单螺杆大振幅振动对挤出影响的数值模拟研究.pdf

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1、四论文单螺杆大振幅振动对挤出影响的数值模拟研究蔡永洪孙晓辉黄锋(1．广州计量检测技术研究院2．北京理工大学珠海学院机械与汽车学院)摘要：借助CFD专用模拟软件PolyFlow，本文模拟了动态塑化单螺杆挤出机计量段中，聚合物熔体在单螺杆大振幅振动条件下的三维非等温输送流场，研究了大振幅振动力场对挤出产量、功率及螺杆特性的影响。模拟结果显示：振动参数有一个可选范围，当螺杆振动幅值超过该范围而落入横流反向区时，挤出流率将急剧下降，产能比严重降低，螺杆特性变软。关键词：大振幅振动；挤出；模拟几何效应(曲率、终端、侧壁)，以及

2、漏流损失。然1引言而，倘若综合考虑以上因素，则难以在数学上取得解熔体振动技术在聚合物成型加工领域有着广泛析解。为此，通常根据研究重点只考虑其中几个因素的应用，最初应用在热压成型的冷却过程中，可提高而忽略或简化其它的因素，如使用线性本构模型、使制品的力学性能Ⅲ；后来推广到注射成型的保压和冷用等效(或平均)牛顿粘度【8】、线性叠加拖曳流与压却过程中，可提高制品的密度和强度，消除熔接痕【]；力流[9]；或者借助数值计算方法进行数值模拟[10,11】。还可应用在挤出成型过程中，提高产量，减小挤出胀本文综合考虑二维流场耦合、熔

3、体非牛顿特性和大【3】。瞿金平发明的电磁式动态塑化挤出机【4]巧妙的剪切热耗散等非线性影响，借助计算流体力学(CFD)运用电磁场使螺杆在转动的同时又有轴向和周向的专用模拟软件PolyFlow对单螺杆大振幅振动下的熔振动。由于螺杆振动，螺槽内的物料在输送过程中受体输送过程进行模拟研究。到振动力场的压实和剪切作用。在进料段和压缩段，2物理模型与数学模型振动有助于压实物料，提高熔融速率【5】；在熔体输送段，振动有助于强化层流混合，降低熔体粘度[6]。与为了简化物理模型，这里忽略螺杆曲率效应，将传统塑化挤出机相比，电磁式动态

4、塑化挤出机可节能螺旋槽展开为平板槽，并在槽末端连接一个楔形收敛30％~50％，可加工塑料品种更宽【7Jo然而，振动强口模(H=27mm，d=10mm)。假设平板槽内已完全度(频率×振幅)是否越大就越好呢?基于这个问题，充满聚合物熔体，对流域内的熔体进行网格划分，如本文将对单螺杆大振幅振动对挤出成型的影响进行图l所示。平板槽模型的几何参数采用电磁动态塑化研究。挤出机S／DD一260型(转子直径为260mm)螺杆计量与固体输送和熔融塑化两个阶段相比，计量段的段的结构参数，如表l所示。熔体输送更直接地影响着挤出机的整机性能

5、。在工程计算中，通常以计量段的输送流率代表挤出机的产量，以计量段的输送功率衡量整机的挤出功率。因此，为了研究单螺杆大振幅振动对挤出成型的影响，本文将重点研究大振幅振动力场对计量段内熔体输送的影响。一个完整的熔体输送理论应该包括二维流场耦(a)物理模型(b)有限元网格合、熔体非牛顿特性、剪切热耗散与热传递、螺槽的图1带有楔形口模的平板槽模型基金项目：国家自然科学基金资助项目(10472034)2011年第3期自动化与信息工程15表1SJDD．260型螺杆计量段的结构参数物熔体在拖曳流动时，为了克服螺棱和机头的阻力而直径

6、螺旋升角计量段长度螺槽宽度螺纹高度粘性增压，产生压力流动。从图2(0螺槽纵向压力分D(mm)(。)，)w(mm)h(ram)布曲线可以看出：当t=-0．12s时计量段压力差最大。UlI3017．657272从图2(a)、图2(b)可知：该时刻熔体横向速率很小、n一为了描述聚合物熔体在螺槽内的粘性流动，选择纵向速率近似为线性分布，说明熔体做近似纯拖曳流广义牛顿流体本构方程为：似动，即计量段压力差对流场的影响几乎为零。由于其T=2r／()7)D(1)∞它时刻的纵向压力差更小，因此，本文可忽略纵向压其中，T是偏应力张量；D

7、是形变速率张量；77力梯度的影响。这时，横流则成为二维耦合流场非线是非牛顿流体粘度；是剪切速率。当考虑二维流场性分布的主要影响因素。耦合时，剪切速率定义为：户=√=可‘(2)假设聚合物熔体密度为8~0kg／m3，比热容为2．43KJ／kg~C，热传导系数为0．24W／m~C，熔体在110~C条件下的粘度方程为：，ll)Y¨Y(a)横向速度分布(b)纵向速度分布假设粘度对温度满足修正的Arrhenius模型，即：1(户，)叩(，1lo)‘expE一0·0117(T—l10)](4)兰l童lg熔体由于料筒的拖曳在螺槽内呈

8、螺旋线型向前墨hI脉动输送。当输送达到动态平衡时，料筒温度保持在l1800C，螺杆转速设定在N=lr／m。为了研究螺杆大Yy●畸(c)剪切速率分布(d)横向温度分布振幅振动的影响，固定振动频率为f=10Hz，分别取振幅A=1．5mm、0．9mm、0．6ram、0．3mm进行流动模拟。为了叙述方便，引入无量纲因子：占=2Af／DN(5)并定义为振