微泡注射成型后充填过程数值模拟

论文摘要

微孔塑料是指泡孔直径介于10～100微米之间的新型泡沫塑料,它具有质轻、省料、隔热、绝缘和力学性能优异等特点,在包装、建筑、交通、航空航天以及生物工程等领域有着广泛应用,已引起许多国家的重视,发展相当迅速。微孔塑料注射成型作为生产微孔塑料制品的一种新工艺,无需在后充填阶段补料,塑料熔体体积收缩由气泡长大来弥补,型腔内的压力很低,可大大降低合模力,并可消除制件中的残余应力,最终消除表面凹陷。此工艺有着传统注塑工艺不具备的优点,为优化成型工艺和降低生产成本开拓了广阔的空间。微孔塑料注射工艺非常复杂,微泡的生长和熔体流动、固化收缩过程相互影响。设计人员很难仅凭经验对各种因素进行综合分析,而给出一个满意的模具及工艺设计方案。本研究通过建立微孔塑料注射成型后充填过程的数学模型,并构造有效的算法对模型进行求解,对微泡生长和熔体固化收缩过程进行模拟,预测型腔内微泡的生长情况和压力场分布。这可使成型工艺确定建立在科学分析的基础上,对缩短生产周期,降低生产成本,具有重要意义。具体工作如下:1、探讨了微泡注射成型技术的工艺过程和特点,分析了成型过程中聚合物-气体单相溶液的形成、气泡的成核、长大以及定型过程机理。2、选用泡孔单元模型（细胞模型）为表征气泡长大的物理模型,利用流体动力学理论、Fick扩散定律、Henry定律和理想气体状态方程,从流体动力学和扩散两个方面耦合建立了微泡生长的数学模型。3、建立了熔体固化收缩过程的数学模型,并将其与微泡的生长模型通过泡孔单元周围的流体压力耦合,完成了对后充填过程的数学描述。4、用有限差分法求解气泡生长方程,用有限元/有限差分耦合法求解温度场和压力场控制方程,实现了微孔注射成型后充填过程的数值模拟。5、研究了PS/N2微孔塑料成型后充填阶段的温度场、压力场和泡孔尺寸的大小。研究发现,泡孔尺寸在厚度方向从型腔中心到模壁逐渐变小,且随着距浇口距离的增加而变大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微泡注射成型系统
• 1.3 微泡注射成型工艺过程
• 1.4 微泡注射成型工艺特点
• 1.5 微泡注射成型技术国内外研究及发展现状
• 1.5.1 微泡注射成型过程的模型构建与数值方法研究进展
• 1.5.2 微泡注射成型技术在我国的研究进展
• 1.6 本课题研究内容、意义
• 第二章 微泡注射成型原理
• 2.1 聚合物/气体单相溶液的形成
• 2.2 气泡成核
• 2.3 气泡的长大
• 2.3.1 气泡长大过程的动力学模型
• 2.3.2 影响气泡长大的因素
• 2.4 气泡定型阶段
• 2.5 本章小结
• 第三章 微泡注射成型后充填过程数学模型
• 3.1 泡孔生长模型
• 3.2 熔体固化过程模型
• 3.2.1 能量方程
• 3.2.2 压力场控制方程
• 3.3 材料性质
• 3.3.1 聚合物粘度模型
• 3.3.2 聚合物的密度
• 3.3.3 聚合物的热性能
• 3.3.4 表面张力
• 3.3.5 气体的性质
• 3.3.6 聚合物/气体单相溶液的性质
• 3.4 传递性质
• 3.4.1 气体的扩散
• 3.4.2 气体在聚合物中的溶解度
• 3.5 本章小结
• 第四章 微泡注射成型后充填过程的数值实现
• 4.1 数值方法概述
• 4.2 温求场求解
• 4.3 泡孔长大方程的求解
• 4.4 压力场求解
• 4.5 程序实现
• 4.6 本章小结
• 第五章 算例分析
• 5.1 几何模型
• 5.2 材料参数和工艺参数设置
• 5.3 模拟结果和讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