聚合物挤出成型模拟技术的研究及应用

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1、上海交通大学博七后研究报告聚合物挤出成型模拟技术的研究及应用摘要汽车己经成为人们日常工作生活中必不可少的交通运输一卜具，橡胶密封条作为汽车中必不可少的零部件起着重要的密封连接作用。近年来。新型汽车开发周期不断缩短，高性能橡胶密封件生产技术的更新速度也随之要求加快，使得传统的开发技术不能相适应。例如，目前对橡胶密封件生产的关键部件挤出口模的设计采用的是试差法，需要多次返工修正，试制时间长、成本高，为此，迫切要求采用计算机模拟挤出成型过程的技术，指导口模及流道的设计，以求缩短新产品开发周期、优化挤出生产工艺、降低生产成本。因此，开展本课题的研究对于促进

2、橡胶密封件生产的技术进步具有重要的意义。本课题结合国家自然科学基金“十五”重大项目(50390090)05课题《反应挤出中化学流变学与输送过程的研究》和上海汽车工业科技发展基金项目(0314)《汽车橡胶密封件挤出成型过程模拟CAE分析技术研究》，针对复杂截面的橡胶密封件，系统地进行挤出成型模拟技术的研究。1.对橡胶的流变性能进行了实验研究。通过流变学测试方法对型号为EPDM60不含硫化体系的混炼胶进行了流变性能测试，对线性粘弹性、非线性剪切性质、拉伸流动性质进行表征，同时对其挤出胀大现象进行研究，并通过实验数据拟合出本构方程的参数。(1)通过线性粘

3、弹性的表征，发现EPDM60橡胶材料的G'>G'，表明EPDM60橡胶具有类固态的行为。(2)通过非线性粘弹性的表征，发现EPDM熔体的稳态剪切粘度与复数粘度之间存在差别，表明EPDM材料在挤出成型过程中发生了微结构改变;EPDM熔体很大具有极高的粘度，呈现“剪切变稀”的流动行为;EPDM60熔体的第一法向应力差比粘性剪切应力小一个数量级，而且蠕变回复非常小，说明材料主要是以粘性为主，只存在微小的弹性;拉伸粘度也有强烈的拉伸变稀行为，拉伸粘度随温度的上升而下降。(3)通过挤出胀大实验，发现增大剪切速率，EPDM熔体的胀大比先增加，然后趋向于一摘要个

4、平台，亦即当流量增大到某个临界值时并不改变胀大程度。(4)通过对流变实验数据的拟合，分别得到了不同类型的本构方程的参数，为聚合物挤出成型的数值模拟打下基础。2对聚合物挤出成型数值模拟的关键技术进行了研究(1)对聚合物挤出过程数值模拟中所涉及的5种边界条件进行了研究，着重分析了口模壁面滑移条件所遵循的滑移定律和计算自由边界条件所需要的运动学条件和动力学条件。合理地确定求解区域的边界条件，是求解问题的重要前提。(2)对网格重置技术的特点、方法类型和选择的原则进行了研究，介绍了挤出成型模拟中常用的网格重置方法。网格重置技术是控制网格变形的有效方法，正确选

5、择适当的网格重置技术将直接影响计算的收敛性与精度。(3)对参数渐变法的求解方法、函数的类型和参数确定进行了研究，参数渐变法楚解决聚合物挤出过程中的非线性问题的合理有效的方法，也是挤出过程数值模拟的一个核心技术。(4)对数值积分的方法、特点和积分求解策略进行了研究，选择合适的数值积分方法和求解策略，可以有效地提高计算精度和收敛稳定性。3以圆形口模和矩形口模等简单口模为研究对象，对EPDM60橡胶在口模中的流动特性和挤出胀大现象进行研究，为复杂口模的挤出成型的数值模拟提供借鉴。(L)采用粘性Bird-Carreau模型与枯弹PTT模型对EPDM60在毛

6、细管内流动及胀大进行了有限元模拟。模拟得到的胀大比与毛细管挤出胀大实验进行了比较，发现粘性Bird-Carreau模型预测结果相对与PTT模型更接近于实际值，最大相对偏差仅为3%，其原因EPDM60内填充了大量的无机填料，改变了材料的基本性质，降低了EPDM的弹性，增大了材料的模量。模拟结果也分析了流场诸参数的分布，如压力、速度、粘度等，这些信息对实际加工过程了解管道内部EPDM流动状态，优化加工工艺与参数起到指导作用。不同的挤出流量影响胀大比，模拟分析表明:增大流量，胀大现象也增强，但幅度不大，存在一个临界流量，加工流量大于这个临界值时，挤出胀大

7、不再改变。(2)模拟了EPDM60在矩形口模中的流动，预测了挤出胀大现象.为了得到矩形截面的制品，在计算机上实现口模设计，并得到口模的尺寸图。针对材料不同的性质，采用两类模型描述流体的流动行为:粘性Bird-Carreau模型与粘弹PTT模型。模拟结果体现了可回复弹性能的存在对最后制品形状以及口模设计的巨大影响，因此在进行挤出模拟实验时要采用合适的本构方程以土海交通大学阵士后研究报告体现流体的真实流动行为。模拟得到流场参数，如速度、应力等分布，并以此分析了不同区域聚合物熔体所受到的流场作用。中心线上流体仅仅受到强烈拉伸作用，剪切作用很弱。4.系统地

8、对熔体在复杂口模挤出过程进行了数值模拟研究，对熔体在复杂口模的流动特点和挤出物的变形规律有了一定的了解。(1)在相同的流量