用于精密挤出成型的气辅挤出口模设计数值模拟和实验研究

论文摘要

气辅挤出作为一种新型的聚合物材料成型工艺,通过在熔体和口模内壁之间形成一层气体辅助层,使熔体以完全滑移非粘着的方式挤出成型,可有效减小挤出胀大,因此在精密挤出成型方面有着潜在的应用价值。国内外的研究者在气辅挤出成型方面开展了多年的研究工作,利用数值模拟技术探讨了气辅挤出成型机理,并搭建了实验系统,取得了颇有成效的研究成果。但是要实现气辅挤出的工业化应用,还必须在以下几方面展开进一步的研究:（1）稳定气辅挤出的工艺条件;（2）实验中挤出缩小问题;（3）口模入口部位的设计如何判定:（4）对精密挤出条件下口模滑移段长度或工艺条件设定不能进行预测/判断。因此,围绕上述四个方面继续深入研究,进一步改进和提高挤出制品的径向尺寸精度,对于气辅挤出工艺、口模优化设计和挤出过程智能控制,都具有非常重要的理论意义和工程价值。首先采用有限体积法和Generalized Navier’s slip law方程,建立了气辅挤出口模内熔体流动的数学模型,并给出了控制方程组的Galerkin有限元离散化形式,针对气辅挤出过程高We数难收敛的问题,提出采用EVSS/SUPG混合有限元方法,同时结合渐变法和汤普森变换实现数值模拟的稳定收敛。实验研究了工艺参数对气辅层稳定性的影响。结果表明,气体压力与熔体压力大致相等是实现稳定气辅挤出的前提条件。当气体压力过大时,气体会穿透熔体,在熔体内部形成气泡,从而对制品质量造成较大影响;反之,则不能形成气辅层。气体流量对实现稳定气辅挤出非常重要,大流量容易引起气体紊流,使挤出物表面产生波纹形状,合理设置气体流量,可获得稳定的气辅挤出。数值模拟研究了气体和熔体在非等温热交换作用下的熔体的温度场、黏度场。研究结果表明:当气体温度低于熔体温度时,聚合物熔体粘流活化能大的,口模滑移段尺寸长的,在气辅挤出中相对容易出现半固态熔膜现象,从而堵塞口模通道,引起挤出缩小现象。提高气体温度使之等于熔体温度,可在根本上消除半固态熔膜引起的挤出缩小现象。并通过实验验证了模拟结果。针对直角形、圆锥形和圆弧形口模入口结构中存在不光滑的连接点,构建了反向相切和三次高精度插值两种流线形入口几何构型。对聚合物在五种不同入口气辅口模内的熔体流动进行了数值模拟研究,考察了各口模中压力场、速度场、应力场和挤出胀大的特点。结果发现流线形口模挤出压力小、流动速度大、N1应力集中程度小、挤出胀大比小,成为非流线型口模强有力的竞争者。同时发现成型段L/D≥1且滑移段为成型段1/2的气辅口模,离模后挤出胀大比与口模入口几何结构无关。将气辅挤出口模简化为圆棒模型,对熔体在不同滑移段长度的气辅口模内的流动进行模拟研究。考察了剪切速率、松弛时间对挤出胀大的影响,讨论了滑移段长度与压力降、挤出胀大、应力集中之间的关系。通过大量的数值模拟研究发现,熔体在滑移段的停留时间与材料松弛时间之比与挤出胀大比之间存在指数衰减关系,其关系可用方程B=1+Ae-t/λ表示。并通过其它文献给出的实验数据论证本文所提方程的有效性和可靠性,为滑移段长度设计或工艺参数控制提供理论依据。对HDPE、PP、ABS三种通用性热塑性塑料进行了气辅挤出试验,测量并观察了挤出制品的径向尺寸、表面质量和压力降。对上章数值模拟结果进行了实验验证。基于数值模拟和实验结果,证明了本文所提出的方程可以用来预测气辅挤出制品的径向尺寸,用来指导气辅挤出口模滑移段长度的设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 挤出成型
• 1.2.1 挤出成型面临的主要问题
• 1.2.2 挤出成型的发展方向
• 1.3 气辅挤出成型
• 1.3.1 气辅挤出成型技术概述
