双组分聚合物LDPE/PS共挤出过程的三维有限元分析

采用有限元方法对两种聚合物熔体（LDPE／PS）在共挤出流道内的流动进行了三维数值模拟，分析了两种熔体的入口体积流量比、熔体与模具壁面之间的滑移系数等物理量对于共挤出界面位置和形状的影响。结果表明：随着流量差异的增加，界面位置偏移量增大，同时出口截面上熔体界面曲线的曲率增大；提高流道表面质量可以使熔体速度场趋于均匀，并显著减小界面位置的偏移量。     

薄壁气体辅助注塑件气体穿透过程的研究

基于气体穿透实验技术的研究分析，针对气体辅助注射成形中气体穿透气道的复杂过程，对薄壁气辅注塑件沿圆形截面气道穿透推进并形成模壁表层熔体的充模流动过程进行了研究。通过引入合理的简化和假设，建立了反映充模流动压力梯度、材料性能、表层熔体厚度比、非牛顿指数等影响因素的计算穿透速度和时间的数学方程．对气体注射压力、熔体温度、非牛顿指数影响气体穿透充模过程进行了实例数值模拟研究。结果表明，增大气体注射压力，其气体穿透方向所形成的表层熔体厚度比值也增大，降低熔体注射温度和非牛顿指数会增大气体穿透的壁厚值，其值接近国外试验测定值，也比较符合实际的气辅注射成形工艺结果。     

口模压缩段对塑料挤出流动影响的有限元分析

在塑料挤出成形过程中，压缩段是调节模头流道各部分流量(流速)的主要区段，对熔体的流动具有重要影响。本文采用有限元数值分析方法，计算了熔体在口模内流动的速度场和压力场，定量分析了压缩比和压缩角等压缩段模具结构参数对挤出速度分布、挤出流量和挤出流动均匀性等的影响规律，为优化流道结构参数，提高挤出流动均匀性的研究提供了基础。     

气体辅助注射成形充模流动数值模拟的研究

基于广义Hele—Shaw流动模型,通过引入合理的简化和假设,建立了实现气体辅助注射成形充模流动模拟的数学方程、气体穿透过程的边界条件、CAD/CAE建模关键技术以及系统程序设计方法等。该研究对气体的穿透过程、压力场分布、小同时刻熔体/气体边界的移动状态以及在模壁上形成表层聚合物熔体壁厚的过程进行_了气体辅助注射成形充模流动的实例数值模拟研究。结果表明:增大气体注射压力,在其气体穿透方向所形成的表层熔体厚度比值也增人,降低熔体注射温度和非牛顿指数会增大气体穿透的壁厚值,其值接近试验测定的数值范围,也比较符合实际的气辅注射成形工艺结果。     

超高分子量聚乙烯异型材挤出工艺的有限元分析

设计了超高分子量聚乙烯异型材的导轨挤出流道,应用有限元软件模拟超高分子量聚乙烯熔体和聚丙烯熔体这两种聚合物熔体在同一流道内的流动规律,获得流道内部的压力场、速度场和温度场。研究表明,所设计的异型材导轨挤出流道对两种聚合物熔体压力分布的影响明显,对速度分布和温度分布的影响基本一致。最后通过试验验证了超高分子量聚乙烯异型材导轨挤出流道设计的合理性。     

小浇口进行注射成型加工时的优点

浇口是浇注系统中很关键的一段料流通道,除了主流道型浇口外,大多数浇口都是浇注系统中截面积最小的部位,其数值一般只有分流道截面积的3％-9％。对于服从牛顿流动规律的塑料熔体来说,由于其黏度与切变速率无关,大的浇口截面积可以降低流动阻力,提高熔体流速,这对于充模和成型质量都比较有利。而对于绝大多数不服从牛顿流动规律的塑料熔体,采用减小浇口截面积,却经常有可能使熔体切变速率增大,由于剪切热作用,将会导致熔体的表观粘度大幅度下降反而有可能比大截面浇口更有利于充模。至于采用小浇口成型时因增大流动阻力所引起的压力降,可在一定的范围内用提高注射压力的方法来补偿。一般来讲,采用小浇口进行注射成型时,具有以下优点。     

熔体粘弹性对聚合物多层共挤成形离模膨胀影响的数值分析

研究共挤成形离模膨胀的产生机理对于奠定其口模设计方法的科学理论基础具有重要的意义。通过建立的稳态有限元数值算法,系统模拟粘弹性流变性能参数对共挤成形离模膨胀的影响规律,并揭示离模膨胀的机理。结果表明,多层共挤成形芯壳层熔体的离模膨胀是由粘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绝对值的大小成正比。当口模出口处芯壳层熔体的第二法向应力差为负,芯壳层熔体产生离模膨胀,其离模膨胀比随第二法向应力差的增大而增加。当口模出口处芯壳层熔体的第二法向应力差为正,芯壳层熔体产生离模收缩,其离模收缩比随第二法向应力差绝对值的增大而增加。研究还表明芯、壳层熔体及口模整体的离模膨胀随着壳层熔体松弛时间的增大而减小,而随着芯层熔体松弛时间的增大而增加。     

