（材料加工工程专业论文）异型材聚合物挤出与钢塑共挤过程的有限元模拟关键技术及其机理研究.pdf

山东大学博士学位论文 异型材聚合物挤出与钢塑共挤过程的 有限元模拟关键技术及其机理研究 摘要 聚合物挤出： 艺是塑料制品加工的重要手段，适用于加工管材、棒材、薄膜、 单丝、电线、电缆、异型材和中空制品等，目前已发展成为制造业的一个重要的 领域。在当前的挤出工艺和模具设计中，传统的经验设计和常规的实验方法已经 不能很好地满足生产指导的需要，而计算机模拟( c a e ) 技术的应用在节约成本、提 高效率等方面显示出了巨大优势。随着计算机软硬件技术的发展以及计算流体力 学( c f d ) 理论的日臻完善，聚合物挤出成形过程的三维有限元数值模拟成为了现 实。利用数值模拟方法，可以明确整个成形过程的全部细节问题，为工艺设计和 模具优化提供强有力的支持。因此，聚合物挤出过程的数值模拟技术已成为挤出 工艺和模具设计研究的重要课题。 本文建立了粘性不可压缩流体三维稳态非等温流动的有限元模型；并成功应 用于聚合物挤出过程的数值模拟；进一步深入研究了钢塑共挤工艺，分析了聚合 物熔体在模具中成型过程，获得了主要的工艺参数对成型过程的影响规律；建立 了粘弹流体三维稳态流动的有限元模型；对聚合物挤出过程数值模拟若干关键技 术问题进行了研究，在此基础上初步开发了聚合物挤出过程计算机模拟系统。 由于有限元法能很好的处理几何边界不规则和边界条件复杂的问题，目前在 计算流体学中成为主要的研究方法。本文以幂率型( p o w e r l a 州和c a r r e a u 模型为例， 建立了粘性不可压缩流体三维稳态非等温流动的有限元模型。采用罚有限元法将 连续性方程引入动量方程，从而避免了对压力项直接求解，在近似满足不可压缩 约束条件下求解了速度场分布，节省了存储空间和计算时间；采用s t r e a m l i n e u p w i n d p e t r o v - g a l e r k i nf o r m u l a t i o n ( s u p g ) 方法构造非对称权函数，克服了能量方 程对流项占优时导致的数值解的震荡；对采用了s u p g 技术的能量方程的剐度矩 阵对称化处理，为确保数值解的稳定性，在对角线引入了稳定项，从而采用半带 宽存储提高了计算的效率；耦合粘性耗散的影响，获得了剪切生热情况下的温度 场分布；运用幂律型流体的本构关系和a r r h e n i u s 模型计算了温度和剪切速率对粘 度的影响，使粘度在迭代计算中的结果更为真实。对模型中涉及的关键技术进行 摘要 了深入的研究，分析了罚数、s u p g 技术刚度矩阵对称化处理技术、稳定项等对计 算精度和效率的影响，给出了主要参数的选取方法和合理的取值范围；编写了计 算求解程序，通过实例分析获得了流体流场中的场量分布，通过与商品化有限元 软件和文献资料的比较，证明了所提出的数值方法的可行性和所编写的求解程序 的可靠性。 基于上述理论研究，结合聚合物挤出工艺的特点，建立了聚合物挤出过程模 拟的有限元模型。基于有限元的理论，提出了模拟的流程框图；研究了入口速度 边界的提取等关键技术，采用v c + + 语言编写了求解程序。在此基础上，对前处理 和后处理中的网格划分、等值线绘制等关键技术进行了研究，初步开发了聚合物 挤出过程有限元模拟系统。分别对实心异型材、中空异型材和敝口异型材三种典 型的挤出实例，采用编写的有限元模拟系统对聚合物在模具中的流动行为进行了 分析，获得了速度、温度、压力、应力的场量的分布；对聚合物在模具中的流动 行为进行分析，进一步给出了模具结构的合理设计的判断依据。尽管对系统只进 行了初步的开发，但有限元系统的三个模块均具有核心的源程序，随着研究的深 入开展，有望成为具有自主版权的聚合物异型材挤出过程有限元模拟的通用分析 软件。 以粘弹型u c m 本构模型为对象，建立了粘弹流体三维稳态等温流动的有限元 模型，推导了罚有限元的基本公式，给出了求解的整体框架，编写了求解程序。 采用罚有限元消去了动量方程中的压力项；采用拟体力方法将应力项移植到方程 的右边；采用去耦算法，并将动量方程椭圆化；采用改进的s u p g 技术对本构方 程中的对流项进行修正，增加了数值解的稳定性。建立的总体有限元方程求解的 基本变量为速度和应力项，避免了对压力和形变速率的直接求解，节约了计算机 存储空间，显著提高了求解效率。通过实例分析获得粘弹流体在流场中的场量分 布，并与p o l y f l o w 的计算结果进行了对比分析，获得良好的一致性。 异型材钢塑共挤是一种新兴的聚合物和金属复合成型的先进的材料成形方 法，由于其工艺和模具的新颖性和复杂性，目前在工艺和模具设计中困扰企业的 一些关键技术问题有待解决。本文通过对异型材钢塑共挤工艺的深入分析，总结 出工艺和模具设计的几个关键技术问题。根据异型材钢塑共挤模具各段的工艺特 点，分别建立了模型并进行模拟，获得了聚合物在钢塑共挤模具内成形的一般规 律；分析了导入角、过渡段长度、体积流量、钢衬拖动速度等参数对成形过程中 速度场、温度场、压力场和应力场的影响规律，给出了这些参数在模具设计中的 i i 山东大学博士学位论文 选取方法和取值范围，可为钢塑共挤模具设计和优化提供理论指导。 以聚合物片材挤出工艺为例，建立了聚合物挤出工艺分析的实验方案。