復(fù)聚合物及其合體系流動與結(jié)晶的多尺度模擬.pdf

1、成型加工過程中聚合物及其復(fù)合體系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)動態(tài)變化以及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)演化發(fā)展是決定制品最終性能的關(guān)鍵因素。由于采用傳統(tǒng)的數(shù)值模擬只能預(yù)測宏觀尺度的一些參數(shù)信息,無法直接獲得體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演化細節(jié)并為分析制品最終性能所用。為此,本文針對聚合物及其復(fù)合體系天然的多尺度特性,將多尺度方法引入到流動過程與結(jié)晶過程的數(shù)值模擬中。通過對聚合物及聚合物/短纖維復(fù)合體系流動、結(jié)晶過程的多尺度模擬與分析,探討了流動過程中體系的流變特性、各尺度結(jié)構(gòu)的演化以及結(jié)

2、晶過程中結(jié)晶形態(tài)的演化、增強體短纖維的作用等。主要工作包括:
　　(1)對等溫及非等溫聚合物流體流動過程進行了多尺度建模及數(shù)值模擬。所建立的多尺度模型包含了宏觀上基于連續(xù)介質(zhì)力學的三大守恒方程以及微觀上描述聚合物大分子鏈的FENE-P啞鈴構(gòu)型演化方程。針對該模型,首次采用基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的同位有限體積法進行了離散求解,并數(shù)值模擬了聚合物流體在4:1平板收縮流和圓柱繞流這兩類基準流道中的流動行為。本文首次提出了采用分子構(gòu)型張量來形象描

3、述微觀分子構(gòu)型的可視化方法,并分析了不同流道、不同De數(shù)、不同溫度所對應(yīng)的微觀大分子的取向、拉伸、形變等演化信息,得出了一些規(guī)律性的結(jié)論。此外,本文也從分子理論出發(fā),首次推導獲得了FENE-P模型的非等溫形式,并通過帶粘性耗散的圓柱繞流問題的模擬,揭示了溫升對聚合物宏觀、微觀性能的影響。
　　(2)對短纖維懸浮聚合物流體流動過程進行了多尺度建模及數(shù)值模擬。所建立的多尺度模型包含了宏觀上基于連續(xù)介質(zhì)力學的三大守恒方程、微觀上描述聚合

4、物大分子鏈的非等溫FENE-P啞鈴構(gòu)型演化方程以及介觀上描述短纖維運動的取向演化方程。針對該模型,采用基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的同位有限體積法進行了離散求解,并數(shù)值模擬了懸浮流體在4:1平板收縮流道中的流動行為;首次揭示了溫度的依賴關(guān)系以及溫度的改變對宏觀流場(流線、壓降)、微觀分子構(gòu)型(取向、拉伸、形變)、介觀纖維運動(取向)的影響;在非等溫情況下,首次探討了纖維長徑比、纖維體積分數(shù)、纖維間相互作用系數(shù)對體系流動性能的影響,得出一些有用結(jié)論。<

5、br>　　(3)對冷卻階段聚合物結(jié)晶過程進行了多尺度建模及數(shù)值模擬。所建立的多尺度模型包含了宏觀傳熱現(xiàn)象與微觀晶體生長兩部分。針對該模型,提出了有限體積/像素著色法耦合的多尺度算法。本著從簡單到復(fù)雜的思想,本文首先在不考慮傳熱的簡單溫度場下,采用像素著色法對聚合物結(jié)晶行為進行了模擬分析,給出了球晶的形態(tài)演化,預(yù)測了結(jié)晶速率,探討了溫度及溫度變化對球晶形態(tài)的影響等;接著以此為基礎(chǔ),在考慮傳熱現(xiàn)象的復(fù)雜溫度場下,采用構(gòu)建的有限體積/像素著色

6、法耦合的多尺度算法模擬了制品模壁等速降溫的冷卻過程,探討了模壁冷卻速率、熔體初始溫度等成型條件對結(jié)晶過程的影響,分析了宏觀溫度的發(fā)展規(guī)律,并比較了表芯層的結(jié)晶形態(tài)。
　　(4)對冷卻階段短纖維增強聚合物結(jié)晶過程進行了多尺度建模及數(shù)值模擬。所建立的多尺度模型包含了宏觀傳熱現(xiàn)象與微觀晶體生長兩部分。與聚合物結(jié)晶不同,增強體系下,微觀晶體生長受短纖維的影響,為此,本文建立了增強體系下結(jié)晶過程的參數(shù)描述模型,并提出了改進的像素著色法。本著

7、從簡單到復(fù)雜的思想,本文首先在簡單溫度場下,就建立的參數(shù)描述模型,采用改進的像素著色法對其進行了考察分析,詳細探討了纖維表面成核密度、聚合物基質(zhì)成核密度、纖維面積分數(shù)、纖維尺寸對體系結(jié)晶過程的影響,得出一些有益結(jié)論;隨后以此為基礎(chǔ),在考慮傳熱現(xiàn)象的復(fù)雜溫度場下,采用有限體積/改進的像素著色法耦合的多尺度算法模擬了制品模壁等速降溫的冷卻過程,探討了模壁冷卻速率、熔體初始溫度等成型條件以及短纖維物性對體系結(jié)晶過程的影響。
　　(5)對

8、成型加工過程中固液兩相共存體系建立了耦合流動誘導結(jié)晶的固液兩相懸浮模型。該數(shù)學模型認為半結(jié)晶相懸浮于無定形相組成的溶液中,無定形相用彈性啞鈴模型描述,而半結(jié)晶相則采用剛性啞鈴模型描述,無定形相向半結(jié)晶相轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化分數(shù)滿足修正的Kolmogorov方程。由于兩相懸浮模型描述微觀結(jié)構(gòu)的演化細節(jié)過于詳細,計算量偏大,不利于數(shù)值模擬,為此,本文由懸浮模型出發(fā),推導獲得了兩相混合模型?；旌夏Ｐ托问胶唵?有望用于計算模擬。此外,本文也從混合模型出發(fā)