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

论文摘要

聚合物挤出工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-law）和Carreau模型为例，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。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Streamline Upwind／Petrov-Galerkin formulation（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技术的能量方程的刚度矩阵对称化处理，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

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 聚合物熔体流动分析方法
• 1.2.1 实验
• 1.2.2 解析法
• 1.2.3 数值解
• 1.3 有限元方法在聚合物熔体流动分析研究中的应用
• 1.3.1 有限元法及其应用
• 1.3.2 流体力学有限元方法的分类
• 1.3.3 聚合物熔体的流变模型
• 1.3.4 粘性不可压缩流体有限元模拟技术
• 1.3.5 克服对流项占优影响的研究
• 1.3.6 粘弹流体的有限元分析
• 1.3.7 聚合物挤出过程的有限元模拟
• 1.3.8 数值模拟软件
• 1.4 钢塑共挤工艺的现状
• 1.5 本文研究的意义及主要内容
• 1.5.1 本文研究的立项依据和意义
• 1.5.2 本文研究的主要内容
• 第二章 流体力学有限元基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 流体力学基本理论
• 2.2.1 描述流体运动的方法
• 2.2.2 基本方程
• 2.2.3 流体力学的理论模型
• 2.3 有限元基本理论
• 2.3.1 变分原理和加权余量法
• 2.3.2 有限元方法数学原理
• 2.3.3 有限元的基本思想
• 2.3.4 有限元方法的解题步骤
• 2.3.5 有限元方法计算程序
• 2.4 流体力学有限元分析
• 2.4.1 流体力学典型问题有限元分析
• 2.4.2 聚合物熔体流动有限元分析方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 粘性不可压缩流体三维稳态非等温流动有限元分析及关键技术的研究
• 3.1 引言
• 3.2 粘性不可压缩流体三维稳态非等温流动的有限元模型
• 3.2.1 粘性不可压缩流体基本方程
• 3.2.2 罚函数方法
• 3.2.3 数值离散
• 3.2.4 动量方程单元有限元模型的推导
• 3.2.5 能量方程单元有限元模型的推导
• 3.2.6 总体有限元方程组的形成与求解
• 3.3 主要关键技术的研究
• 3.3.1 收敛性分析
• 3.3.2 罚数的确定
• 3.3.3 SUPG技术
• 3.3.4 对称化处理技术
• 3.3.5 与最小二乘的比较
• 3.3.6 其它纯粘性流体模型的应用
• 3.4 算例
• 3.4.1 模型及参数
• 3.4.2 速度场的分析
• 3.4.3 流线的分布
• 3.4.4 压力场的分布
• 3.4.5 温度场的分析
• 3.4.6 引入的稳定项对温度场收敛性的影响
• 3.4.7 计算结果的对比
• 3.5 本章小结
• 第四章 聚合物挤出过程数值模拟系统的开发与应用
• 4.1 引言
• 4.2 聚合物挤出模拟软件系统框架组成及特点
• 4.3 前处理的实现技术
• 4.4 求解器的实现技术
• 4.4.1 基本假设
• 4.4.2 边界条件
• 4.4.3 总体有限元模型
• 4.5 后处理的实现技术
• 4.6 计算机模拟对挤出工艺的理论指导
• 4.6.1 挤出模具设计涉及的问题
• 4.6.2 异型材挤出成型常见的缺陷分析及其处理
• 4.6.3 计算机模拟结果与挤出工艺的关系
• 4.7 典型挤出工艺模拟与结果分析
• 4.7.1 实心异型材模拟分析
• 4.7.2 中空异型材模拟分析
• 4.7.3 敞口异型材模拟分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 粘弹流体三维稳态等温流动的有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 基本方程
• 5.3 边界条件
• 5.4 有限元模型的建立
• 5.4.1 数值离散
• 5.4.2 动量方程单元有限元模型的推导
• 5.4.3 本构方程单元有限元模型的推导
• 5.4.4 整体有限元模型的建立
• 5.5 算例
• 5.5.1 模型及参数
• 5.5.2 边界条件
• 5.5.3 结果与讨论
• 5.6 关键技术分析
• 5.6.1 参考粘度数值变化对计算结果的影响
• 5.6.2 改进的 SUPG技术
• 5.6.3 入口速度变化对计算结果的影响
• 5.7 本章小结
• 第六章 钢塑共挤过程数值模拟
• 6.1 引言
• 6.2 钢塑共挤模具结构
• 6.3 钢塑共挤工艺有限元模拟数学模型
• 6.3.1 几何模型
• 6.3.2 有限元模型
• 6.3.3 边界条件
• 6.4 拟分析的工艺问题
• 6.5 导入分流段的模拟分析
• 6.5.1 分流段成型的基本规律
• 6.5.2 体积流量对流动规律的影响
• 6.5.3 导入角对流动规律的影响
• 6.5.4 过渡段长度对流动规律的影响
• 6.6 过渡拖动段分析
• 6.6.1 过渡拖动段成型的基本规律
• 6.6.2 拖动速度对流动规律的影响
• 6.6.3 奇异点的分析
• 6.7 本章小结
• 第七章 实验部分
• 7.1 引言
• 7.2 实验原理
• 7.3 实验目的
• 7.4 实验装置、实验原料
• 7.5 流变性能的测量
• 7.6 挤出实验部分
• 7.6.1 实验过程和方案
• 7.6.2 工艺参数
• 7.6.3 数据的纪录
• 7.6.4 数据的处理
• 7.7 实验结果与模拟结果的比较与讨论
• 7.8 不同体积流量下的实验结果与模拟结果对比分析
• 7.9 问题的深入探讨
• 7.9.1 粘度的影响
• 7.9.2 罚值选取的进一步探讨
• 7.9.3 挤出变形分析
• 7.10 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间完成的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表