针对 聚合物片材挤出工艺和模具设计的特点进行了分析研究，自行设计和加工了片材 挤出模具，通过测量获得了口模出口处的速度分布；在近似相同的工艺条件下采 用编写的程序和a n s y s 软件进行模拟分析，并对多组体积流量下的实验结果和模 拟结果进行了对比分析，进一步验证了本文的理论研究和编写的计算机程序的可 行性和准确性。 关键词：聚合物异型材，挤出口模，计算机模拟，三维流动，钢塑共挤，非 等温，粘弹流体 i i i 摘要 r e s e a r c ho nf e mk e y t e c h n i q u e a n d m e c h a n i c so fp o l y m e re x t r u s i o na n d c o e x t r u s i o no fp o l y m e rw i t hm e t a li n s e r t a b s t r a c t p o l y m e re x t r u s i o np r o c e s si st h ei m p o r t a n tm e t h o df o rp l a s t i cp r o d u c tp r o c e s s i n g ， w h i c hi ss u i t a b l ef o rm a k i n gt u b e s ，b a r s ，f i l m s ，f i l a m e n t ，w i r e 、c a b l e 、p r o f i l ea n d h o l l o wp r o d u c t s ，a n di th a sd e v e l o p e dt ob eai m p o r t a n tf i e l di nm a n u f a c t u r i n g f o r c u r r e n td e s i g no f p o l y m e re x 仃u s i o np r o c e s sa n dd i e s ，c o n v e n t i o n a le m p i r i c a ld e s i g na n d r o u t i n ee x p e r i m e n tc a nn o td i r e c tp r o d u c t i o nw e l l ，w h i l ec o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g h a sd r a m a t i ca d v a n t a g ei nw a v i n gc o s ta n di n c r e a s i n ge f f i c i e n c yw i t hd e v e i o p m e n to f c o m p u t e rh a r d w a r ea n dc o m p u t e rf l u i dd y n a m i c ，t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o no fp o l y m e re x t r u s i o np r o c e s sb e c o m e st ob er e a l f u l ld e t a i lk n o w l e d g e d u r i n gf o r m i n gp r o c e s sc a n b eg i v e nb yu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w h i c hc o u l d s u p p o r tf o rp r o c e s sd e s i g na n dd i e so p t i m i z a t i o n a sar e s u l t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o r p o l y m e re x t r u s i o nh a sb e e na ni m p o r t a n ts u b j e c tf o rp r o c e s sa n dd i e sd e s i g n i nt h i s p a p e r , t h em o d e l i n g f o rt h r e e - d i m e n s i o n a l i n c o m p r e s s i b l e v i s c o u s n o n i s o t h e r m a ls t e a d yf l o wi sp r e s e n t e db yu s i n gp e n a l t yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h e m o d e l i n gi sb e e na p p l i e di nt h es i m u l a t i o nf o rp o l y m e re x t r u s i o np r o c e s