擠出加工流場(chǎng)中聚合物成型機(jī)理及其工藝模擬與優(yōu)化研究.pdf

1、高分子材料、木材、金屬和硅酸鹽并稱(chēng)世界四大材料體系，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中重要的生產(chǎn)材料。圍繞高分子材料，目前已形成了門(mén)類(lèi)齊全的高分子材料加工工業(yè)體系并在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。擠出是高分子材料成型加工中一類(lèi)重要工藝，通過(guò)擠出模具能夠模塑所有的熱塑性材料和某些熱固性材料，可以生產(chǎn)管材、板材、棒材、網(wǎng)材、單絲、薄膜、異型材、發(fā)泡型材、多種材料復(fù)合制品以及線纜等帶包覆層的工業(yè)制品。擠出成型過(guò)程中，受溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)力以及作用時(shí)間等變化的影響，

2、體系中聚合物熔體的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。擠出工藝條件在很大程度上決定著材料的結(jié)構(gòu)和性能，并最終影響成型制品的外觀和質(zhì)量。 由于擠出成型過(guò)程影響因素較多，借助常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法，成本高且耗時(shí)費(fèi)力。目前，圍繞聚合物擠出流動(dòng)過(guò)程所開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究大多在實(shí)驗(yàn)室中完成，其實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕菑难芯坎牧献陨砹髯冃猿霭l(fā)，以簡(jiǎn)單剪切和拉伸流動(dòng)為測(cè)試模型。由于先進(jìn)測(cè)試方法難以直接引入擠出工藝現(xiàn)場(chǎng)，普通測(cè)試方法又不可避免會(huì)對(duì)擠出加工流場(chǎng)中聚合物熔體流動(dòng)

3、行為造成影響并導(dǎo)致大量系統(tǒng)誤差，因此，實(shí)驗(yàn)方法只能定性但難以定量描述聚合物加工中的實(shí)際流變行為。數(shù)值模擬技術(shù)經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，其對(duì)于大規(guī)模復(fù)雜物理和工程問(wèn)題的優(yōu)秀解算能力吸引了科研人員的目光，并逐步在力學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，加快了現(xiàn)代科技發(fā)展步伐。 本文探討了數(shù)值模擬技術(shù)在聚合物流變學(xué)中的應(yīng)用，研究了聚合物擠出成型過(guò)程的模型化理論和數(shù)值計(jì)算方法，構(gòu)造了能夠描述擠出過(guò)程中聚合物流變行為特點(diǎn)的物理和數(shù)學(xué)模型。通

4、過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)，成功預(yù)測(cè)擠出加工流場(chǎng)中聚合物熔體的流動(dòng)速度、應(yīng)力和溫度等重要場(chǎng)變量分布特點(diǎn)及其變化規(guī)律，討論并分析聚合物的復(fù)雜流變行為及其成型機(jī)理。將成型過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)與現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)理論相結(jié)合，建立并運(yùn)用相應(yīng)的優(yōu)化模型和算法，實(shí)現(xiàn)成型工藝與制品質(zhì)量的優(yōu)化控制。 在聚合物流變學(xué)基礎(chǔ)上，結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)理論，建立了基于Euler描述的非牛頓流體三維非等溫流動(dòng)數(shù)學(xué)模型。采用基于低階插值的罰函數(shù)有限元方法，成功避免了混合有限元方法中為穩(wěn)

5、定壓力項(xiàng)求解所采用的高階插值，從而有效利用運(yùn)算資源，將求解空間擴(kuò)展至三維。充分考慮了剪切速率和溫度變化對(duì)材料流動(dòng)性的影響，采用非線性粘度模型，實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)與傳熱的耦合求解。通過(guò)線性化交替迭代算法，在迭代過(guò)程中實(shí)現(xiàn)非線性項(xiàng)的線性化，減小了初始變量分布對(duì)計(jì)算收斂性影響。采用流線迎風(fēng)Petrov-Galerkin(SUPG)方法，通過(guò)構(gòu)造非對(duì)稱(chēng)權(quán)函數(shù)來(lái)增大流場(chǎng)中來(lái)流上游效應(yīng)，克服了標(biāo)準(zhǔn)伽遼金(Galerkin)方法在處理對(duì)流擴(kuò)散方程時(shí)因?qū)α髡純?yōu)

