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PIM充模过程的数值模拟分析及应用研究

2020-11-23阅读(585)

PIM充模过程的数值模拟分析及应用研究

论文摘要

本文用有限元分析软件ANSYS对PIM过程进行模拟，把分形混沌理论、两相流理论和边界层理论应用于PIM过程的研究，针对PIM充模流动过程模拟中亟待解决的一些问题进行了一系列的基础理论研究和数值模拟分析。 首先，以流体力学和热力学理论为基础，采用Euler法描述PIM充模流动，详细推导了充模过程的质量、动量和能量守恒方程，分析了喂料熔体的流变特性和本构方程，建立了PIM的连续介质模型，并给出模型在直角坐标系下的分量表示形式。根据流动边界条件和传热边值条件的数学描述，对基本控制方程的积分表达式进行推导，得出模壁边界流体是否满足无滑移条件，并不影响PIM连续介质模型有限元方程的推导和计算过程。根据Galerkin加权余量法对模型进行了离散化处理，形成有限元特征方程组，采用VOF方法追踪熔体流动前沿，给出了对离散化代数方程组进行有限元数值求解的算法。基于有限元分析软件ANSYS，对PIM喂料的粘度模型进行了二次开发，将ANSYS的模块功能进行扩充和系统集成，生成了专用于PIM充模过程模拟的模块，成功地将ANSYS应用于PIM过程的模拟。 其次，利用所开发的PIM过程模拟专用模块，对含绕流情况的PIM充模流动进行了多种组合模拟，结合实验研究经验和流体力学理论对模拟结果进行了详细分析。讨论了PIM工艺参数的变化对各种缺陷形成的影响，给出了利用数值模拟优化工艺参数的方法，用实例阐释了PIM模拟专用模块的使用方法和技巧。模拟结果表明，在PIM充模过程中，当熔体绕过内孔交汇时总是前沿中心最先相交，从而在内模壁边界附近形成气孔和空洞等缺陷。在绕流交汇区是否产生熔接线主要由交汇时熔体的温度和粘度决定，不同注射速度所形成的熔接线位置和形状及其变化过程也不同。若注射速度快，在绕流交汇区域形成气孔和空洞的可能性就大。复杂型腔和绕流内模壁的存在更容易形成喷射。因此，如果模具排气孔位置设计不当将不可避免地导致成形坯产生气孔和空洞等缺陷，用模拟结果指导模具设计是控制熔接线、气孔和空洞等缺陷产生的有效方法。由于内部粘性摩擦热的产生使某些局部区域的瞬时温度比喂料熔体初始注射温度还高，且局部区域最高温度的持续时间非常短暂，这有可能使粘结剂失效或材料性能改变而形成缺陷。当模腔接近充满时压力急剧增大，速度和粘度分布

