短纖維增強(qiáng)注塑流動(dòng)的宏介觀模擬研究.pdf

1、短纖維增強(qiáng)注塑成型過(guò)程經(jīng)歷了相當(dāng)復(fù)雜的變形歷史和相態(tài)變化，如熔融、熔體流動(dòng)、固化等一系列非等溫、非平衡過(guò)程，并伴隨有相變、分子取向、可能的結(jié)晶和纖維取向等復(fù)雜的物理化學(xué)變化，是一個(gè)典型的多尺度問(wèn)題。研究聚合物及其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在整個(gè)成型加工過(guò)程中的變化規(guī)律，建立結(jié)構(gòu)形態(tài)與成型加工條件及制品宏觀性能之間的定量關(guān)系，已成為聚合物成型加工領(lǐng)域的前沿問(wèn)題。本文以實(shí)驗(yàn)分析為基礎(chǔ)，采用耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法實(shí)現(xiàn)了短纖維增強(qiáng)聚合物熔體流動(dòng)的介觀模擬研究，建

2、立了短纖維增強(qiáng)注塑充填流動(dòng)的宏介觀雙尺度耦合模型。其中所做的主要工作如下：
　　 1.實(shí)驗(yàn)研究了剪切速率、溫度、纖維濃度、長(zhǎng)徑比等參數(shù)對(duì)短纖維增強(qiáng)聚合物熔體黏度影響變化規(guī)律和小振幅振蕩剪切流場(chǎng)、穩(wěn)態(tài)剪切流場(chǎng)、瞬態(tài)剪切流場(chǎng)的黏彈性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：短纖維增強(qiáng)聚合物熔體是假塑性流體，短纖維的加入并未改變聚合物基體材料的流動(dòng)曲線類型；短纖維含量較低時(shí)，體系黏度變化不明顯，當(dāng)含量超過(guò)20％后，短纖維增強(qiáng)聚合物熔體黏度開(kāi)始升高；短纖維長(zhǎng)徑

3、比越大，對(duì)熔體黏度影響越明顯。
　　 2.發(fā)展了單纖維在流場(chǎng)中的動(dòng)力學(xué)方程、纖維取向分布函數(shù)隨時(shí)間的演化方程和取向張量的演化方程。分析了纖維運(yùn)動(dòng)、取向和流場(chǎng)及其自身參數(shù)的關(guān)系。研究結(jié)果表明：(1)短纖維粒子周期性運(yùn)動(dòng)與所受的剪切流場(chǎng)、長(zhǎng)徑比有關(guān)，剪切速率越大，旋轉(zhuǎn)周期越短：長(zhǎng)徑比越大，旋轉(zhuǎn)周期越長(zhǎng)。(2)在不同剪切速率流場(chǎng)中，纖維取向分布有很大變化。剪切速率越大，取向分布越窄，越趨向于剪切流動(dòng)方向。
　　 3.構(gòu)造了短纖

4、維增強(qiáng)聚合物分子和分子鏈的粗化模型，提出了基于耗散粒子動(dòng)力學(xué)的熔體流動(dòng)數(shù)值模擬方法。將短纖維增強(qiáng)聚合物熔體近似為包含圓柱狀固體顆粒的流固兩相流結(jié)構(gòu)，建立了耗散粒子動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程及粗化鏈構(gòu)象變化方程。按照第三類固液邊界條件解決了熔體粒子穿透壁面帶來(lái)的不平衡問(wèn)題，完成了單纖維聚合物熔體在代表性體積單元內(nèi)流動(dòng)的耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬。模擬結(jié)果表明：高分子粗化鏈的伸展率隨剪切速率的增大而增大，且隨時(shí)間步的累積逐漸變大；高分子粗化鏈沿著流場(chǎng)流動(dòng)方向取

5、向，剪切速率愈大，取向越明顯；短纖維也沿著流場(chǎng)流動(dòng)方向取向，剪切速率愈大，取向越明顯。模擬結(jié)果與完成的30％短玻纖增強(qiáng)聚丙烯的注塑成型制品存在的“Skin-Core”結(jié)構(gòu)相符，初步實(shí)現(xiàn)了短纖維增強(qiáng)聚合物熔體體系的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和動(dòng)態(tài)行為的定性描述。
　　 4.建立了短纖維增強(qiáng)聚合物熔體注塑充填流動(dòng)的宏介觀雙尺度耦合模型?；诟褡硬柶澛Ｗ舆\(yùn)動(dòng)原理，采用Chapman-Enskog多尺度級(jí)數(shù)證明了介觀運(yùn)動(dòng)方程和宏觀運(yùn)動(dòng)方程求解問(wèn)題的

6、一致性。在此基礎(chǔ)上，將短纖維增強(qiáng)注塑充填流動(dòng)過(guò)程近似為由包含大尺度的宏觀流動(dòng)和小尺度短纖維運(yùn)動(dòng)所組成的宏介觀雙尺度問(wèn)題，將小尺度短纖維的運(yùn)動(dòng)和取向等信息貫穿到宏觀流場(chǎng)中，建立了宏觀流場(chǎng)和短纖維取向相耦合的控制方程。用有限元方法模擬了流場(chǎng)中物理量的大小和變化規(guī)律以及短纖維取向分布，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雙尺度耦合方法可以更準(zhǔn)確地描述宏觀流場(chǎng)內(nèi)短纖維的取向分布規(guī)律。
　　 上述研究成果豐富和發(fā)展了聚合物成型加工理論，開(kāi)辟了聚合物成