短纤维增强注塑流动的宏介观模拟研究

论文摘要

短纤维增强注塑成型过程经历了相当复杂的变形历史和相态变化,如熔融、熔体流动、固化等一系列非等温、非平衡过程,并伴随有相变、分子取向、可能的结晶和纤维取向等复杂的物理化学变化,是一个典型的多尺度问题。研究聚合物及其复合材料结构在整个成型加工过程中的变化规律,建立结构形态与成型加工条件及制品宏观性能之间的定量关系,已成为聚合物成型加工领域的前沿问题。本文以实验分析为基础,采用耗散粒子动力学方法实现了短纤维增强聚合物熔体流动的介观模拟研究,建立了短纤维增强注塑充填流动的宏介观双尺度耦合模型。其中所做的主要工作如下：1.实验研究了剪切速率、温度、纤维浓度、长径比等参数对短纤维增强聚合物熔体黏度影响变化规律和小振幅振荡剪切流场、稳态剪切流场、瞬态剪切流场的黏弹性质。实验结果表明：短纤维增强聚合物熔体是假塑性流体,短纤维的加入并未改变聚合物基体材料的流动曲线类型；短纤维含量较低时,体系黏度变化不明显,当含量超过20%后,短纤维增强聚合物熔体黏度开始升高；短纤维长径比越大,对熔体黏度影响越明显。2.发展了单纤维在流场中的动力学方程、纤维取向分布函数随时间的演化方程和取向张量的演化方程。分析了纤维运动、取向和流场及其自身参数的关系。研究结果表明：（1）短纤维粒子周期性运动与所受的剪切流场、长径比有关,剪切速率越大,旋转周期越短；长径比越大,旋转周期越长。（2）在不同剪切速率流场中,纤维取向分布有很大变化。剪切速率越大,取向分布越窄,越趋向于剪切流动方向。3.构造了短纤维增强聚合物分子和分子链的粗化模型,提出了基于耗散粒子动力学的熔体流动数值模拟方法。将短纤维增强聚合物熔体近似为包含圆柱状固体颗粒的流固两相流结构,建立了耗散粒子动力学运动方程及粗化链构象变化方程。按照第三类固液边界条件解决了熔体粒子穿透壁面带来的不平衡问题,完成了单纤维聚合物熔体在代表性体积单元内流动的耗散粒子动力学模拟。模拟结果表明：高分子粗化链的伸展率随剪切速率的增大而增大,且随时间步的累积逐渐变大；高分子粗化链沿着流场流动方向取向,剪切速率愈大,取向越明显；短纤维也沿着流场流动方向取向,剪切速率愈大,取向越明显。模拟结果与完成的30%短玻纤增强聚丙烯的注塑成型制品存在的‘’Skin-Core"结构相符,初步实现了短纤维增强聚合物熔体体系的结构、性质和动态行为的定性描述。4.建立了短纤维增强聚合物熔体注塑充填流动的宏介观双尺度耦合模型。基于格子波尔兹曼粒子运动原理,采用Chapman-Enskog多尺度级数证明了介观运动方程和宏观运动方程求解问题的一致性。在此基础上,将短纤维增强注塑充填流动过程近似为由包含大尺度的宏观流动和小尺度短纤维运动所组成的宏介观双尺度问题,将小尺度短纤维的运动和取向等信息贯穿到宏观流场中,建立了宏观流场和短纤维取向相耦合的控制方程。用有限元方法模拟了流场中物理量的大小和变化规律以及短纤维取向分布,模拟结果和实验结果表明：双尺度耦合方法可以更准确地描述宏观流场内短纤维的取向分布规律。上述研究成果丰富和发展了聚合物成型加工理论,开辟了聚合物成型加工过程介观尺度和宏介观双尺度模拟研究的新思路,对于指导聚合物成型加工具有一定的理论意义和工程价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 短纤维增强聚合物的多尺度结构
• 1.2 短纤维增强注塑成型流动模拟的研究现状与进展
• 1.3 多尺度科学研究方法概述
• 1.4 本论文的主要工作
• 第二章 纤维增强聚合物流变学行为研究
• 2.1 宏观连续模型
• 2.2 唯象本构模型
• 2.2.1 Maxwell模型
• 2.2.2 广义Maxwell模型
• 2.2.3 Maxwell积分模型
• 2.2.4 K-BKZ模型
• 2.3 短纤维增强聚合物熔体的流变性质
• 2.3.1 短纤维增强聚合物熔体的黏度
• 2.3.2 小振幅振荡剪切流场的黏弹性质
• 2.3.3 稳态剪切流场的黏弹性质
• 2.3.4 瞬态剪切流场的黏弹性质
• 2.4 本章小结
• 第三章 短纤维增强聚合物溶液的动力学研究
• 3.1 短纤维粒子在流场中的受力
• 3.2 纤维取向的描述
• 3.2.1 单纤维取向的描述
• 3.2.2 单纤维在流场中的运动
• 3.2.3 短纤维在简单剪切流场中的运动算例
• 3.2.4 纤维取向分布函数
• 3.2.5 平面剪切流场纤维取向分布函数的解析解
• 3.2.6 纤维取向张量
• 3.2.7 纤维取向角
• 3.4 本章小结
• 第四章 短纤维增强聚合物熔体流动的介观模拟
• 4.1 格子玻尔兹曼法
• 4.2 液固两相流的格子玻尔兹曼方法
• 4.2.1 基于点源颗粒的LBE方法
• 4.2.2 有限体积颗粒的格子波尔兹曼方法
• 4.3 介观动力学方法
• 4.4 耗散粒子动力学方法
• 4.4.1 基本模型
• 4.4.2 数值模拟的基本过程
• 4.5 介观模拟方法比较
• 4.6 短纤维增强聚合物熔体流动的介观模拟分析
• 4.6.1 熔体粒子的耗散粒子动力学模型
• 4.6.2 单纤维聚合物熔体流动的耗散粒子动力学模拟
• 4.7 短纤维增强注塑的纤维取向实验及其结果
• 4.8 本章小结
• 第五章 短纤维增强聚合物熔体注塑充填流动的双尺度模型
• 5.1 短纤维增强聚合物熔体流动的宏介观双尺度分析
• 5.1.1 流体粒子运动方程
• 5.1.2 流体粒子运动的宏观方程
• 5.1.3 纤维粒子运动方程
• 5.2 短纤维增强聚合物注塑熔体流动的宏介观耦合模型
• 5.2.1 注塑充填流动的控制方程
• 5.2.2 耦合模型
• 5.2.3 数值求解的离散方程
• 5.2.4 模拟及结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