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 第一章 粉末注射成形过程计算机模拟的发展
  • 1.1 粉末注射成形的特点和主要工艺过程
  • 1.2 粉末注射成形过程计算机模拟的意义
  • 1.2.1 粉末注射成形过程计算机模拟概述
  • 1.2.2 粉末注射成形过程实验研究与计算机模拟研究的比较
  • 1.2.3 粉末注射成形过程计算机模拟的意义和作用
  • 1.3 粉末注射成形过程计算机模拟的发展
  • 1.3.1 塑料注射成形充模流动模拟的发展
  • 1.3.2 塑料注射成形与粉末注射成形的比较
  • 1.3.3 粉末注射成形充模流动模拟的发展
  • 1.4 粉末注射成形计算机模拟目前存在的问题
  • 1.4.1 基本假设和数学模型的合理性有待研究
  • 1.4.2 数值解法有待改进
  • 1.4.3 有待用新的方法对计算机模拟结果进行分析
  • 1.4.4 实际实验与数值模拟互相检验
  • 1.5 当前注射成形商业化软件介绍
  • 1.6 课题提出的依据
  • 第二章 PIM充模流动过程的连续介质数学模型
  • 2.1 引言
  • 2.2 粉末注射成形充模流动过程分析
  • 2.2.1 PIM喂料熔体充模过程流动机理
  • 2.2.2 PIM喂料熔体充模流动过程分析
  • 2.2.3 注射参数对PIM充模过程的影响
  • 2.3 PIM充模流动过程的连续介质数学模型
  • 2.3.1 粉末注射成形充模过程熔体流动的描述方法
  • 2.3.2 描述PIM充模流动的Euler法与速度、加速度的表示
  • 2.3.3 PIM喂料熔体充模流动过程的基本控制方程
  • 2.3.3.1 质量守恒方程（连续方程）
  • 2.3.3.2 动量守恒方程（Navier-Stokes方程）
  • 2.3.3.3 能量方程（喂料熔体的热传递方程）
  • 2.4 PIM喂料熔体充模流动过程的本构方程
  • 2.4.1 PIM喂料流体质点位置函数的Taylor级数展开式
  • 2.4.2 牛顿流体本构方程的推导与剪切应变速率的计算
  • 2.4.3 幂律流体（Power-law Fluids）的本构方程
  • 2.4.4 粉末注射成形数值模拟常用的一些本构方程
  • 2.5 小结
  • 第三章 PIM混合喂料流变特性与充模流动的边界条件分析
  • 3.1 引言
  • 3.2 PIM混合喂料的流变学特性分析
  • 3.2.1 PIM纯粘结剂粘度的计算
  • 3.2.2 固体粉末体积分数对PIM混合喂料粘度的影响
  • 3.2.3 剪切速率对PIM混合喂料粘度的影响
  • 3.2.4 温度、压力对PIM混合喂料粘度的影响
  • 3.2.5 粉末特性对PIM混合喂料粘度的影响
  • 3.3 PIM混合喂料粘度的标准模型与最佳粘性行为
  • 3.3.1 PIM混合喂料粘度模型必须满足的基本原则
  • 3.3.2 PIM混合喂料粘度行为的模型化公式
  • 3.3.3 PIM混合喂料的最佳粘性行为
  • 3.4 PIM充模流动的模壁边界和传热边界条件
  • 3.4.1 模壁边界条件
  • 3.4.2 传热边界条件
  • 3.5 追踪喂料熔体流动前沿自由界面的VOF方法
  • 3.5.1 CLEAR-VOF对流算法
  • 3.5.2 CLEAR-VOF重构
  • 3.5.3 有限元方程的处理
  • 3.5.4 体积分数域的处理
  • 3.5.5 表面张力域的处理
  • 3.6 小结
  • 第四章 PIM充模流动过程数学模型的有限元解法
  • 4.1 引言
  • 4.2 有限元方法
  • 4.2.1 有限元方法的基本思想
  • 4.2.2 应用有限元方法解决工程实际问题的一般步骤
  • 4.3 PIM充模流动控制方程的离散化
  • 4.3.1 质量与动量守恒方程的离散化
  • 4.3.2 能量守恒方程的离散化
  • 4.4 PIM充模流动过程有限元方程组的迭代解法
  • 4.5 求解PIM充模流动过程数学模型的算法和流程图
  • 4.6 小结
  • 第五章 PIM充模流动数值模拟软件的开发
  • 5.1 引言
  • 5.2 常用的CFD软件和有限元软件ANSYS的功能分析
  • 5.2.1 通用计算流体动力学软件介绍
  • 5.2.2 FLOTRAN的主要分析内容
  • 5.2.3 FLOTRAN的分析步骤
  • 5.3 ANSYS软件的二次开发功能
  • 5.4 基于ANSYS的PIM专用软件开发
  • 5.4.1 ANSYS已有的粘度模型分析
  • 5.4.2 PIM充模喂料熔体的粘度模型
  • 5.4.3 用ANSYS提供的功能对PIM粘度模型进行二次开发
  • 5.4.4 流体其他特性二次开发所需的函数和参数
  • 5.5 汉化PIM充模流动模拟专用模块开发
  • 5.5.1 图形界面用户设计语言UIDL的特点
  • 5.5.2 开发图形用户界面的步骤和方法
  • 5.6 PIM充模流动模拟专用模块的分析步骤与使用技巧
  • 5.7 小结
  • 第六章 PIM充模绕流流动数值模拟与缺陷分析
  • 6.1 引言
  • 6.2 PIM喂料熔体各物性参数的计算方法
  • 6.2.1 密度的计算
  • 6.2.2 粉末装载量的计算
  • 6.2.3 粘度的计算
  • 6.2.4 比热的计算