6、所引起的數(shù)值振蕩問(wèn)題。通過(guò)理論分析，推導(dǎo)了冪率流體圓管泊肅葉(Poiseuille)流動(dòng)中的各場(chǎng)變量分布函數(shù)，將模擬與理論結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證該非牛頓流動(dòng)數(shù)學(xué)模型與數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。 本文所建立的非牛頓流體三維非等溫流動(dòng)數(shù)值模擬技術(shù)不僅可用于分析一般非牛頓流動(dòng)問(wèn)題，在處理目前流動(dòng)模擬技術(shù)難以預(yù)測(cè)的復(fù)雜工藝問(wèn)題時(shí)也表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性?；谠摲椒?，本文首次針對(duì)一類(lèi)新型復(fù)合共擠出工藝——異型材鋼塑共擠工藝過(guò)程開(kāi)展了數(shù)值建模及其工藝

7、分析工作。根據(jù)其不同于常規(guī)擠出工藝的特點(diǎn)，建立了該工藝過(guò)程中聚合物成型的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模擬計(jì)算，得到聚合物熔體由測(cè)向?qū)胫翉?fù)合成型整個(gè)流動(dòng)過(guò)程的速度、溫度、應(yīng)力和壓力等各場(chǎng)變量的分布，掌握了聚合物熔體的流動(dòng)特點(diǎn)與成型規(guī)律，討論了體積流量和鋼襯移動(dòng)速度變化對(duì)各場(chǎng)變量分布的影響。定義流速分布相對(duì)均差作為判斷擠出流動(dòng)平衡性的依據(jù)，模擬并得到不同導(dǎo)入角角度和分流段長(zhǎng)度對(duì)擠出流動(dòng)平衡的影響，分析結(jié)論可為實(shí)際異型材鋼塑共擠工藝設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)與支持

8、。 擠出加工流場(chǎng)中的聚合物熔體除了具有非牛頓流動(dòng)特性外，還表現(xiàn)出較強(qiáng)的彈性流動(dòng)特點(diǎn)。針對(duì)該問(wèn)題，本文建立了能夠真實(shí)反映成型過(guò)程中聚合物熔體粘彈流變特性的三維粘彈非等溫流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造了穩(wěn)定的有限元數(shù)值求解方法并將其成功應(yīng)用于聚合物擠出工藝模擬與分析中。采用PTT(Phan-Thien-Tanner)本構(gòu)模型描述聚合物熔體的粘彈流變行為，在反映聚合物熔體剪切流動(dòng)特點(diǎn)的同時(shí)，能較真實(shí)地反映其拉伸流動(dòng)特點(diǎn)?？紤]粘彈介質(zhì)特有的能量耗散

9、模式，在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上，根據(jù)非平衡不可逆熱力學(xué)理論首次推導(dǎo)了該粘彈介質(zhì)的能量守恒方程。將粘彈性附加應(yīng)力張量作為有限元基本解，采用解耦方法實(shí)現(xiàn)了三維空間中速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的多物理場(chǎng)穩(wěn)定求解。將應(yīng)力張量作為擬體力項(xiàng)處理后，動(dòng)量方程會(huì)失去橢圓性并導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果發(fā)散。通過(guò)分離粘彈分裂(DEVSS)方法，引入穩(wěn)定化因子對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行橢圓化處理，提高了速度場(chǎng)求解的穩(wěn)定性。采用非協(xié)調(diào)流線迎風(fēng)(SU)方法克服了本構(gòu)方程在對(duì)流占優(yōu)時(shí)的數(shù)值振

10、蕩問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力場(chǎng)的穩(wěn)定求解。通過(guò)對(duì)粘彈流體4:4:1收縮流動(dòng)模擬結(jié)果與polyflow軟件模擬結(jié)果的比較，證明本文所建立的粘彈流動(dòng)模型和數(shù)值計(jì)算方法的合理與可靠性。將該模型與方法成功應(yīng)用于異型材擠出工藝過(guò)程模擬，討論了網(wǎng)格密度、罰數(shù)和能量分割系數(shù)等計(jì)算控制參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響。分析了中空異型材擠出過(guò)程中聚合物熔體的流動(dòng)速度、溫度和應(yīng)力分布，討論了加工流場(chǎng)中聚合物熔體的粘彈流動(dòng)特點(diǎn)，獲得了工藝條件和口模結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)聚合物流變行為的影

