分层界面滑移对聚合物共挤成型过程影响的数值模拟研究

论文摘要

界面不稳定和离摸膨胀是影响共挤成型制品性能的重要因素,研究过程参数和流变性能参数对界面不稳定和离摸膨胀影响规律和影响机理具有重要的工程应用价值和理论研究价值。由于三维共挤成型的多相分层流动存在着各分层界面应力之间的相互耦合,使得共挤成型的多相分层共挤流动成型过程具有特殊的流动输运规律和动力学特征,从而造成过程参数和流变性能参数对界面不稳定和离摸膨胀影响机理极为复杂,导致相关的影响机理尚未弄清。为此,本文基于黏弹性流体动力学理论和流变学理论,建立了聚合物共挤成型的三维等温黏弹性理论模型及其相适应的高效有限元数值算法,并通过数值模拟,系统研究了过程条件、聚合物流变性能参数和分层界面滑移对界面不稳定和离模膨胀的影响规律和影响机理,主要取得如下成果:（1）针对传统共挤成型工艺的成型特点,基于聚合物流变学、流体动力学和热力学理论,经合理假设,建立了描述黏弹性聚合物熔体传统共挤成型的三维黏弹性稳态等温理论模型,并基于Galerkin法、罚函数法、EVSS、SU法和Mini-Element方法等混合有限元稳态离散技术,建立了与该理论模型相适应的高效稳态有限元数值算法,在现有计算机上,实现了传统共挤成型的高度非线性全三维多相黏弹性分层共挤流动成型的大型有限元模拟。（2）通过对传统共挤成型过程的数值模拟,系统研究了过程条件、聚合物流变性能参数和分层界面滑移对界面不稳定影响规律和影响机理,研究结果表明分层界面的不稳定性随着上层熔体进口流量和黏度的增大而增加,而随着分层界面滑移系数的增加而减小,分层界面不稳定主要取决于界面上第一及第二法向应力差的波动幅度,法向应力差的波动幅度越大,界面不稳定性越大;反之,则界面趋于稳定。（3）芯壳层熔体和整体的离模膨胀随着界面滑移系数的增大而增大,产生这一规律的流变学机理是随着界面滑移系数的增大,即滑移程度的减小,熔体的第一和第二法向应力差增大,导致口模混合区进口芯层的二次流动强度和口模出口壳层的二次流动强度增加,而熔体的离模膨胀与芯壳层熔体的二次流动的强度成正比。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 挤塑成型技术介绍
• 1.2.1 挤出工艺
• 1.2.2 挤出机
• 1.2.3 气体辅助挤塑成型
• 1.2.4 传统共挤成型（Traditional Co-extrusion Molding）
• 1.2.5 后共挤成型（Post Co-extrusion Molding）
• 1.2.6 气辅共挤成型（Gas-assisted Co-extrusion Molding）
• 1.3 共挤成型的理论研究及数值模拟方法研究进展
• 1.3.1 挤出胀大的研究进展
• 1.3.2 对滑移条件的研究
• 1.3.3 界面不稳定性的研究进展
• 1.3.4 黏性包围的研究进展
• 1.4 共挤成型技术数值模拟研究存在的问题
• 1.5 本文立题依据和主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 聚合物共挤成型分层流动过程的理论模型
• 2.1 基本控制方程
• 2.2 黏性本构模型
• 2.3 三维黏弹性共挤成型过程本构模型
• 2.4 边界条件
• 2.5 聚合物成型运动界面追踪技术
• 2.5.1 Lagrange界面跟踪法（Front-Tracking）
• 2.5.2 Euler界面捕捉法（Front-Capturing）
• 2.6 本章小结
• 第3章 黏弹性本构模型的分解及共挤成型理论本构模型的有限元离散
• 3.1 有限元技术及方法（FINITE ELEMENT METHOD,缩写为FEM）
• 3.2 PTT本构模型的分解
• 3.3 方程的有限元离散
• 3.3.1 有限元单元及其形函数的选择
• 3.3.2 对压力场的有限元离散
• 3.3.3 对运动方程的有限元离散
• 3.3.4 应变速率张量的有限元离散
• 3.3.5 本构模型的离散
• 3.4 单元有限元方程的组装
• 3.5 本章小结
• 第4章 界面滑移条件下聚合物共挤成型技术的数值模拟结果及其机理分析
• 4.1 界面不稳定性定量描述
• 4.2 数值模拟条件
• 4.3 界面滑移系数K对界面边缘处不稳定的影响
• 4.4 上层熔体流量对界面不稳定的影响:
• 4.4.1 界面边缘不稳定分析（Z=0.0298）
• 4.4.2 界面中间不稳定分析（Z=0）
• u对共挤成型界面不稳定性的影响'>4.5 上层熔体黏度Vise_u对共挤成型界面不稳定性的影响
• 4.5.1 界面边缘不稳定分析（Z=0.0298）
• 4.5.2 界面中间不稳定分析（Z=0）
• 4.6 分层界面滑移对挤出胀大的影响
• 4.6.1 数值模拟条件
• 4.6.2 数值模拟结果及其机理分析:
• 4.7 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 总结
• 5.2 未来聚合物共挤成型的研究和发展方向
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果