s c o e x t r u s i o n p r o c e s so fp o l y m e rw i t hm e t a li n s e r ti ss t u d i e df u r t h e r , a n dt h ei n f l u e n c eo fm a i nf a c t o r f o rf o r m i n gp r o c e s si sg i v e n t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i n gf o rt h r e e d i m e n s i o n a ls t e a d y v i s c o e l a s t i cf l o wi sp r e s e n t e d m a n yk e yt e c h n o l o g yf o rp o l y m e re x t r u s i o nn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni ss t u d i e d ，a n dt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ns y s t e mo fp o l y m e re x t r u s i o ni s d e v e l o p e d b e c a u s ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dc o u l dh a n d l et h ep r o b l e mw i t hi r r e g u l a rg e o m e t r y b o u n d a r ya n dc o m p l e xb o u n d a r ye a s i l y , s oi tb e c o m e st h ec o m m o nw a yo ft h ec f d r e s e a r c h i nt h i sp a p e r , t a k i n gt h ee x a m p l eo fp o w e r - l a wm o d e la n dc a r r e a nm o d e l ，t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n gf o rt h r e e - d i m e n s i o n a li n c o m p r e s s i b l ev i s c o u sn o n - i s o t h e r m a l s t e a d yf l o wi sp r e s e n t e d t h ec o n t i n u i t ye q u a t i o ni si n t r o d u c e di n t om o m e n t u me q u a t i o n b yp e n a l t yf i n i t ee i e m e n t ，s op r e s s u r ei sn e e d l e s st ob es o i v e dd i r e c t l y , a n dt h ev e l o c i t y i ss o l v e dw i t hi n c o m p r e s s i b l ec o n s t r a i n tc o n d i t i o na p p r o x i m a t e l y a sar e s u l t ，t h e 山东大学博士学位论文 m e t h o ds a v e sm e m o r ys p a c ea n dc o m p u t a t i o nt i m e t h eu n s y m m e t r i c a lw e i g h tf u n c t i o n i sm a d eb ys t r e a m l i n eu p w i n d p e t r o v g a l e r k i nf o r m u l a t i o n s ot h en u m e r i c a lr e s u l t o s c i l l a t i n go fe n e r g ye q u a t i o ni so v e r c o m e w h e ns u p gm e t h o di su s e d t h es t i f f n e s sm a t r i xi su n s y m m e t r i c a l t h es t i f f n e s s m a t r i xo ft h ee n e r g ye q u a t i o ni sm o d i f i e dt ob es y m m e t r i c a lw i t hu n d e r r e l a xv a r i a b l et o e n s u r es t a b i l i t ya n dt op r e v e n tt h es o l