聚合物气体辅助挤出成型工艺及数值模拟

论文摘要

挤出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一,但由于聚合物熔体的高粘性、粘弹性,传统挤出成型时存在易出现挤出胀大、挤出口模压降大、挤出物表面缺陷等缺点。以上三大难题严重影响了挤出制品精度、限制挤出速度提升、导致挤出能耗高。气辅挤出是一种新型的挤出成型技术,它是通过气体辅助控制系统和气体辅助挤出口模,使挤出时在挤出口模壁面形成一层稳定的气垫膜层,挤出由非滑移粘着剪切口模挤出方式转换为完全滑移非粘着剪切口模挤出方式,从而将口模壁面对挤出熔体的阻力降到较低限度。首先,本文归纳总结出气体辅助挤出成型机理和工艺设计的基本原则。针对气辅完全滑移挤出成型过程和特点,基于流变学和流体动力学理论,经合理假设,建立了描述气辅完全滑移挤出成型过程的全三维稳态等温粘性理论数学模型。其次,通过UG、GAMBIT等三维造型软件进行几何建模和网格划分,以壁面剪切应力为零的边界条件代替气垫膜层作用,自由表面采用三维网格优化法,利用CFD有限元软件POLYFLOW分别对工型材口模和钢骨架塑料复合管口模的气辅挤出过程进行了数值模拟,得到气辅挤出成型口模内外的速度场、压力场和剪切速率的分布,并和传统挤出过程进行了对比。结果表明,气辅挤出技术可基本消除挤出成型中的挤出胀大和变形,减小压降。因此,气辅挤出技术不仅可实现挤出制品尺寸的精确控制,而且还起到节能降耗的效果。为挤出的高速化生产实现提供了技术前提条件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 聚合物挤出成型概述
• 1.2.1 挤出成型
• 1.2.2 挤出成型的优缺点
• 1.2.3 挤出成型的发展趋势
• 1.3 气体辅助成型技术介绍
• 1.4 气体辅助挤出技术成型工艺的国内外研究现状
• 1.5 课题的主要研究内容
• 第2章 气体辅助挤出成型技术
• 2.1 气体辅助挤出成型技术原理
• 2.2 气体辅助挤出成型用设备
• 2.2.1 气辅挤出控制系统
• 2.2.2 气辅挤出口模
• 2.3 气辅挤出成型的技术优势
• 2.4 气辅挤出成型CAE 模拟技术
• 2.4.1 挤出流动分析CAE 技术
• 2.4.2 气辅挤出成型CAE 软件
• 2.5 本章小结
• 第3章 气辅挤出过程数值分析的理论模型
• 3.1 流体力学基本方程
• 3.1.1 连续性方程
• 3.1.2 动量守恒方程
• 3.1.3 能量方程
• 3.2 本构方程
• 3.3 基本假设
• 3.4 流体单元网格理论
• 3.5 本章小结
• 第4章 工型材气辅挤出成型的数值模拟
• 4.1 几何模型的建立
• 4.1.1 口模结构
• 4.1.2 网格划分
• 4.2 物性参数和工艺参数的选择
• 4.3 边界条件的设定
• 4.4 模拟结果及分析
• 4.4.1 速度场分析
• 4.4.2 剪切速率分布
• 4.4.3 压力场分析
• 4.4.4 挤出胀大分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 钢骨架塑料复合管气辅挤出成型的数值模拟
• 5.1 几何模型及有限元网格的建立
• 5.2 物性参数和工艺参数的选择
• 5.3 边界条件的设定
• 5.4 模拟结果及分析
• 5.4.1 速度场分析
• 5.4.2 剪切速率分布
• 5.4.3 压力场分析
• 5.4.4 挤出胀大分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