基于CAE的木塑包覆口模设计及共挤模拟

        摘要: 为了降低生产成本，提高设计效率和设计精度，结合木塑复合材料特殊的性能，借助CAE 软件对共挤出模头进行辅助设计。并由制件尺寸逆向模拟口模定型段尺寸、口模口型尺寸等影响制品质量的关键性参数，然后对异型材挤出流道的整体结构进行设计，最后采用正向模拟对共挤模头进行流场分析，检验其可靠性。
        随着木塑材料的广泛应用，对其制品的质量和产量的要求也在不断的增加。一般情况下，木塑异型材截面形状比较复杂，表面质量和配合尺寸精度要求比较高，在不考虑原料配比及成型工艺参数的情况下，机头流道的结构尺寸及形状是决定型材制品尺寸及形状的重要因素。
        传统的模头是依据生产经验、材料的性能和原始参数、挤出制品的几何形状和尺寸以及大量的实验验证而来。通过这种传统的试错法设计的口模具有很大的盲目性，缺少科学依据。近些年来，国外引入了一种流体力学软件( CFD) 软件用于口模挤出成型的数值模拟，很大程度上促进了此类行业的发展，而Polyflow 就是其中专用于黏弹性流体模拟的一个软件［1－4］。通过该软件的逆向模拟结果可以看出其变形趋势，缩短口模设计周期，降低设计成本，对口模口型的设计有极大的指导作用。
        本工作开始通过CAE 软件对制件进行逆向模拟设计出口模口型，接着对包覆型材的挤出流道结构进行设计，最后运用正向模拟对设计的模头进行流场分析，检验其可靠性［5］。
1 包覆型材模头口型设计
        逆向挤出过程依据出口处流体速率重新分布的原理，为了避免边长中部区域因速率大产生挤出膨胀而不能获取所需形状，必须尽可能降低该区域的尺寸，计算出挤出口型的形状［6］。对于包覆型材的挤出成型，主要是计算出可达到生产要求的口模内部尺寸。
1.1 建立有限元模型

        采用Creo 软件建立几何模型，对其进行逆向挤出模拟，整体分为两个计算域。图1 为制件截面尺寸和形状，取模型的四分之一进行分析，再将其导入Workbench 中进行有限元网格的划分。通过建立定型段和自由段模型，应用逆向挤出技术对其口模进行设计。
1. 2 建立分析任务
        在逆向挤出模拟中，将计算区域划分两个子区域，一是存在滑动壁面且位于口模内的流体区域1，另一个是位于口模外的自由表面挤出物区域2，计算区域见图2。

1. 3 设置材料参数及边界条件
        文章选用的幂律本构模型［7］，设定该木塑材料的零剪切黏度是7 000 Pa·s，非牛顿指数n = 0. 45。松弛时间λ 取默认值1。并假设: 1) 流场是等温稳定的层流流场; 2) 可自动忽略重力和惯性力等体积力; 3) 流体是黏性不可压缩的; 4) 机筒内侧壁面的物料没有滑移。
        本模型边界条件如上图2，其中，边界1 为流动入口，体积流速Q = 1. 6 × 10－6 m3 /s ( 真实流速的1 /4) ; 边界2 和边界3 为对称面; 边界4 为口模壁面，选用渐变函数为［8］: f ( s) = 1 /s; 边界5 为自由表面，初始位置为边界4 与边界5 的交界线，还需要指出自由表面出口位置［7］; 边界6 为流动出口。
        运用网格重置技术，选择的网格重置技术为Optimesh. 3D［9］。完成上述设置后，输出Iges file 和CFD-Post 格式文件，运行进行求解。
1. 4 结果分析
        运行后处理模块CFD-Post 来显示计算生成的分析结果。制品出现了离模胀大现象，出口处的尺寸需略小于制件尺寸，如图3 所示。
        1) 流体速度分布
        此型材在各个横截面上轴对称，截取Z 轴截面流速分布如图4 所示。从口模入口处开始，速度是完全发展的，而口模壁面的速度基本为零，当流体流出口模后，速度逐渐过渡到最后成为一个恒定值。口模中水平方向的速度呈抛物线分布，流体的速度分布整体和入口的速度分布一致，当熔体流出口模时，速度会发生突变，出现垂直于熔体流动方向的速度，随之趋于恒定。

        另外，流体在口模出口之前20 mm 处的流速是完全发展的，而在距离口模出口后10 mm 的地方流速趋于恒定，在此之间的区域为过渡区域，所以在设计口模时，长度应该大于20 mm。

        2) 口模设计结果
        流体从口模挤出会产生挤出胀大现象，而此逆向挤出功能能针对这种现象对口模提供补偿，依据分析计算的数据来设计我们所需口模的形状［9］。

