L型异型材气辅共挤胀大的三维等温数值模拟EI北大核心CSCD

应用有限元分析方法,采用Giesekus本构方程,对L型双层共挤模型进行了三维粘弹等温共挤出数值模拟,分析了2种不同进料方案下传统共挤和气辅共挤口模出口面的速度场、剪切速率场以及挤出胀大和变形情况。研究表明,异型材传统共挤的挤出胀大和变形受进料方案的影响,而气辅共挤则不受其影响。异型材传统共挤在口模出口面速度的非均匀分布是导致挤出胀大和变形的主要原因;气辅共挤口模出口面速度分布均匀,无胀大和变形,说明气辅共挤能消除异型材传统共挤中的挤出胀大和变形。     

非等温气辅共挤出胀大的三维粘弹数值模拟

采用PTT本构方程和Arrhenius黏度对温度依赖方程,运用有限元方法,对低密聚乙烯(LDPE)/高密聚乙烯(HDPE)熔体的共挤过程进行了三维非等温粘弹数值模拟,对比分析了两熔体在传统和气辅共挤过程中的速度场、剪切速率分布和层间界面形貌。研究表明,气辅共挤成型在口模出口处不存在二次流动,且在挤出方向流速均匀,剪切速率分布均匀且数值比传统共挤小得多,说明气辅共挤能有效消除传统共挤过程中的挤出胀大和界面偏移现象。     

气体辅助工艺对曲线型异型材共挤成型的影响

基于流变学基本方程和PTT本构方程,建立了三维粘弹曲线型塑料异型材包覆共挤成型数值模型,运用有限元方法对数值模型进行了模拟计算,分析研究了气体辅助工艺对曲线型异型材共挤成型过程中挤出胀大、扭曲变形及口模内流场分布的影响。研究结果表明,传统共挤成型时,共挤制品的挤出胀大及变形、口模内熔体速度场、压力场、剪切速率及应力场等的分布均随着壳层熔体黏度的变化而变化,而气辅共挤成型时,共挤制品的挤出胀大和变形现象以及口模内熔体流场的分布均与芯壳层熔体的物性无关,能实现制品截面形状和尺寸与口模截面形状和尺寸保持一致的精密共挤。     

复合共挤成型中挤出胀大的三维粘弹数值模拟

采用Phan-Thien and Tanner(PTT)本构方程,建立了矩形截面共挤口模内外两种聚合物熔体流动的三维粘弹数值模型,有限元模拟了聚丙烯/聚苯乙烯(PP/PS)共挤过程中的挤出胀大现象,并用实验验证了模拟结果。研究表明:当入口体积流量相同时,两熔体挤出口模后会朝向黏度较高的PS熔体一侧偏转,型材截面呈非对称畸变。两熔体在垂直挤出方向上的速度分布导致了挤出胀大过程中熔体的偏转流动,而口模出口处的剪切速率分布基本决定了共挤型材截面的形状。实验结果与模拟结果基本相符,模拟所得挤出胀大率比实际值大8.6%。等温假设是影响共挤出胀大数值模拟准确度的主要因素。     

线缆包覆气辅挤出成型的黏弹性数值模拟

运用Polyflow对气辅电线包覆挤出过程进行数值模拟。首先分别从传统挤出和气辅挤出的角度探究电线包覆过程中芯线的拖动速度、熔体入口流率对挤出胀大的影响,然后对比分析不同入口流率气辅挤出与传统挤出在电线包覆中压力场、速度场及剪切应力场的变化。结果表明,电线包覆挤出胀大与芯线拖动速度成反比,与熔体入口流率成正比,气辅挤出不能消除线缆包覆挤出中的体积胀大;相对于传统挤出,气辅挤出可减小能量消耗,减小口模对熔体的剪切作用,提高包覆质量。     

轮胎胎面胶料共挤出成型的有限元仿真研究

以胎面胶料复合挤出过程为研究对象,采用Phan-Thien and Tanner(PTT)本构模型和Navier滑移模型对胎面胶/下胎面胶(TWS/FB)的共挤出过程做了三维数值模拟,分析了流道长度对胶料共挤出质量的影响。结果表明:当两熔体的入口体积流率一致时,黏度差异是导致两种熔体的熔体界面向高黏度熔体偏转的主要原因之一。适当增加流道的长度,可以减小胶料出口处的速度场、剪切速率场的集中程度并使之趋于均匀,能够有效降低挤出胀大和模外熔体偏转流动现象。     

