聚合物微型机械模内组装成型机理研究

论文摘要

聚合物模内组装成型是将零件注射成型工序和零件模内组装工序集于一体的一种新型先进的多组分成型技术,是最有希望成为解决未来聚合物微型机械成型加工技术难题的先进成型技术。由于聚合物模内组装成型属多相多层流动成型过程,其成形过程的多相分层流动存在着各分层界面应力之间的相互耦合,且熔体充填流动与固体微型零件之间的流固耦合作用对微型零件的制造精度和零件组装配合精度有着至关重要的影响,因而使聚合物微型机械模内组装成型过程具有特殊的流动输运规律和动力学特征,其成型机理十分复杂,至今尚未弄清,而其相关成型理论和技术研究国际上也罕见报道。基于聚合物微型机械模内组装成型技术的先进性与其研究匮乏这一突出矛盾,本文对聚合物微型机械模内组装成型工艺和成型过程的流固耦合作用进行了数值模拟研究,主要取得如下成果：(1)基于聚合物模内组装成型的特点和聚合物流变学理论,经合理假设,建立了描述聚合物微型机械模内组装成型过程,且能反映流固耦合作用效应的多因素相互作用成型机理的全三维、瞬态、纯黏性、非等温理论模型和与理论模型相适应的高效稳态有限元数值算法；(2)通过有限元数值模拟技术,系统研究了聚合物微型机械模内组装的二次成型聚合物熔体流变性能参数和成型过程工艺参数对一次成型固体微型零件的流固耦合作用效应和流固耦合变形的影响规律,并揭示了其产生机理；(3)通过数值模拟技术,系统研究了聚合物微型机械模内组装的聚合物熔体流变性能参数和成型过程工艺参数对聚合物微型机械模内组装成型制品体积收缩和模内残余应力的影响规律,并揭示了其产生机理；(4)通过本文提出的理论模型与流固耦合作用效应和变形有限元数值模拟方法所得到的聚合物微型机械模内组装成型流固耦合变形分析结果与Satyandra K Gupta教授实验研究结果相吻合,证明本文的理论模型与流固耦合作用有限元数值模拟方法是可靠的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 多组分成型技术简介
• 1.1.1 共注成型技术
• 1.1.2 气辅注射成型技术
• 1.1.3 气辅共注成型技术
• 1.1.4 水辅注射成型技术
• 1.1.5 气辅挤出成型技术和气辅共挤成型技术
• 1.1.6 包塑成型技术
• 1.2 多组分注射成型的问题研究
• 1.3 模内组装成型相关研究
• 1.3.1 模内组装的简介
• 1.3.2 聚合物微型机械模内组装成型技术所存在的问题
• 1.3.3 本文主要研究内容
• 第2章 微型机械模内组装成型充模流动过程理论模型
• 2.1 基本假设
• 2.2 模内组装成型充模流动过程的控制方程
• 2.3 边界条件
• 2.4 常用黏度模型
• 2.4.1 幂律模型本构方程
• 2.4.2 Ellis模型本构方程
• 2.4.3 Carreau模型本构方程
• 2.5 界面追踪技术
• 2.6 本章小结
• 第3章 微型机械模内组装成型过程的理论模型离散
• 3.1 稳态有限元求解技术
• 3.1.1 罚函数法
• 3.1.2 Mini-Element法
• 3.1.3 SUPG法
• 3.2 各变量场的有限元离散模型
• 3.2.1 连续性方程的离散
• 3.2.2 运动方程的离散
• 3.2.3 能量方程的离散
• 3.2.4 体积控制方程的离散
• 3.3 本章小结
• 第4章 微型机械模内组装成型充填过程流固耦合变形分析
• 4.1 概述
• 4.2 数值模拟条件
• 4.2.1 模拟模型
• 4.2.2 模拟条件
• 4.2.3 研究的主要思路
• 4.3 熔体流变性能参数对模内组装成型流固耦合作用变形的影响
• 4.3.1 熔体零剪切黏度对模内组装成型流固耦合作用变形的影响
• 4.3.2 熔体流变指数n对模内组装成型流固耦合作用变形的影响
• 4.4 二次成型工艺参数对模内组装成型流固耦合作用变形的影响
• 4.4.1 熔体注射温度对模内组装成型流固耦合作用变形的影响
• 4.4.2 熔体注射速度对模内组装成型流固耦合作用变形的影响
• 4.4.3 模壁温度对模内组装成型流固耦合作用变形的影响
• 4.5 数值模拟研究的实验验证
• 4.6 本章小结
• 第5章 微型机械模内组装成型体积收缩数值分析
• 5.1 概述
• 5.2 数值模拟条件
• 5.3 聚合物熔体流变性能参数对模内组装成型体积收缩的影响
• 5.3.1 熔体零剪切黏度对模内组装成型体积收缩的影响
• 5.3.2 熔体流变指数对模内组装成型体积收缩的影响
• 5.4 成型过程工艺参数对模内组装成型体积收缩的影响
• 5.4.1 熔体注射速率对模内组装成型体积收缩的影响
• 5.4.2 熔体注射温度对模内组装成型体积收缩的影响
• 5.4.3 模壁温度对模内组装成型体积收缩的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果