注塑成型中的纤维取向数值模拟

论文摘要

在注射成型充填阶段中,熔体在模具型腔中的流动形态十分复杂,会使分散在熔体中的纤维形成在某一方向上的取向。纤维取向对制件的力学、物理性能等都有着很大的影响,造成产品性质上的各向异性或者翘曲变形等,从而影响产品的使用寿命、使用范围。因此,对纤维取向状态进行预测是非常必要的。目前,描述纤维取向状态的方法主要有两种:一种是基于纤维取向分布函数,这种方法直观易于理解,但是需要的计算量太大;另外一种是基于纤维取向张量,这种方法计算简便,但是需要用近似闭合模型来近似四阶张量,无法解决解的唯一性问题,而且引进误差最小的闭合近似模型是一个具有挑战性的课题。本文采用随体坐标的方法,对Jeffery纤维动力学方程进行化简,得到了非常简洁的纤维动力学演化方程,新算法为纤维在复杂流场中纤维取向行为的计算提供了一个可行和有效的途径。并在此基础上引入了取向时间的概念,对平板注塑中的纤维取向进行模拟。通过研究,我们基本证实了纤维在制品的表层有较强的取向,而在中心层取向差的观点,但是,我们发现这一观点并不是绝对的,纤维的取向要受到流场和取向时间的双重作用。主要结论如下:(1)在制品的大部分区域,表层,尤其是次表层,纤维的取向最好,沿中心层方向逐渐变差。(2)在制品的注塑末端或某些流动缓慢或充满后不再流动的区域,由于表层的取向时间短,其取向程度反而不如靠近中心层的部位。(3)绝对的中心层的纤维不取向,靠近中心层的区域,如果纤维的取向时间足够长,纤维最后还是趋向于靠近流场方向取向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 纤维取向相关研究现状
• 1.2.1 纤维取向的理论研究现状及应用
• 1.2.2 纤维取向的计算机模拟研究状况
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 纤维取向理论基础
• 2.1 纤维取向机理
• 2.2 纤维悬浮流
• 2.3 单纤维取向的描述
• 2.4 纤维取向描述方法
• 2.4.1 纤维取向分布函数及其演化
• 2.4.2 纤维取向张量表达式及演化
• 2.5 单纤维运动学
• 2.5.1 三维流场中纤维动力学
• 2.5.2 平面稳态剪切流中纤维动力学
• 2.5.3 平面拉伸流场中纤维动力学
• 2.6 本章小结
• 第三章 随体坐标系下纤维动力学求解
• 3.1 随体坐标系下纤维动力学方程的化简
• 3.1.1 随体坐标系的构建
• 3.1.2 Jeffery方程的简化
• 3.2 随体坐标系数值求解纤维取向的过程
• 3.3 本章小结
• 第四章 平板注塑中纤维取向模拟
• 4.1 平板的描述
• 4.1.1 对平板的假定
• 4.1.2 计算各层层流速度
• 4.1.3 计算涡量张量（ω|-）及变形速率张量E
• 4.1.4 计算纤维取向时间
• 4.2 纤维取向求解结果分析
• 4.2.1 纤维在0-2层的取向情况
• 4.2.2 纤维在3-6层的取向情况
• 4.2.3 纤维在7-9层的取向情况
• 4.2.4 纤维在10层的取向清况
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 论文参考文献
• 致谢