聚合物气辅共挤成型界面的有限元模拟和分析

基于流变学基本方程和Phan Thien-Tanner(PTT)本构方程,建立了矩形截面双层型材口模气辅共挤出和传统共挤出的三维非等温粘弹有限元模型,使用粘弹应力分离法(EVSS)、非协调流线迎风法(SU)等有限元方法数值模拟了两种聚合物熔体在口模内的流动过程,得到了气辅共挤和传统共挤层间界面的三维形貌图和剪切应力分布,对比分析了两种共挤界面的粘性包覆和剪切应力分布情况,研究结果表明,气辅共挤可使粘性包围程度减小60%以上,界面剪切应力峰值减小30%以上,气辅共挤将能有效改善共挤制品层厚分布均匀性及界面稳定性。     

聚合物多层气辅共挤精密成型机制的数值分析

基于传统共挤成型技术,提出一种先进的气辅多层共挤精密成型技术。研究表明,气辅共挤成型技术不仅可实现挤出制品尺寸的精确自动控制,而且还起到明显的节能降耗的效果。通过建立的稳态有限元数值算法,对传统共挤成型和气辅共挤成型的成型过程和离模膨胀过程进行了系统的对比分析研究,并探讨了气辅共挤成型消除整体离模膨胀的机制。结果表明,多层共挤成型芯壳层熔体的离模膨胀是由黏弹性熔体的二次流动引起,主要取决于芯壳层熔体二次流动的方向与强度。熔体二次流动的方向与第二法向应力差的正负号有关,而熔体二次流动的强度则与第二法向应力差大小成正比。气辅共挤成型的气辅口模段可通过气垫膜层的壁面完全滑移作用,有效减小或消除芯壳层熔体的第一和第二法向应力差,使其二次流动消失,从而达到消除口模整体离模膨胀的目的。因此,气辅多层共挤精密成型技术能精确地控制共挤成型的复合产品最终外形和尺寸与挤出口模的形状和尺寸完全相同。此外,研究结果还表明气辅共挤成型的挤出压力相对传统共挤成型可降低约30%以上。     

气辅共挤出界面位置对挤出胀大的影响

基于聚合物流变学理论,运用有限元方法,建立了半圆形共挤口模成型的理论模型,并对理论模型进行了数值模拟,研究了口模入口端熔体层间界面位置及熔体入口流率对共挤出胀大和熔体层间界面位置的影响。研究表明,气辅共挤过程中,当两熔体流率相等时,使得两熔体入口面积近似相等的r值(共挤口模入口处界面位置)能将熔体的离模膨胀率降为零值,同时保证熔体层间界面位置稳定;当两熔体流率不等时,熔体离模膨胀率随着自身流率的增大而增大,随着另一熔体流率的增大而减小,界面位置则向流率较低的一侧偏移。     

聚合物熔体复合挤出胀大过程的数值模拟及可恢复弹性形变分析

建立了两种聚合物熔体流经矩形流道共挤出的三维数值计算模型,采用有限元方法数值模拟了共挤出成型过程及胀大过程,得到了速度场、压力场、应力场,并利用数值计算方法得到了共挤出流动过程的可恢复弹性形变场,分析了挤出胀大率以及可恢复弹性形变的变化过程。结果表明,在共挤出流动的胀大段,共挤出界面的形状和位置发生了改变;经矩形流道共挤出得到的挤出胀大末端截面形状为不对称的鼓形;在共挤出界面附近可恢复弹性形变值存在极值,运用数值方法计算可恢复弹性形变可以对流动过程中可能存在的缺陷进行预测。     

气辅共挤出流道中聚合物流动过程的数值分析

建立了气辅条件下两种聚合物在矩形流道中共挤出流动的三维非等温数值分析模型。用粘弹性流体模型(PTT模型)描述熔融聚合物的特性,Arrhenius方程表示流动对温度的依赖性,并且考虑聚合物相对于流道壁面的滑移以及不相容聚合物熔体间滑移的边界条件。用有限元方法数值模拟了聚合物成型过程,将计算结果与普通共挤出成型流动进行了对比分析。结果表明,气垫层的加入,将使聚合物熔体的压力降减低20%～40%;使流道出口处的速度场分布均匀,速度场的最大值下降约50%;气垫区聚合物的自由流动还将对共挤出界面的形状和位置有一定的影响。     

聚合物在等温圆管口模中流动的数值模拟

以挤出圆管为研究对象,采用PTT粘弹本构模型和通用的有限元POLYFLOW软件,对塑料熔体在不同挤出口模内的二维粘弹性等温流动进行了数值模拟。通过数值模拟得出了CPU时间、压力和离模膨胀比等结果。研究表明,过渡段的设计会对挤出压力产生明显的影响,但对离模膨胀比没有影响,用三次插值多项式表征的流线型口模具有较小的挤出压力。     

聚合物多相分层流动黏弹性包围机制的数值模拟

针对黏弹性包围引起的复合共挤制品层厚均匀性控制的技术难题,通过数值模拟,研究了黏弹性流变性能参数对黏弹性包围的影响规律和机制.研究结果表明,黏弹性包围是由多相分层流动的第二法向应力差驱动的二次流动诱发,主要取决于成型流动过程中二次流动的方向与强度.熔体二次流动的方向与第二法向应力差的正负号有关,而熔体二次流动强度则与第二法向应力差大小成正比.黏弹性包围随着熔体松弛时间的增加而增大.消除黏弹性包围的理论前提是消除其二次流动,而通过使其流动的第二法向应力差趋于零方可消除其二次流动.第二法向应力差趋于零的前提条件是使无滑移黏着共挤多相分层剪切流动转化为气垫非黏着完全滑移共挤多相分层柱塞流动,而气辅共挤成型工艺的气垫壁面滑移是实现这一转变的有效技术.     