u t i o nf r o md i v e r g i n g ，s ot h ec o m p u t ee f f i c i e n c yi s i m p r o v e db e c a u s el a r g es t o r a g em e m o r yi ss a v e d 硼1 ep a p e r ，a l s oc o n p k dt h ev i s c o s i t y w i t hs h e a rr a t eb yp o w e r - l a wm o d e l ，a n dc o u p l e dt h ev i s c o s i t yw i t ht e m p e r a t u r eb y a r r h e n i u sm o d e l s ot h er e s u l ti sm o r ea p p r o a c ht ot h er e a l i t y t h r o u g ht h es t u d y f o rm a i nk e yt e c l m o l o g yo ft h em o d e l ，t h ei n f l u e n c ef o r c o m p u t a t i o na c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo f p e n a l t yv a l u e 、t h et e c h n o l o g yo f s t i f f n e s sm a t r i x m o d i f i e dt ob es y m m e t r i c a lf o rs u p gm e t l l o da n ds t a b i l i z e dt e r mi sa n a l y z e dt h ef l o w f i e l di sg i v e ni nd e t a i lu s i n ge x a m p l ea f t e rt h ec o m p u t a t i o np r o g r a mi sm a d e t h r o u g h t h er e s u l ti sc o m p a r e db yp r o g r a ma n dc o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s ，t h e p r e s e n t e dm o d ea n dp r o g r a mm a d eb yc o m p u t e rl a n g u a g ei sp r o v e dt ob ee f f e c t i v e b a s e do nm e n t i o n e da b o v et h e o r y , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f p o l y m e re x t r u s i o ni s p r e s e n t e da c c o r d i n gt h ec h a r a c t e ro ft h ep r o c e s s f l o wp r o c e s sc h a r ti sg i v e nb yf i n i t e e l e m e n tt h e o r y t h ek e yt e c h n o l o g ys u c ha sh o wt og e tt h ev e l o c i t yi ni n l e ti ss t u d i e d a n dt h er e s o l v ep r o g r a mi sm a d eu s i n gv c + + l a n g u a g e t h ek e yt e c h n o l o g ys u c ha s e l e m e n td i v i s i o na n dc o n s t a n tv a l u el i n e d r a w i n g i nt h e p r e p r o c e s s i n g a n d p o s t p r o c e s s i n gi sr e s e a r c h e d ，a n dt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns y s t e mo fp o l y m e r e x t r u s i o ni sd e v e l o p e dp r e l i m i n a r yf u r t h e r , t h r o u g ha n a l y s i so fs o m et y p i c a lp o l y m e r e x t r u s i o np r o c e s sb yt h ef i n i t ee l e m e n ts y s t e m ，t h ep o l y m e rf l o wi se x p l a i n e di nd e