微注塑成形中壁面滑移对熔体充模流动影响的研究

分析了微尺度下熔体壁面滑移机理，研究了微注塑成形中壁面滑移对熔体充模流动行为的影响。利用有限元方法进行数值模拟，确定了不同特征尺寸微通道中熔体的滑移系数，分析了入口剪切速率和长径比与滑移速度之间的关系。研究结果表明：壁面滑移使熔体速度曲线趋于平滑；当熔体入口速率一定时，其壁面滑移速度随微通道特征尺寸的减小而减小；入口剪切应力相同时，壁面滑移速度随微通道的长径比的增大而增大。     

微注塑成形中熔体充模流动分析及其数值模拟

借鉴宏观熔体的流变学理论和建模技术,针对微尺度流道中的聚合物熔体流动特性,采用模型修正方法,建立反映微小通道中熔体流动特性的理论模型.同时,应用数值模拟方法,研究微尺度粘度、壁面滑移和熔体与模具间的表面传热系数对微小熔体流动的影响关系,并与相关试验数据进行比较.结果表明,微流道中的熔体粘度明显小于传统理论下的粘度值,且与微流道的特征尺寸成正比.随微流道特征尺寸减小,滑移系数也明显减小,壁面滑移速度则增大.考虑局部表面传热系数时微流道中的熔体温度分布具有尺寸效应.微尺度流道中的熔体流动行为与宏观熔体有许多不同.     

术语之窗

透平压缩机——离心压缩机与轴流压缩机的总称。其出口压力 p(表压 ) >0 .2 MPa;或其压比ε>3的风机。离心压缩机——在轴向剖面上 ,在叶轮中气流沿着半径方向流动的透平压缩机。轴流压缩机——在轴向剖面上 ,气流在旋转叶片的流道中沿着轴线方向流动的透平压缩机。混流式——气流沿轴向进入叶轮后 ,近似地沿着锥面流动 ,气流方向介于离心式与轴流式之间。容积式——用改变气体容积的方法压缩及输送气体的机械 ,又可分为回转式、往复式等。回转式——通过转子的回转运动改变工作腔容积 ,来压缩及输送气体 ,又可分为罗茨、叶氏、螺杆、滑片…     

Computing gas/melt free interface of gas-assisted injection molding

A solution was put forward to predicate the flow pattern of gas penetration in gas-assisted injection molding. The differential equations that governed the flow field and gas/melt free-interface evolution were analyzed and discretized by Galerkin finite element method, and the free interface was located by the volume of fluid method. The gas was assumed as a fluid phase of constant density and viscosity instead of being simply treated as boundary conditions. The non-Newtonian property of polymer melt was characterized by Carreau model with four parameters. As a case study, different kinds of gas channel were modeled. The gas/melt free interface was captured. The gas front velocity and the pressure of gas/melt front were also computed. The edge shape of gas channel was discussed, which are helpful for the design of gas-assisted injection molding.     

汽车把手件气辅成型气指缺陷影响因素分析

在气体辅助成型工艺中,常常遇到一种缺陷是“气指”,气泡穿过气道形成指状分支,严重的“气指”会降低注塑件的强度,造成气辅成型技术的失败,或者不能发挥气辅成型技术的优势。为了消除或减少这种缺陷的产生,本文采用数值模拟方法和正交试验方法对气辅成型制品“气指”缺陷进行了研究。研究了对“气指”缺陷影响最重要的6个工艺参数：熔体短射量、气体注射延迟时间、气体注射压力 、模具温度、熔体温度以及气体注射时间对气辅成型制品“气指”缺陷的影响关系。结果表明,影响“气指”最重要的工艺参数依次是气体注射延迟时间、熔体温度和气体注射压力。因此优先选择合理的延时,熔体温度和注气压力参数尤为重要,为控制气指行为建议在相同熔体温度下适当延长气体注射延迟时间。     

Simulations of gas penetration in thin plates designed with a semicircular gas channel during gas-assisted injection molding

Numerical simulations and experimental studies concerning gas and melt flows during gas-assisted injection molding of a thin plate designed with a gas channel of semicircular cross section were conducted. Distribution of the skin melt thickness along the gas penetration path was measured. Melt and gas flows in a gas channel of semicircular cross section were approximated by a model which uses a circular pipe of equivalent diameter superimposed on the thin plate. An algorithm based on the control-volume/finite-element method combined with a particle-tracing scheme using a dual-filling-parameter technique was utilized to predict both melt front and gas front advancements during the mold filling process. Simulated distribution of gas penetration shows reasonably good coincidence with the experimental observations.     