  • 6.2.5 导热系数的计算
  • 6.3 注射速度对PIM充模绕流流动影响的模拟分析
  • 6.3.1 数值模拟过程
  • 6.3.2 模拟结果分析与缺陷的形成和控制
  • 6.4 PIM充模绕流流动的多因素组合模拟与参数优化
  • 6.4.1 数值模拟方案的设计
  • 6.4.2 注射速度与充模时间的关系
  • 6.4.3 充模流动过程的温度、速度和压力分布
  • 6.4.4 充模流动过程的时间历程分析
  • 6.4.5 充模流动过程的高温区域和高温持续时间
  • 6.4.6 浇口位置对PIM充模绕流流动的影响
  • 6.5 充模流动过程熔体粘度变化与PIM缺陷的形成
  • 6.5.1 模腔充满时刻的粘度分布与缺陷形成的关系
  • 6.5.2 接近充满时模内压力的变化与粘度复杂分布的形成
  • 6.5.3 注射速度对粘度分布的影响
  • 6.5.4 注射温度对粘度分布的影响
  • 6.5.5 模壁边界粘度的变化与凝固层的增长
  • 6.6 PIM三维充模绕流流动的模拟
  • 6.7 小结
  • 第七章 粉末注射成形过程中分形与混沌现象的研究
  • 7.1 引言
  • 7.2 PIM粉末的分形现象
  • 7.2.1 PIM粉末粒度和形状的分形特性
  • 7.2.2 颗粒的分形维数及其基本测量方法
  • 7.2.2.1 分形维数的定义
  • 7.2.2.2 颗粒边界分形维数的计算方法
  • 7.2.2.3 颗粒表面复杂程度分形维数的计算方法
  • 7.2.2.4 颗粒空间复杂程度分形维数的计算方法
  • 7.2.3 几种PIM常用粉末颗粒的分形维数
  • 7.2.3.1 羰基铁粉末颗粒投影边界的分形维数
  • 7.2.3.2 羰基镍粉末颗粒投影边界的分形维数
  • 7.3 颗粒复杂形貌的分形模拟
  • 7.3.1 分形图形的几种生成方法
  • 7.3.1.1 递归方法
  • 7.3.1.2 发生器方法
  • 7.3.1.3 不动点线性映射方法
  • 7.3.2 颗粒复杂形貌的分形模拟方法
  • 7.3.2.1 颗粒边界轮廓线的分形模拟
  • 7.3.2.2 M-J集分形图形及其计算机生成
  • 7.3.2.3 颗粒形貌的分形模拟
  • 7.4 PIM粘结剂和混合喂料的分形混沌现象
  • 7.4.1 粘结剂和混合喂料的混沌现象
  • 7.4.2 颗粒分形特征对PIM喂料粘度的影响
  • 7.5 PIM充模流动过程的混沌现象
  • 7.5.1 充模流动过程的数学模型与混沌现象
  • 7.5.2 充模流动过程中温度、压力和速度变化的混沌现象
  • 7.5.3 充模流动过程粘度变化的混沌现象与分形特征
  • 7.6 PIM工艺参数的扰动与充模流动状态的突变现象
  • 7.6.1 注射温度的扰动与充模流动突变现象的发生
  • 7.6.2 注射速度的扰动与充模流动突变现象的发生
  • 7.6.3 混合喂料初始粘度的扰动与充模流动突变现象的发生
  • 7.7 分形混沌理论在PIM中的应用前景
  • 7.7 小结
  • 第八章 PIM两相流模型与微流边界层理论在PIM中的应用
  • 8.1 引言
  • 8.2 PIM两相流模型的基本方程
  • 8.2.1 基本假设与Boltzmann方程
  • 8.2.1.1 基本假设
  • 8.2.1.2 颗粒相运动的一些基本概念和符号
  • 8.2.1.3 分布函数与Boltzmann方程
  • 8.2.2 粉末颗粒物理及动力学参数的计算
  • 8.2.3 PIM粉末-粘结剂两相流的动力学基本方程
  • 8.2.3.1 输运方程
  • 8.2.3.2 质量守恒方程
  • 8.2.3.3 动量守恒方程
  • 8.2.3.4 能量守恒方程
  • 8.3 两相流模型中粉末粘结剂的碰撞项分析
  • 8.3.1 固液两相流系统中的碰撞类型
  • 8.3.2 PIM固液两相流中的碰撞情况分析
  • 8.3.3 颗粒-分子碰撞项
  • 8.3.4 颗粒-颗粒碰撞项
  • 8.4 微流边界层理论在PIM中的应用和模壁凝固层的增长
  • 8.4.1 静液边界层与L.Prandtl边界层
  • 8.4.2 PIM模壁凝固层厚度的估算
  • 8.4.3 边界层的分离与PIM绕流内模壁附近气孔的形成
  • 8.5 微流边界层的控制及其在PIM中的应用
  • 8.5.1 常规边界层的控制方法
  • 8.5.2 微流边界层的控制方法
  • 8.6 小结
  • 第九章 主要结论和未来的工作
  • 7.1 主要结论
  • 7.2 未来的工作
  • 参考文献
  • 附录
  • 附录1：PIM充模流动模拟模块的使用说明及技巧
  • 附录2：各种模拟方案在充满前一时刻主要参数的模拟结果
  • 附录3：各模拟方案充模过程的最高温度及其高于注射温度的数据统计表
  • 附录4：模拟方案1-1中垂直于流体流向结点组A—E的最高温度分布情况表
  • 附录5：一个完整的PIM三维充模流动模拟过程及命令注释
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间主要的研究成果
  • 一、学术论文
  • 二、主持研究项目
  • 三、参加研究项目
  • 四、获奖情况
  • 五、专利情况

    • 相关论文文献

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