• 1.3.2 气辅挤出成型研究进展
• 1.3.3 气辅挤出成型技术特点
• 1.4 存在的问题
• 1.4.1 工艺条件对气辅挤出稳定性的影响
• 1.4.2 气辅挤出缩小现象
• 1.4.3 入口几何构型与挤出胀大比的关系
• 1.4.4 滑移段长度与挤出胀大比的关系
• 1.5 研究意义和研究内容
• 第2章 气辅挤出流动的数学模型和数值计算方法
• 2.1 流体力学基本方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.1.4 基本假设
• 2.2 流变状态方程一本构方程
• 2.2.1 广义牛顿本构方程
• 2.2.2 粘弹性本构方程
• 2.3 气辅挤出流动的数学模型
• 2.3.1 数学模型
• 2.3.2 材料性能参数
• 2.3.3 流动边界条件
• 2.3.4 热边界条件
• 2.4 气辅挤出流动的数值计算方法
• 2.4.1 有限元离散
• 2.4.2 渐变法原理
• 2.4.3 自由表面网格重置方法
• 2.5 气辅挤出的数值模拟流程
• 2.5.1 前处理
• 2.5.2 求解器
• 2.5.3 后处理
• 2.6 本章小结
• 第3章 实验研究工艺参数对气辅层稳定性的影响
• 3.1 气辅挤出实验系统
• 3.1.1 实验系统组成
• 3.1.2 实验仪器及操作步骤
• 3.2 材料性能测试
• 3.2.1 松弛时间测试
• 3.2.2 计算粘流活化能
• 3.3 工艺参数对气辅层稳定性的影响
• 3.3.1 气体压力
• 3.3.2 气体流量
• 3.4 本章小结
• 第4章 气辅挤出缩小现象的数值模拟和实验验证
• 4.1 气辅挤出缩小现象
• 4.2 半固态熔膜现象
• 4.2.1 模拟结果和分析
• 4.2.2 实验结果和分析
• 4.2.3 其它不良影响
• 4.3 熔垂现象
• 4.3.1 熔垂现象描述
• 4.3.2 熔垂现象产生的原因
• 4.3.3 解决熔垂现象的方法
• 4.4 本章小结
• 第5章 口模入口几何构型对气辅挤出胀大的影响
• 5.1 入口几何构型
• 5.1.1 入口设计重要性
• 5.1.2 入口几何构型设计
• 5.2 流线形口模
• 5.3 数值模拟结果
• 5.3.1 压力场分布
• 5.3.2 速度场分布
• 5.3.3 应力场分布
• 5.3.4 挤出胀大比
• 5.4 本章小结
• 第6章 滑移段长度对气辅挤出胀大的影响
• 6.1 滑移段长度设计
• 6.2 影响挤出胀大的因素
• 6.2.1 工艺条件
• 6.2.2 物性参数
• 6.2.3 口模结构
• 6.3 气辅挤出胀大比方程
• 6.3.1 数值模拟结果和分析
• 6.3.2 方程表达式
• 6.3.3 机理分析
• 6.3.4 实验验证
• 6.3.5 方程应用
• 6.4 延长滑移段长度的意义
• 6.4.1 降低压力降
• 6.4.2 减小应力集中
• 6.5 本章小结
• 第7章 气辅挤出成型的实验研究
• 7.1 气辅挤出制品尺寸预测
• 7.1.1 理论计算
• 7.1.2 实验验证
• 7.2 实验研究挤出压力降
• 7.2.1 实验结果
• 7.2.2 数据分析
• 7.3 实验研究制品表面质量
• 7.3.1 HDPE制品表面质量
• 7.3.2 PP制品表面质量
• 7.3.3 ABS制品表面质量
• 7.3.4 冷却硬化后的挤出物表面质量
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论和展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果