异型材聚合物挤出与钢塑共挤过程的有限元模拟关键技术及其机理研究

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1、山东大学博士学位论文异型材聚合物挤出与钢塑共挤过程的有限元模拟关键技术及其机理研究摘要聚合物挤出：[艺是塑料制品加工的重要手段，适用于加工管材、棒材、薄膜、单丝、电线、电缆、异型材和中空制品等，目前已发展成为制造业的一个重要的领域。在当前的挤出工艺和模具设计中，传统的经验设计和常规的实验方法已经不能很好地满足生产指导的需要，而计算机模拟(CAE)技术的应用在节约成本、提高效率等方面显示出了巨大优势。随着计算机软硬件技术的发展以及计算流体力学(cFD)理论的日臻完善，聚合物挤出成形过程的三维有限元数值模拟成为了现实。利用数值模拟方法，可以明确整个成形过程的全部细节问题，为工艺设计和模具优化提供

2、强有力的支持。因此，聚合物挤出过程的数值模拟技术已成为挤出工艺和模具设计研究的重要课题。本文建立了粘性不可压缩流体三维稳态非等温流动的有限元模型；并成功应用于聚合物挤出过程的数值模拟；进一步深入研究了钢塑共挤工艺，分析了聚合物熔体在模具中成型过程，获得了主要的工艺参数对成型过程的影响规律；建立了粘弹流体三维稳态流动的有限元模型；对聚合物挤出过程数值模拟若干关键技术问题进行了研究，在此基础上初步开发了聚合物挤出过程计算机模拟系统。由于有限元法能很好的处理几何边界不规则和边界条件复杂的问题，目前在计算流体学中成为主要的研究方法。本文以幂率型(Power—la州和Carreau模型为例，建立了粘性

3、不可压缩流体三维稳态非等温流动的有限元模型。采用罚有限元法将连续性方程引入动量方程，从而避免了对压力项直接求解，在近似满足不可压缩约束条件下求解了速度场分布，节省了存储空间和计算时间；采用StreamlineUpwind／Petrov-Galerkinformulation(supG)方法构造非对称权函数，克服了能量方程对流项占优时导致的数值解的震荡；对采用了SUPG技术的能量方程的剐度矩阵对称化处理，为确保数值解的稳定性，在对角线引入了稳定项，从而采用半带宽存储提高了计算的效率；耦合粘性耗散的影响，获得了剪切生热情况下的温度场分布；运用幂律型流体的本构关系和Arrhenius模型计算了温度

4、和剪切速率对粘度的影响，使粘度在迭代计算中的结果更为真实。对模型中涉及的关键技术进行摘要了深入的研究，分析了罚数、SUPG技术刚度矩阵对称化处理技术、稳定项等对计算精度和效率的影响，给出了主要参数的选取方法和合理的取值范围；编写了计算求解程序，通过实例分析获得了流体流场中的场量分布，通过与商品化有限元软件和文献资料的比较，证明了所提出的数值方法的可行性和所编写的求解程序的可靠性。基于上述理论研究，结合聚合物挤出工艺的特点，建立了聚合物挤出过程模拟的有限元模型。基于有限元的理论，提出了模拟的流程框图；研究了入口速度边界的提取等关键技术，采用VC++语言编写了求解程序。在此基础上，对前处理和后处

5、理中的网格划分、等值线绘制等关键技术进行了研究，初步开发了聚合物挤出过程有限元模拟系统。分别对实心异型材、中空异型材和敝口异型材三种典型的挤出实例，采用编写的有限元模拟系统对聚合物在模具中的流动行为进行了分析，获得了速度、温度、压力、应力的场量的分布；对聚合物在模具中的流动行为进行分析，进一步给出了模具结构的合理设计的判断依据。尽管对系统只进行了初步的开发，但有限元系统的三个模块均具有核心的源程序，随着研究的深入开展，有望成为具有自主版权的聚合物异型材挤出过程有限元模拟的通用分析软件。以粘弹型UcM本构模型为对象，建立了粘弹流体三维稳态等温流动的有限元模型，推导了罚有限元的基本公式，给出了求

6、解的整体框架，编写了求解程序。采用罚有限元消去了动量方程中的压力项；采用拟体力方法将应力项移植到方程的右边；采用去耦算法，并将动量方程椭圆化；采用改进的SUPG技术对本构方程中的对流项进行修正，增加了数值解的稳定性。建立的总体有限元方程求解的基本变量为速度和应力项，避免了对压力和形变速率的直接求解，节约了计算机存储空间，显著提高了求解效率。通过实例分析获得粘弹流体在流场中的场量分布，并与POLYFLOw的计算结果进行了对比分析，获得良好的一致性。异型材钢塑共挤是一种新兴的聚合物和金属复合成型的先进的材料成形方法，由于其工艺和模具的新颖性和复杂性，目前在工艺和模具设计中困扰企业的一些关键技术问

7、题有待解决。本文通过对异型材钢塑共挤工艺的深入分析，总结出工艺和模具设计的几个关键技术问题。根据异型材钢塑共挤模具各段的工艺特点，分别建立了模型并进行模拟，获得了聚合物在钢塑共挤模具内成形的一般规律；分析了导入角、过渡段长度、体积流量、钢衬拖动速度等参数对成形过程中速度场、温度场、压力场和应力场的影响规律，给出了这些参数在模具设计中的II山东大学博士学位论文选取方法和取值范围，可为钢塑共挤模具设计和优化提供理