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挤出口模有限元仿真研究发展
点击:162 日期:2017-12-27 14:20:54

摘要:综述了近10年间数值模拟在挤出口模应用中的研究进展,详细介绍了异型材挤出口模、气铺挤出和共挤出的数值模拟研究成果。在异型材挤出口模方面,其难度在于复杂流道结构的设计,而利用Polyflow软件指导实际的复杂口模设计取得了显著进展;气铺挤出以及气铺共挤成型能够明显降低挤出胀大比,利用数值模拟虽对气铺挤出成型进行了理论探索,但在大型工业化应用上仍存在许多不足;在共挤出仿真过程中,Polyflow软件可较好地预测简截面口模共挤出的挤出界面位置。
0前言
        挤出口模可分为简单规则口模(如方形、圆形等)及复杂异型材口模。在挤出口模实验研究中由于挤出工艺时间长、成长高,且聚合物熔体在机头口模挤出过程中的流动情况非可视化,只能凭借经验设计机头口模形状,使得修模次数多。有限元分析技术作为一种新型的研究手段,得益于计算机技术的跨越提升在近30年间发展迅猛。有限元分析手段的出现,为人们预测挤出机头口模内物料熔体的流动状况提供了可能,从而为改进机头口模的结构提供指导,有助于人们得到更接近设计方案的产品。目前,采用有限元分析技术,针对挤出口模主要研究了以下几种情况;(1)口模内的流动状况:聚合物熔体的应力场、压力场、速度场;(2)口模外的情况:挤出胀大比、共挤出界面位置;(3)口模的边界条件(即是否存在壁面滑移现象)对流动的影响;(4)提出新的口模设计方案并运用仿真手段进行验证。2003年以前有限元分析技术主要集中在对二维、简单几何模型口模内物料熔体流动情况的研究;2010年以前则主要集中在对异型材挤出、气铺挤出和共挤出中挤出口模有限元仿真的研究进展。
1异型材挤出
        异型材口模的截面形状很复杂,合理的口模流道结构以及工艺参数是保证异型材制品稳定高速挤出的前提,随着有限元仿真软件在机头流道结构设计中的应用越来越广泛,人们凭借仿真和段以及结合经验,大大提高了机头口模的修模效率,减少了修模次数,文献中有大量关于异型材截面及复杂流道形状的口模模拟,其主要从口模内的流动分析、口模逆向设计和口模优化设计等方面进行了分析研究。
1.1口模内的流动
        合理设计口模及选择成型工艺,是以对熔体在异型材挤出口模流动的充分研究为前提。2007年,柳和生等[1]采用Matlab研究了L形口模内黏弹性流体三维等温流动的有限元法,模拟了本构方程为Phan Thien-Tanner(PPT)黏弹模型流体在异型材口模内的三维流动,指出成型区和过渡区接合处是熔体流动不稳定的发源地,指出成型区和过渡区接合处是熔体流动不稳定的发源地,2008年,Diaz等[2]采用有限体积法模拟了橡胶熔体在管口的非等温挤出过程,得到了出口速度分布以及温度分布。2008年,Yue[3]仿真分析了黏弹性液体中空异型材的非等温挤出过程,研究了工艺条件和口模结构参数对聚合物熔体流动的影响。同年,Dai等[4]针对某实际橡胶密封产品挤出设计了2种口模流道结构,并采用Polyflow软件分析了挤出流场分布以及挤出物形状,并通过实验验证了口模流道某些部位适当加宽有利于使挤出速度及压力分布更均匀,挤出物形状更接近实际形状。朱常委等[5]数值模拟了在内腔无注气/注气2种工况下多腔精密医用导管的挤出胀大现象,获得了导管截面变形与内腔注气压力间间的关系。肖建华等[6]模拟了PPT黏弹塑料熔体在具有不同过渡段的圆管内的二维等温流动过程,发现不同过渡段的设计对挤出压力影响大,对挤出胀大比无影响。陈晋南等[7]采用Polyflow软件逆向挤出功能设计了非等温挤出时汽车密封件橡胶口模。结果表明,非等温的数值模拟比等温数值模拟更接近口模挤出的实际情况。
        2009年,Qin等[8]模拟了钢塑共挤工艺过程,发现提高钢衬移动速度会降低模具内压降,钢衬移动速度需要与挤出流量合理匹配。Ganvir等[9]使用基于任意拉格朗日欧(ALE)技术的有限元法模拟了聚合挤出过程,发现聚合物熔体选用PTT本构方程模拟时预测挤出胀大与实验结果匹配良好。谢兴阳等[10]采用Polyflow软件建立了环形机头的三维等温流动模型,改变机头流道结构参数以及工艺参数,研究了口模内流场的影响。结果表明,流道内的压力场随着间隙的增大而迅速降低,易使聚丙烯(PP)在机头内提前发泡。2010年,麻向军等[11]采用Polyflow软件模拟了T形模头内的熔体流动和模具变形的耦合过程,研究了工艺参数及结构参数对模具表面沿模具厚度方向的变形和出口速度均匀性的影响。2011年,柳和生等[12]模拟了聚合物PTT黏弹熔体在异型材C形和Y形挤出口模内的三维等温流场,发现异型流道上突出棱角结构减小了流道截面的有效流动面积。Zhang等[13]通过实验和模拟方法研究了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合(ABS)熔体挤出胀大现象,挤出物膨胀过程由高速摄影装置记录,发现挤出胀大率在前5S增加,最大胀大率约为4.37%,模拟计算的挤出物膨胀形状与实验结果相似。此外,一些学者数值模拟了毛细血管挤出过程[14-15]。2014年,Kim等[15]采用不同本构方程模拟了橡胶熔体在毛细血管流变仪中的挤出过程,并与实验结果比较,发现只有完整的黏弹性模型预测了毛细管入口处的涡流,简化的黏弹性模型和广义牛顿模型并没有预测涡流,PTT和简化黏弹性模型预测的挤出胀大与实验结果一致。