t a i l a n dt h ea d v i c eh o wt od e s i g nd i e sp r o p e r l yi sg i v e n t h o u g ht h es y s t e mi sn o tm a t u r e ， t h et h r e ep a r to ff i n i t ee l e m e n ts y s t e mh a ss o u r c ep r o g r a m ，s ot h es y s t e mm a y b et h e g e n e r a la n a l y s i ss o f t w a r eo f p o l y m e re x t r u s i o ns i m u l a t i o nw i t ha u t o n o m i cc o p y r i g h t t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h r e e d i m e n s i o n a lv i s c o e l a s t i cs t e a d yi s o t h e r m a lf l o w i sp r e s e n t e d ，a n dt h eb a s i cf o r m u l ao f p e n a l t yf i n i t ee l e m e n ti sd e d u c e d a f t e rt h ew h o l e f r a m eo fs i m u l a t i o ns y s t e mi sg i v e n ，t h ep r o g r a mi sm a d e t h ep r e s s u r ei nm o m e n t u m e q u a t i o ni se r a s e db yp e n a l t yf i n i t ee l e m e n t ；t h es h e a rs t r e s si st r a n s f o r m e di n t or i g h t p a r t o fm o m e n t u me q u a t i o n ；m o m e n t u me q u a t i o ni sr e s o l v e dt ob e e l l i p t i c t r a n s f o r m a t i o nw i t hd e v s sm e t h o d i m p r o v e ds u p gm e t h o di su s e df o r t h e c o n v e c t i o nt e r mo ft h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o nt oi m p r o v et h es t a b i l i t y t h ev e l o c i t ya n d s t r e s sa r eb a s i cv a i l a b l ei nt h ew h o l ee q u a t i o no ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ；w h i l e p r e s s u r ea n dr a t eo fd e f o r m a t i o ni sn e e d l e s st ob es o l v e dd i r e c t i y s ot h i st e c h n o l o g y v 摘要 s a v e st h ec o m p u t e rm e m o r ys p a c ea n di m p r o v e de f f i c i e n c yg r e a t l y t h r o u g ht h e a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ff l o wf i e l du s i n ge x a m p l eb yp r o g r a m ，i ti sf o u n dt h a tt h e r e s u l t sb yp r o g r a ma n ds o f t w a r ep o l y f l o wa g r e e sw e l l t h ec o e x t r u s i o nt e c h n o l o g yo fp o l y m e rw i t hm e t a li n s e r ti sr e c e n t l yo n eo ft h e m o s ta d v a n c e dp l a s t i cm o l d i n gp r o c e s s e s ，a n dt h ed e s i g no fp r o c e s sa n dd i e sh a ss o m e k e yp r o b l e mt ob er e s o l v e dd u eb e c a u s ei ti sn