题,本文采用 控制体积法跟踪气体一熔体边界和熔休前沿两类移动边界,并引用厚 度比因子和充填因子两个无量纲系数来描述充填/后充填阶段型腔内 熔体-气体空间分布和型腔总的充填程度。为实施对两类移动边界的跟 J 踪,定义了六类结点:入口结点、熔体内部结点、熔体前沿结点、气 体结点、熔体-气体边界结点和空结点,最终计算出型腔中熔体和气体 的分布状况。 通过对充填/后充填阶段的物理描述与数值计算,给出了预测可 压缩非牛顿高聚物熔体在模腔中的瞬态非等温充模、压实过程中各种 物理场的变化及熔体前峰面位置和形状的模拟方法。从而为优化气体 辅助注射成型过程的工艺参数、改善气辅成型模具的设计与制造提供 科学的依据。 为验证本文给出的气辅成型充填/后充填过程流动模拟方法所采 用的统一数学模型和算法的正确性和有效性,本文选择了几个典型算 例进行分析和验证,证明本文给出的理论、算法的可靠性。


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