Setup and Test of a Laser Doppler Velocimeter for Investigations of Flow Behaviour of Polymer Melts

The flow behaviour of a low-density polyethylene melt is investigated in a specifically developed flow channel by means of Laser Doppler Velocimetry (LDV). The used flow channel is a slit die with a planar contraction of 14:1. The investigation of the velocity fields was performed in the steady state of flow. The optics of the LDV system as well as the used frequency analyser proved to be reliable for measurements of velocities down to 250μm/s. By adding TiO₂ tracer particles to the pellets the signal quality as well as the signal frequency were improved. It is demonstrated that the Laser Doppler Velocimeter is suited to detect velocities of polymer melts with an error of a few per cent by comparing the measured volume flow rate to the directly determined mass flow rate. Using simple fluid mechanics the viscosity function is obtained by measuring only one velocity profile within the fully developed flow in the slit die. Over a wide range of shear rates the viscosity function obtained via LDV measurement corresponds with the viscosity function which was determined by the classical mass-flow-rate method. Both resulting viscosity functions were additionally checked by performing measurements with a capillary rheometer. The LDV setup described in this paper is a powerful experimental tool to investigate the flow behaviour of polymer melts. Its accuracy and the high spatial and temporal resolution opens a way to get more quantitative insight into the flow of polymer melts and to check the validity of model calculations. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

聚合物真实黏度流变仪收缩流道轴向速度场的PIV实验研究及分析EI北大核心CSCD

为研究测量聚合物真实黏度流变仪收缩流道轴向速度分布规律,建立了收缩流道实验模型及实验方案。利用粒子图像测速(PIV)系统拍摄牛顿流体聚丁二烯在收缩流道流场中粒子的图像,利用Tecplot、Origin软件对图像和数据进行分析处理,得到聚合物真实黏度流变仪收缩流道的轴向速度曲线。同时将PIV实验、Polyflow仿真、理论计算结果相比较,发现三者规律基本吻合。证明了从PIV实验中得到牛顿流体聚丁二烯收缩流道速度场的方法是可行的。     

气辅挤出成型中两相流界面的稳定性

使用南昌大学制备的气辅挤出成型设备,研究了气体压力和流量对熔体/气体两相流界面稳定性的影响,通过实验得出,实现气辅挤出的条件是口模内注气点处气体压力大于等于熔体的压力,而pmelt≈pgas是实现稳定气辅挤出的前提条件;实验还表明控制气体流量对实现稳定挤出非常重要,当气体流量为0.4 m3/s时,熔体以稳定层流形式挤出,气体流量增大到2 m3/s时,气体产生紊流并强迫挤出物以波纹状进行抖动挤出。     

基于三维有限元模拟的聚合物复合型材共挤出过程分析

建立了两种聚合物熔体在圆柱形流道中共挤出流动的三维数值计算模型,采用有限元方法数值模拟了复合棒材(LDPE/PS)的共挤出成形过程,并对共挤出界面的形状、入口与出口的速度、流动过程的压力降以及入口流量对界面的影响等进行了分析。结果表明,在对接棒材的共挤出过程中,当入口流量相同时,共挤出界面偏向低黏度熔体一侧;入口流量较小的变化即引起共挤出界面的形状与位置较大的变动,在对接棒材的成形过程中为获得稳定的流动,须严格控制入口流量的变化。最后将数值计算得到的界面与实验结果进行了对比,表明数值计算的结果与实验结果是一致的。     

Die swell behavior of liquid crystalline mesophase pitch

Die swell of a spinnable mesophase pitch was explored using a fiber spinning apparatus with varied capillary geometries and processing conditions. It was found that the die swell decreased with increased shear rate and increased with a rise of temperature. A nearly constant die swell value can be reached as shear rate gets high enough for different temperatures, and it decreased with increased die angles, but maintained unchanged for capillaries with different length-to-diameter ratios. For orifice die, the die swell ratios were found to be affected little by the extrusion rate and the temperatures. The texture examination of the extrudates from orifice die and dies with capillaries shows that the extensional flow produces high molecular orientation, and the shear flow-induced tumbling might store elastic energy that will be recovered at the die exit.