e wa n dc o m p l e x t h ep r o c e s si sa n a l y z e d i n d e t a i l ，a n dt h es o m ek e yp r o b l e ma b o u td e s i g no fp r o c e s sa n dd i e sa r eg i v e n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro ft h ep r o c e s s ，t h em o d e li sm a d ef o re v e r yp a r to f t h ed i e s ， a n dt h eg e n e r a lf l o wr e g u l a r i t yo ft h ep r o c e s si so b t a i n e da f t e rp o l y m e rf l o wi s s i m u l a t e d t h ei n f l u e n c er e g u l a r i t yf o rp o l y m e rf l o wi sa n a l y z e dw h e nt h ep a r a m e t e r c h a n g es u c ha sl e a d i n g i na n g e l 、l e n g t ho f t r a n s f o r m a t i o np a r t 、v o l u m ef l o w 、v e l o c i t y o fm e t a li n s e r t ，a n di t sr a n g e sa n ds e l e c t i o nw a y sa r eg i v e n ，w h i c hc a nb et h e o r e t i c a l g u i d e l i n e sf o rt h ep r o c e s sa n dm o u l dd e s i g no ft h ec o e x t r u s i o no fp o l y m e rw i t hm e t a l i n s e r t t a k i n ge x a m p l eo fp o l y m e rs h e e te x t r u s i o np r o c e s s ，a ne x p e r i m e n tp l a ni sm a d e f o rp o l y m e re x t r u s i o np r o c e s sa n a l y s i s p o l y m e rs h e e te x t r u s i o np r o c e s sa n dd i e si s d e s i g n e da n dm a d e ，a n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni no u t l e ti so b t a i n e db yc a l c u l a t i n gs a m p l e p o l y m e rf l o wi nd i e si ss i m u l a t e db yp r o g r a ma n da n s y si ns i m i l a rp r o c e s sc o n d i t i o n ， a n dt h er e s u l to fs i m u l a t i o ni sc o m p a r e dw i t hi to fe x p e r i m e n t t h et h e o r ya n dp r o g r a m m a d ei nt h i sp a p e ra r ep r o v e df u r t h e rt h o u g ht h i se x p e r i m e n t k e ”v o r d s ：p o l y m e rp r o f i l e ，e x t r u s i o nd i e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h r e e d i m e n s i o n a l f l o w , c o e x t r u s i o no f p o l y m e rw i t hm e t a li n s e r t ，n o n i s o t h e r m a l ，v i s c o e l a s t i cf l u i d v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 本纠& 日期：型! ! 生之 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：舷导师签 日期：! 竺! ：! 兰：兰 山东大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 挤出成型是塑料成型加工的重要方法之一，在塑料成型加工中占有重要的地 位。