基于格子Boltzmann方法的微通道内气液两相流流型和压力降特性研究

微流体广泛应用于生物医学和化工等领域。采用格子Boltzmann方法对T型微通道内气液两相流的流动特性进行研究,分析壁面特性、气液流速和气液流速比等对两相流运动特性的影响。结果表明：壁面接触角越大越容易形成气泡,随着毛细数的增大,分散相脱离点逐渐远离两相入口,形成更长的分层流,不易形成气泡;当气相流速较大,生成气泡的位置远离T型微通道交叉处,分层流的长度增加;不同条件下沿微通道方向压力逐渐减小,在气液两相交汇区域压力存在波动;微通道轴线流速的峰值出现“滞后”现象,速度波动随气液流速比增大而增大;大密度比气液两相流模拟,可以对宏观实验现象的机制进行更深入的解释。     

气辅成型中高压气体射流扩散特征分析

通过试验研究和理论分析,研究了气辅成型工艺中气体穿透聚合物熔体的扩散特征。结果表明,在气体注射点近区,气体对聚合物熔体冲击程度较大,呈现出复杂流动形态及扩散特征;当气泡穿透到离注气点一定距离后才趋于均匀;在气泡末端,由于气体的二次穿透作用而使气泡变得细而长。研究结果对于气辅工艺开发和气辅模具设计有重要指导意义。     

聚焦型微通道内气泡生成特性数值模拟

微气泡因具有比表面积小和稳定性好等特点被广泛应用于污水处理和矿物浮选等领域。为了高效获得稳定的微气泡,利用COMSOL软件研究了聚焦型微通道中气、液相流速、表面张力、液相黏度和壁面润湿性对气泡生成的影响。结果表明：当气相流速增加时,气相克服表面张力的能力增强,气泡的脱离尺寸和频率增大,脱离时间减小;液相流速增加时作用在微气泡上的惯性力和剪切力增大,气泡脱离时间和脱离尺寸均减小;表面张力增大时气泡脱离时间和脱离尺寸增大,脱离频率减小;液相黏度增大时,作用于气泡的黏性力随之增大,气泡的脱离时间和脱离直径均随之减小,脱离频率增大;接触角从40°增大到180°,气泡的脱离尺寸和脱离时间整体先增大后减小,脱离频率先减小后增大。     

Modeling and simulation of polymer melts flow in the extrusion process of plastic profile with metal insert

The extrusion technology of plastic profile with metal insert is recently an advanced plastic processing method whose products keeps rising today for their excellent performance. However, the related fundamental research on polymer forming mechanism in the extrusion process of plastic profile with metal insert is lagging behind. With the development of computational fluid dynamics (CFD) theory, numerical method becomes an effective way to investigate such complex material forming problems as in the polymer extrusion process. In the present study, the mathematical model for three-dimensional non-isothermal viscous flow of the polymer melts obeying a Carreau model is developed based on the CFD theory. The Williams–Landel–Ferry equation is employed to involve the temperature dependence of material parameters. A decoupled numerical algorithm based on the penalty finite element method is conducted to predict the rheological behaviors of polymer melts within the complex flow channel. The streamline upwind/Petrov–Galerkin scheme is employed to improve the computational stability for the calculation of temperature field. Based on the theoretical model, the essential flow characteristics of polymer melts in the extrusion process of plastic profile with metal insert is investigated. The distributions of principal field variables like flow velocity, melt temperature, flow stress and pressure drop are predicted. The effects of die structure parameters including the intake angle and the distribution section length upon the melts flow patterns are further discussed. The variations of melt rheological properties versus different processing conditions like the volume flow rate and the metal insert moving velocity are also investigated. Some advice on practical processing operations of the extrusion process of plastic profile with metal insert is accordingly put forward based on the numerical results.     

焊接工艺参数对FGH96合金惯性摩擦焊过程材料塑性流动行为的影响

采用数值模拟方法对FGH96合金惯性摩擦焊过程进行分析,获得温度、轴向缩短量、材料流动与飞边四者之间的关系,着重研究初始转速与轴向压力等焊接工艺参数对材料塑性流动行为的影响规律。研究结果表明:在惯性摩擦焊初始阶段,材料温度与流动速度较低,无飞边产生;随着焊接过程的进行,材料的温度与流动速度呈现先升高后降低的规律;在焊接过程进入稳态后,摩擦面中心区域的材料主要沿试件的旋转方向流动,而摩擦面上两边界附近的材料向面外流动并形成飞边,飞边尺寸与弯曲程度随焊接时间的增加而增加。同时,随到摩擦面距离的增加,材料的流动速度逐渐降低且材料沿轴向流动的速度分量增大。结合FGH96合金惯性摩擦焊轴向缩短量的数值模拟结果,解释了从提高材料流动速度的幅度上看增加轴向压力优于初始转速的原因。