基于有限体积法的水辅共注成型数值模拟

论文摘要

水辅共注成型技术是近年来新发展起来的一种先进的聚合物注塑技术。水辅共注成型技术结合了水辅助注射成型技术和共注射成型技术的众多优点:很短的冷却时间和成型周期;制件壁厚更薄更均匀,截面尺寸可以更大;保证高表面质量的同时,制件中空内表面也平滑;水介质的廉价易得;以废旧塑料作芯层从而部分解决废旧塑料回收问题;以高性能(耐腐、耐热、耐磨、装饰美观)或软接触材料为壳层、普通材料为芯层生产的高表面性能的低成本注塑件;综合各层材料独特性能生产多功能复合注塑件。在该技术中,首先将第一种熔体部分填充模腔作为制品的皮层材料,然后注入部分第二种熔体作为内层材料,最后借助水辅装置注入高压水,在水的推力作用下使熔体充满整个模腔,并利用水进行保压,最终得到具有复合结构的中空塑料制件。但目前关于水辅共注成型工艺、实验研究和理论研究的报道甚少。由此本文针对水辅共注成型主要制品——管状制品的充填过程进行了理论和数值模拟研究。本文基于流体动力学理论、聚合物流变学理论,在水辅助注射成型及共注成型的基础上,通过合理的假设及简化,建立了适合管状制品的水辅共注充填过程模拟且占用计算机资源较少的二维轴对称数学模型,采用适合水辅共注成型充模流动过程各界面前沿的追踪方法—流体体积法(VOF),并基于有限体积法(FVM)的中心差分、QUICK等离散格式对数学模型进行离散,采用高效地数值解法(PISO),通过单因素法,借助流体动力学领域广泛使用的软件—Fluent平台,对影响水辅共注充填过程的因素进行了模拟分析,并揭示了其影响机理。研究发现:1)随着内层熔体稠度系数、内层熔体流变指数、内层熔体注射速度的增加,内层熔体及水的穿透深度减小,穿透宽度增加。2)随着内层熔体注射温度的增加,内层熔体及水的穿透深度增加,穿透宽度减少。3)随着注水温度的增加,内层熔体及水的穿透深度增加,内层熔体残留壁厚增加,水穿透宽度减小。4)随着注水速度的增加,,内层熔体穿透深度基本不变,穿透宽度减少,残留壁厚增加,水穿透深度增加,穿透宽度减小。5)随着皮层或内层熔体注射量的增加,内层熔体前沿与皮层界面前沿距离增加,或水界面前沿与内层界面前沿距离增加,将造成水的短射。而随着皮层或内层熔体注射量的减少,内层熔体界面前沿与皮层熔体界面前沿距离减小,或水界面前沿与内层界面前沿距离减小,易造成内层熔体前沿突破皮层熔体前沿,或水界面前沿突破内层熔体界面前沿的状况。6)模壁温度对水辅共注充填过程、成型效果基本没有影响。7)随着注水延迟时间的增加,内层熔体及水的穿透深度增加,穿透宽度减小,皮层熔体残余壁厚增加。8)注水口大过大或过小将导致注水初始阶段水穿透宽度较大,,而后减小且水界面前沿十分尖凸的现象。9)采用皮层熔体溢料法要比短射法需要更大的注射压力,从而消耗更多的能源,且浪费皮层材料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 水辅助注射成型技术简介
• 1.2.1 成型原理
• 1.2.2 成型特点
• 1.2.3 工艺过程
• 1.2.4 理论研究现状
• 1.2.5 实验研究现状
• 1.2.6 应用现状
• 1.3 共注射成型技术简介
• 1.3.1 成型原理
• 1.3.2 成型特点
• 1.3.3 工艺过程
• 1.3.4 理论研究现状
• 1.3.5 实验研究现状
• 1.4 CAE技术在注塑成型中的应用
• 1.4.1 CAE技术对注塑工艺的影响
• 1.4.2 注塑领域的CAE软件
• 1.5 本文选题依据和主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 水辅共注成型充填过程的数学模型
• 2.1 基本控制方程
• 2.1.1 连续性方程
• 2.1.2 运动方程
• 2.1.3 能量方程
• 2.2 本构模型
• 2.3 水辅共注成型三维充填流动过程的数学模型
• 2.4 水辅共注成型二维轴对称充填流动过程的数学模型
• 2.5 边界条件
• 2.6 多相流模型
• 2.7 本章小结
• 第三章 水辅共注成型注射充填过程的数值解法
• 3.1 常用的离散化方法
• 3.1.1 有限差分法
• 3.1.2 有限元法
• 3.1.3 有限体积法
• 3.2 水辅共注射成型充填过程的控制方程的离散
• 3.2.1 瞬态问题在时域上的离散
• 3.2.2 瞬态项的离散
• 3.2.3 广义源项的处理
• 3.2.4 离散格式的选择
• 3.2.5 通用控制方程的离散化模型
• 3.3 流场数值计算方法
• 3.3.1 耦合式算法
• 3.3.2 分离式算法
• 3.3.3 常用分离式计算方法介绍
• 3.4 本章小结
• 第四章 水辅共注成型的数值模拟流程
• 4.1 求解流程
• 4.2 前处理操作
• 4.3 FLUENT求解过程
• 4.4 后处理操作
• 4.5 本章小结
• 第五章 水辅共注成型充填过程的数值模拟和机理分析
• 5.1 材料流变性能的影响
• 5.1.1. 内层熔体稠度系数的影响
• 5.1.2. 内层熔体流变指数的影响
• 5.2 工艺参数的影响
• 5.2.1. 内层熔体注射温度的影响
• 5.2.2. 内层熔体注射速度的影响
• 5.2.3. 注水温度的影响
• 5.2.4. 注水速度的影响
• 5.2.5. 皮层、内层熔体及水充填量的影响
• 5.2.6. 模壁温度的影响
• 5.2.7. 注水延迟时间的影响
• 5.3 注水口大小的影响
• 5.4 皮层熔体溢料法与短射法对浇口处压力的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 主要工作回顾
• 6.2 本课题今后需进一步研究的地方
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文
• 致谢