        通过逆向分析计算得出的制件与口模的形状对比见图5。可以看出，所需的断面形状与按照所设计口型挤出的断面形状很接近，误差相对较小，是可以被用在实际应用中［6］。测量其内部几何尺寸，得到合理的口模三维图，如图6 所示。二维的截面图如图7所示。

2 模头整体结构设计
        口模设计过程中，首先需要了解木塑材料的性能，木塑材料的特殊性使得需加大其压缩比，提升熔体的压力［10］，且需控制口模平直段长度，避免木纤维因停留时间过长发生降解。由于木塑材料的流动性比较差，所以口模设计时扩张角和压缩角都不能太大，避免存在或者产生滞留区。此外，木塑材料具有较强的热敏感性，因此设计时，为了增加热容量应选择比较大的结构尺寸，来加强口模各处温度的均匀性和稳定性。
        口模内部尺寸由以上逆向挤出分析得出，如图7所示。由于制件尺寸较小，但必须满足逆向计算出的口模长度要大于20 mm 的要求。平流段段长度过大会增大料流的阻力，故取L1为30 mm。
        共挤出口宽度L4由Ployflow 逆向挤出功能得出，L4 = 49. 1 mm，芯层流道宽度为L5 = 47. 6 mm。压缩段的长度L2由经验取得: L2 = 65 mm。皮层熔体在入口的流道直径D= 19. 2 mm。

        压缩区锥角α 一般在10° ～60°范围内选取。对于低黏度材料可选取较大值，反之，取较小值。由于木塑黏性较高，压缩区的锥角α 选择23°。汇流段有效长度L3由经验公式得到: L3 = 121 mm。流道设计成光滑的流线型，无滞留区，无突变区，避免扩张且要保证稳定持续的压缩［11－13］。流道定型段要求与口模的长度相等，所取各值均在合理范围之内。模头流道的整体结构示意图如图8 所示。
3 共挤模拟结果分析
        Cross-Law 模型相对于幂律模型更适用于低剪切速率下的流体模拟，与挤出加工成型的实际状况比较符合［14］。故表层选用Cross-Law 模型来分析对模头流道内的流体。剪切黏度η 为:

式中，η0－零剪切黏度，取值为85 000 Pa·s; λ－0. 2s; γ· －剪切速率，s－1 ; m－稠度系数，0. 3。由于m =0. 3 ( 小于0. 75) ，为了防止计算发散，选用Picard迭代［15］。模型相对来说有点复杂，为了减少计算量，故取1 /2 模型来进行计算。
3. 1 共挤过程压力场分布

        在CAE 软件里面设置边界条件并进行计算，最后用CFD-POST 进行后处理。图9 为共挤过程中壳层物料的压力变化云图，图10 所示为共挤过程中芯层物料的压力变化云图，可以看出，压力从入口到出口逐渐减小，入口处压力最高。芯层入口处压力为0. 418 MPa，出口处压力为0. 035 MPa。由图可见，压力的分布相对比较合理。
3. 2 共挤过程速度场分布
        图11、12、13 所示分别为口模入口，复合部分以及口模出口处物料的速度变化云图，由三幅图可以看出，物料的流速呈现一定趋势，从2. 273×10－3 m·s－1到2. 273×10－2 m·s－1 不等; 流速等值线是以对称轴为中心的环状分布。物料在汇合前，保证横截面横向、竖向速度流场趋势均匀，芯层和壳层的速度趋势均为中间大而两边小，其中芯层中部区域速度最大，而壳层最大速度位于两角中心部分。

        机头复合部分速度场也大体满足这个趋势，中间部分速度大而边缘速度小，流速等值线满足以对称轴为中心的环状分布，另外，芯层和壳层界面处的速度值也在逐渐接近，且各个方向速度基本均匀。

        到口模出口处，皮层和芯层界面速度基本趋于一致，为3. 527×10－3 m/s，能基本实现从口模中同速挤出。由整个速度场看出，流速的分布相对来说是均匀合理的［15］。
3. 3 共挤界面剪切速率分布
        复合界面的剪切速率云图如图14 所示，可以看出，在复合界面处，口模内的剪切速率大于口模外的，且中间值较大而两边较小，由于界面受到剪切应力的作用会出现如图所示的波浪纹等一些挤出不稳定现象的可能性，从口模内到口模外剪切速率的数值也在逐渐减小，界面相对来说比较稳定，能实现我们所需的效果。

4 结语
        借助CAE 软件逆向挤出功能对机头定型段进行模拟，确定口模尺寸，然后进行共挤模头整体结构设计，最后采用正向计算分析所设计模头中物料的压力和流动状况，确定所设计机头的合理性以及共挤界面的稳定性。通过采用逆向和正向流动场模拟相结合，极大提高了设计精度和效率，减少了人力和物力浪费。