几乎所有的热塑性塑料都可以用挤出成型方法来加工。与其它成型方法相比， 挤出成型具有下述特点：生产过程连续，因而其产品理论上可以是无限长；生产 效率高；应用范围广，能生产管材、棒材、薄膜、单丝、电线、电缆、异型材和 中空制品；投资少，收效快【i j 。 高分子材料通过挤出机塑化后进入挤出口模，最后经过冷却定型后即可获得 异型材制品。通过调节材料配方和挤出口模的结构，可以生产出不同性能和截面 形状的异型材制品。目前塑料型材不仅在建筑、水暖、装修和农灌等方面得到了 广泛的应用，而且开始向冰箱、冰柜等家电产品发展 2 1 。 聚合物异型材具有广阔的应用前景，目前在门窗行业应用最为广泛。塑料门 窗最早于2 0 世纪5 0 年代由德国公司首先开发成功，1 9 5 5 年德国诺贝尔( d y n a m i t n o b l e ) 公司成功开发研制了塑料窗框用异型材，赫斯特( h o e c h s t ) 公司进而研制 出p v c 塑料窗，由于其具有节能、隔热，隔音、耐腐蚀等诸多优势，在欧洲乃至 世界迅速推广应用，至今已5 0 多年。目前，欧洲塑料门窗的市场平均占有率约为 4 0 ，德国塑料门窗的市场平均占有率约为5 4 ，美国塑料门窗的市场平均占有率 约为4 5 ，全球的塑料门窗市场平均占有率已达2 0 以上【3 】。目前，无论技术水 平还是发展速度，德国当推全球第一。 我国f l s o 年代开始引进国p p v c 塑料门窗异型材装置，已有二十多年的历史。 截至目前，我国塑料门窗的生产能力达2 8 0 万吨年。1 9 9 3 年由建设部、化工部、 轻工部、国家建材局和中石化总公司组成的全国化学建材协调组成立，以共同推 动包括塑料门窗在内的我国化学建材产品的发展，并且分别制定了“九五”、“十 五”发展规划。按规划要求，至f j 2 0 l o 年全国实施建筑节能的地区和建筑，塑料门 窗的使用比例达n 6 0 ，沿海地区达至t j 4 0 ，全国的塑料门窗市场占有率达到3 0 ， 并要求新建节能建筑和现有住宅节能改造工程必须使用节能窗，优先使用塑料窗， 大约需要塑料门窗6 0 0 0 y j 平方米。规划的主要目的是为了节约能源，保护环境和 改善建筑工程质量。在此之后，各地有关部门也相继出台了推广应用化学建材的 政策。国家的倡导、市场的需要使塑料异型材和门窗行业迅猛发展，塑料门窗在 第一章绪论 我国的市场占有率从i 9 9 4 年的3 迅速上升n e 0 0 2 年的3 0 ，塑料门窗行业年消耗 p v c 树脂l o o 万吨以上，年产值及相关行业的年产值总和超过了4 0 0 亿元人民币，从 业人数达到数百万人【4 “。 由于该行业具备巨大的发展前景，国内外研究人员对其开始了大量的研发工 作，成功开发出一些新配方、新工艺、新设备、新技术，进而大大推动了该行业 的迅猛发展。为改善的聚合物材料的性能，复合材料成为一个热门的研究方向。 当前，复合挤出技术发展迅速，比较有代表性的有钢塑共挤、铝塑共挤、木塑共 挤、聚合物复合共挤 7 - 1 2 】等。另外，与之相关的气体辅助挤出、动态振动挤出和反 应挤出也成为研发的热点【1 3 。 塑料异型材挤出成型是一种难度较大的成型工艺。塑料熔体由挤出机挤出后 进入机头，在高压作用下在机头流道内流动，并由入口处的圆形截面逐渐变化成 近似制品形状的异型材轮廓截面。因此，挤出机头是决定异型材成型质量的关键 因素。虽然我国的挤出模具己形成了相当大的生产能力，但与进口的先进挤出模 具相比，还存在着较大的差距( 如表1 1 所示) ，因此，尽管进口挤出模的价格高出 国产挤出模五六倍，甚至十多倍，每年还是有上百套挤出模进口【1 8 】，这已经严重 地制约了我国工业产品的更新换代。因此，通过对聚合物异型材工艺、模具以及 挤出机理的研究，促进聚合物异型材加工行业整体水平的提高，在当前工业技术 高速发展的时代具有很大的迫切性。 表1 - 1 ：国内外挤出模具的性能、价格对比 t a b 1 - 1t h ec o m p a r i s o no f p e r f o r m a n c ea n dp r i c eb e t w e e nh o m ed i ea n di m p o r t e dd i e 模具类别 性能、价格 进口先进水平进口一般水平国产先进水平国产一般水平 挤出产量( k g h ) 2 0 0 _ 2 4 01 4 0 1 6 0 1 4 0 一1 6 0 l o o 1 4 0 成型速度( r r g m i n ) 3 5 4 02 2 2 525 _ 30i | 5 - 2 2 1 、进口生产线；2 、1 、进口或国产线；2 、 对使用设备及配套设 冷却水经过软化处速度要求1 s m m m 施的要求 理；3 、水温一般要以上时水温不高于 求在1 2 一1 6 2 0 稳定生产时间1 2 0 h 以上 7 2 h 以上 7 2 一1 2 0 h 4 8 h 以上 型材质量( 按g b 8 8 1 4 高于g b达到g b达到或超过c a b达到或稍低于g b 1 9 9 8 ) 模具价格 6 0 ( 另加3 3 的进4 0 - - 5 0 ( 勋n3 3 8 一1 2 4 5 _ 6 5 ( 人民币，万元) 口税1的进口税) 2 山东大学博士学位论文 塑料异型材挤出和钢塑共挤成型工艺与模具设计涉及机械、高分子材料学、 流体力学等多学科的交叉，深入开展计算机模拟的研究同时又涉及数值方法等计 算机知识。