透明塑料板件注射 压缩成型模拟研究.doc

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1、第31卷第3期2011年6月航空材料学报JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSVoL31.No.3June2011透明塑料板件注射•压缩成型模拟研究李毅超，张宜生，李德群(华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实脸室，武汉430074)播要：在非线性数值算法基础上，釆用水平集方程、动宣方程与能量方程进行多物理场全耦合计算的方法.对非对称几何板件的注射•压缩成型过程进行了模拟分析。结果表明，注射•压缩工艺较传统注射工艺能够显著降低制成件收缩率；成型过程中熔体的纤维流线长度与温

2、度变化会对制件收缩率产生彩响。较短的纤维流线，较均匀的温度分布能够获得更小、更均匀的收縮率。关律词：注射•压缩成那；数值模拟;非线性;纤维流线；收缩率DOI：10.3969/j.i8«i.1005-5053.2011.3.015中图分类号：TQ320.66文飆标识码：A文章编号：1005J053(2011)0337645间。Chang等⑻通过在定模模底添加纤维加固层的大型透明板件在航空、汽车等工业制造领域的应用越来越广泛［1J1o这类制件由于其特殊应用领域的要求必须具备质凰轻,强度高，光学性能良

3、好等优点。通过对相似大型平板件进行的模拟与光学畸变测量结果分析来看，制件在边角部分的残余应力与收缩不均是影响其制造质量的最主要原因而注射过程中熔体较长的纤维流线与不均等的温度变化会产生较大的残余流动应力与残余热应力⑶，在熔体快速冷却过程中被“冻结"在熔休内成为残余应力与收缩的主要来源。而注射•压缩成型方法(Injection-CompressionMolding)可以较好的解决这一问题。由于在注射末尾阶段添加压缩过程，有利于控制熔体表面压力分布均等，从而从根本上消除制件残余应力与收缩不均的问题。

4、近几年，国内外对此坝技术进行了大量研究。Fan等⑹使用非等温可圧缩流动模型，通过有限元和有限差分相结合的方法对注射■压缩成型进行了模拟。计算结果与实验结果在模温，熔化温度和保压方面得到较好的一致性。Bickerton对注射・压缩过程中的压缩速度与压紧力逬行了研究。结果表明，通过增大压緊力或对模具施加内应力，合理调整压缩速度与初始型腔厚度可以显著降低注射时收稿日期：20104)6-16；修订日期：2010-08-28基金項目：国家自然科学基金(50675080)作者简介：李毅超(1986—).男，

5、硕士研究生，(E-mail)zhan・mail,hust・edu.cn；lomo_ciarke@yahoo,com.cno通讯作者：张宜生•教授t(E-mail)iihangys©mail.husl・edu.cno方法对树脂的注射••压缩工艺进行了试验分析c结果显示，较小的模具张开距离和较高的压缩速度能够降低注射时间，提高制件质量。Chen等⑼研究了透明件在注射■压缩工艺条件下成型后的双折射现象，并与传统的注射成型结果进行了比较。结果表明，注射•压缩工艺比传统方法能显著地减少制件的双折射现象，且

6、相对延长保压时间，提高保压压力能降低制件双折射的产生。本研究通过采用水平集、动量方程与能量方程逬行多物理场全耦合计算的方式，对非对称几何透明塑料板件的注射•压缩成型过程进行了模拟分析,重点研究了成型过程中纤维流线与温度对制件收缩率的影响，并与传统的注射结果进行了比校。其目的是为深入研究应用模拟技术，改善注射••压缩工艺，探索控制成品质量的途径，以指导工程应用。1数学建模与算法1.1几何模型与基本假设计算几何模型如图1所示，模型呈等厚度L型非对称结构。设计该模型的目的是为了便于检验注射或注射•压缩

7、过程中，材料沿着等截面、规则转角及均匀收缩变截面流动过程中材料的流动状态，进而分析其对成形质量•特别是厚度方向收缩的影响。注射材料为聚碳酸酯(PC)。模拟过程中进行如F假设：1)在注射过程中不考虑熔体Z方向流动且型腔压力不随Z方向变化;2)模拟过程中腔内气体密度与粘度设定为常数;3)图1透明平板件模型Fig.ITransparentpanelmode!模拟过程中不考虑壁面与外界传热并且设定入口与既面温度为常数e1.2控制方程模拟过程中采用水平集方法（Level-SetMeth-。町追踪流体流动前

8、沿。0是一个在0~1平滑变化的连续函数，表示界面位置。©=0表示空气，妙=1表示熔体，①=0.5表示熔体与空气界面，即流动前沿.费由方程（1）进行求解。+u•V0=yV*V0-0（1-0）［再舊［］⑴参数Q用来描述边界的厚度。了用来控制0的稳定性。模拟过程中将水平集方法耦合进N・S方程对流休的运动求解■同时由能量方程对温度的变化进行求解，其公式如（2）~（4）所示。▽+crKdn(2)（4）式中u,a为熔体在％』方向速度分量;p为密度;p为压力"为粘度；＜7为表面张量系数;K为界面曲率;Cp为热