11、響規(guī)律。 擠出脹大是聚合物擠出成型工藝中無(wú)法回避的一個(gè)問(wèn)題。由于加工中聚合物熔體的粘彈流變特性，熔體離開(kāi)口模時(shí)，形變回復(fù)等會(huì)導(dǎo)致聚合物熔體的擠出脹大，表現(xiàn)為擠出物截面形狀和尺寸發(fā)生變化，對(duì)擠出制品的尺寸和精度造成影響。本文在粘彈流動(dòng)數(shù)值模擬技術(shù)基礎(chǔ)上，建立了聚合物熔體三維擠出脹大的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值求解方法并編制了相應(yīng)的有限元模擬程序。針對(duì)一種工業(yè)用低密度聚乙烯(LDPE)的擠出脹大問(wèn)題開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)及其數(shù)值模擬研究。通過(guò)控制應(yīng)變流變儀

12、分別得到小幅振蕩剪切流動(dòng)中儲(chǔ)能和耗能模量的分布以及穩(wěn)態(tài)剪切流動(dòng)中剪切粘度和第一法向應(yīng)力差的分布。采用非線性回歸方法擬合流變測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到以PTT本構(gòu)模型表征的材料線性和非線性粘彈流變參數(shù)。通過(guò)間接測(cè)量，得到不同螺桿轉(zhuǎn)速時(shí)LDPE通過(guò)圓形口模時(shí)的出口擠出脹大比。采用本文所建立的聚合物擠出脹大數(shù)學(xué)模型及其數(shù)值求解方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件下LDPE的擠出脹大過(guò)程進(jìn)行模擬，比較了擠出脹大比的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果。通過(guò)擠出脹大數(shù)值模擬，進(jìn)一步討論了LDPE

13、通過(guò)圓環(huán)口模時(shí)的出口擠出脹大問(wèn)題，得到實(shí)驗(yàn)中難以測(cè)得的流動(dòng)速度和應(yīng)力等場(chǎng)變量分布，可對(duì)擠出脹大特點(diǎn)及其形成機(jī)理進(jìn)行定性與定量分析和預(yù)測(cè)。 聚合物擠出成型過(guò)程數(shù)值模擬是被動(dòng)式的，實(shí)際應(yīng)用中需依靠專(zhuān)業(yè)工程技術(shù)人員的智力、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，然后修改設(shè)計(jì)。本文將擠出成型過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)與優(yōu)化設(shè)計(jì)理論相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)成型過(guò)程與制品質(zhì)量的優(yōu)化控制。在成型過(guò)程模擬技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)值模擬、前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的聚合

14、物擠出工藝與模具優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。根據(jù)擠出流動(dòng)平衡原則，建立了以出口流動(dòng)均勻性為目標(biāo)，以工藝和模具結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化模型。通過(guò)成型過(guò)程數(shù)值模擬獲得目標(biāo)函數(shù)值以建立訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的樣本庫(kù)，采用反向誤差傳播算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，建立用于預(yù)測(cè)隱目標(biāo)函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，從而有效減小有限元模擬計(jì)算量。通過(guò)遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交互運(yùn)算，得到優(yōu)化結(jié)果，使設(shè)計(jì)建立在科學(xué)分析的基礎(chǔ)上從而提高擠出加工工藝設(shè)計(jì)水平。探討了該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法各模塊計(jì)算實(shí)施中的關(guān)鍵

15、技術(shù)問(wèn)題，編制了聚合物擠出工藝與模具優(yōu)化設(shè)計(jì)程序。分別針對(duì)異型材鋼塑共擠工藝過(guò)程和片材擠出工藝過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并達(dá)到相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)。 數(shù)值模擬技術(shù)在聚合物加工工程領(lǐng)域的應(yīng)用已成為計(jì)算流變學(xué)的重要分支之一。近年來(lái)，盡管流體力學(xué)數(shù)值方法取得了較大進(jìn)展，但在處理復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題時(shí)，其解算能力仍受到流動(dòng)區(qū)域和計(jì)算穩(wěn)定性的限制。尤其對(duì)于復(fù)雜工程與工藝問(wèn)題，其數(shù)學(xué)建模和數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)研究鮮有報(bào)道。本文針對(duì)擠出加工流場(chǎng)中聚合物熔體非牛頓粘性和彈