因此，基于流体力学和聚合物流变学的基本理论，开展聚合物熔体流 动的数值模拟的研究，分析聚合物异型材挤出和钢塑共挤成型过程的机理和变形 规律，从而为科学地设计模具和工艺方案提供了理论指导，具有理论上和实践上 的双重价值。 1 2 聚合物熔体流动分析方法 通过对聚合物熔体流动行为的分析，获取其在口模内的速度场、压力场、应力 场，温度场等场量的分布规律，进而确定产品的成型质量和生产效率。目前，主 要采用的方法有以下几种。 1 2 1 实验 实验的手段是通过设备和仪器去测量聚合物流动过程中场量的分布情况，这 是一种最直接有效的方式。一般地，具有复杂流变性质的物质在外界作用下的力 学响应因形变方式和形变历史的不同而异。因此，从严格意义上讲，流变测量必 须选择简单的形变( 流动) 方式，在给定的简单的形变历史下来测定。测定的物料特 性称为物料函数。 流变测量理论的主要任务是：( 1 ) 从连续介质力学的基本原理考虑物料函数的 存在性。( 2 ) 建立各种边界测定量( 如压力、张力、扭矩、转速、流量、频率、振幅 等) 与不能直接测定的流体的应力、应变、应变速率的关系。( 3 ) 建立的公式都是针 对理想条件的，对实际流变仪必须从理论上考虑一系列造成误差的因素，这里包 括仪器因素和物质因素。 工程问题中聚合物流动的特点是大形变、高速率、复杂流动，其中既有剪切 又有拉伸，往往还是非稳态的流动。实验方法在高聚物加工、油田工程、化工过 程和各种液、流态输运的研究中的应用十分重要。传统上发展较充分的是稳态剪 切粘度的测量，例如用毛细流变仪可得高聚物加工成型设计中有用的表观粘度。 但是粘弹流体在流动中带有可恢复弹性形变。两个表观粘度一致的试样有时具有 相异的成型性质和产品性质，可见弹性对制品性能重要具有重要的影响。稳切流 动中反映弹性的物料函数是法向应力差，在较高速率下测定法向应力差的方法是 在狭缝流中测定相对两壁上平置和凹置压力传感器之间的压力差，称为孔压误差。 第一章绪论 这一技术应用于高分子溶液可以获得良好的结果，但对熔体流动分析还有困难。 粘弹流体的粘度和法向应力，瞬态特性和稳态特性之间存在一定关联，这对扩展 估测物料函数的范围有实际意义。对于复杂的流动，流速分布和应力分布的测定 具有十分重要的实际和理论意义。激光多卜勒测速法可以无干扰地测定流场内各 点的速度矢量。用类似固体弹性的方法，可用正交偏振镜之间流场中的双折射来 测定流场中的应力分布，称为流动双折射法。由于光弹性定律适用于一般粘弹流 体，从双折射图计算法向和切向应力分布就较为简单【1 9 之o j 。 实验方法相对成本高、周期长；且可行性受实验条件制约，获得的结果受实验 误差的影响；对于复杂工程问题的应用，在接近真实的流动状态下测试难度很大。 目前实验方法主要用于材料的机理和性能的研究。 1 2 2 解析法 解析法是采用数学表达式来计算获得聚合物流动过程中场量的数据，是一种 简便、有效的方式。由于聚合物加工工艺非常复杂，以致于为获得对问题的描述 必须首先设定各种假设和边界条件，然后针对聚合物在模具中的流动行为建立数 学方程求解。目前，对于聚合物在简单几何模型中的流动行为，在做出相对较多 的假设条件下推导出了一系列的解析公式。结果表明，这些公式对于聚合物熔体 在简单模型内稳态层状等温流动行为分析的结果是确切的。 聚合物加工中有代表性的简单流动模型主要有：压力流动、拖拽流动和组合 流动。由压差引起的流动称为压力流动，是一种常见的流动，在很多场合聚合物 溶液与熔体的输送靠的就是压力流动。例如，聚合物在挤出口模中的流动、对注 塑模具的充模、保压流动都是在压差推动下完成的，主要的典型压力流动有在圆 管、平行板间、环状圆管、矩形导管、短导管中的流动。拖拽流动是另外一种典 型的流动，主要典型的拖拽流动包括平行板间拖拽流动、圆环内的拖拽流动和环 形圆管中轴向拖拽流动以及矩形流道中的拖拽流动。在聚合物加工中，双辊混炼 时辊间流动及涂覆流动、同轴圆筒粘度计内的流动等流动都属于拖拽流动的范畴。 另外，包含几种简单流动的组合流动也可以用解析的方法来研究，主要有压力流 动和平移流动的组合，压力流动和压力流动的组合，压力流动和旋转拖拽流动的 组合等。例如，电线电缆、光缆挤出成型时聚合物在口模中的流动就是一种典型 的组合流动。上述流动行为，在做出特定假设情况下，可以获得近似解析解，且 与实际吻合良好【2 州。 4 山东大学博士学位论文 在解析方法分析聚合物熔体流动规律应用中，聚合物熔体在圆形通道中的流 动具有代表性。在塑料模具设计中，会遇到大量的等截面圆形流道的流动，如热 流道模具中的主流道、分流道、浇口以及挤出成型棒材模的成型段等。图1 - 1 为流 体在等截面圆管中流动结构示意图。假定流体在流道中的状态为等温、稳态和层 流，根据力的平衡方程和几何公式可以获得如下场量分布表达式【2 1 】 f=ira_p(1-1) 驴警( 1 - 2 ) 矿：j r r ：4 _ a p ( 1 - 3 ) 8 d 三 式中，f 为剪切应力，为圆柱体单元距离管中心的距离，印为压力降，三为 流道的长度，“，为z 向速度分量，r 为流道