        以上研究成果表明,数值模拟可可挤出时工艺参数的选取及口模结构的设计提供有益的评价结果,且聚合物的本构方程选用黏弹性模型时模拟结果更加接近实际情形。
1.2口模逆向设计
        Polyflow软件在求解非牛顿流体流动及非线性问题方面具备无可比拟的优势,挤出胀大的逆向求解功能是其特有的功能,能够给出口模设计结构。2007年,Dai等[16]以橡胶密封条为研究对象,采用Polyflow软件逆向挤出设计功能得到了理论上的流道结构,提出了基于逆向设计的口模尺寸扩充方法,并采用加工的口模进行挤出试验,验证了该扩充法的合理性,解决了理论设计的流道挤出制品轮廓偏小的问题。2009年,朱常委等[17]利用Polyfow软件具体给出了双孔异径和双腔异型精密医用导管的逆向挤出胀大求解过程,同时预测了常用的一些多腔精密医用导管对应的口模截面形状。2010年,徐磊等[18]采用Folyflow软件逆向数值模拟了具有3种不同过渡段形状的T形异型材口模的挤出过程。结果表明,逆向设计得到的口模出口口有与过渡段形状变化无关。2014年,王国林等[19]运用Folyflow软件逆向设计了某胎面胶挤出口模的形状,并对该口形进行了正向挤出分析,验证了逆向设计的合理性。
        采用Polyflow软件逆向设计口模时,将所需挤出物的断面形状拉伸一定距离作为求解几何域,通过有限元手段计算出口模定形段结构。这种设计方法直观、简单,对设计具有异常复杂断面结构的挤出口模具有一定的参考价值。
1.3口模优化设计
        口模优化设计是一种将数值模拟技术与优化技术相结合的设计方法,有助于大幅度缩短口模的设计时间,提高口模的设计品质。
        国内外学者针对口模优化设计进行了深入的研究,并得到了很多有助于解决实际生产问题的优化方法[20-25]2008年,麻向军等[26]针对一种异型材挤出口模压缩段入口截面形状和尺寸进行了优化设计。结果表明,经优化设计后的出口速度均匀性得到了提高。大部分的数值模拟研究均基于简单异型材截面做了大量简化,而针对复杂中空塑料异型材挤出过程的研究却较少,其难度在于求解域流道的建模以及边界条件的确定。2011年,Wang等[27]结合多年的设计经验及基于计算机铺助设计/计算机铺助仿真/企业资源计划数据库(CAD/CAE/ERP)建立的挤出口模数据库,以复杂中空塑料异型材出口处物料分布均匀为优化目标,以对优化目标影响较大的压缩段间隙为设计变量,给出了局部区域的优化设计方案,并通过试模验证,发现优化后的的口模出口处塑料熔体各处均匀挤出。2010年,赵峰等[28]建立了一种基于多因素评价的正交优化与数值模拟的异型材木塑挤出机头流道的设计方法,选取7个结构参数作为影响因素,发现依据该方法可迅速得到出口速度最均匀的木塑异型材机头结构设计方案。2013年,Puentes等[29]利用有限元手段,基于停留时间分布法(RTD)优化设计了聚烯烃管制品挤出中的模具结构,大大改善了熔体滞流及回流的现象。2014年,Yilmaz等[30]利用Poyflow软件优化设计了高密度聚乙烯(PE—HD)优化设计了聚烯烃管制品挤出中的模具结构,大大改善了熔体滞流及回流的现象。2014年,Yilmaz等[30]利用Poyflow软件优化设计了高密度聚乙烯(PE-HD)在L形口模中的挤出过程,发现以2个几何参数作为变量,基于Kriging模型优化法选用4个目标函数作为速度均匀性的计算指标,有助于高效、精确地获得最好的优化结果。2015年,林广义等[31]利用Polyflow软件针对L形宽幅片材机头内部的幂率流体的压力场和速度场进行了数值模拟优化,并分别以口模高度、阻尼高度、主流道首末端直径比为主设计变量,得出了该设计变量下L形机头挤出效果最好的最优解。2016年,林丽红等[32]根据经验及理论选取了改进橡胶胎面胶流道阻尼的3个结构参数,分析了各参数对胶料在流道内流动状态的影响,选定最优化的结构参数并进行了挤出实验验证,分析了误差原因并指出了未来的研究方向。2017年,Ra jkumar等[33]利用Open Foam软件提出了一种新方法优化设计聚合物在L形和T形模具非等温流动时的流动平衡问题,并结合一些研究实例对这种方法进行了评估。
        从工程实际应用的角度来看,口模的优化设计具有良好的技术前景,但其难点在于优化区域及优化变量的选取,这些需要结合实际的设计经验,以保证在减小运算量的条件下进行合理的优化设计。
2气铺挤出
        气铺挤出成型是在传统挤出成型基础上发展起来的一种创新的挤出成型工艺[34]。传统挤出成型中流道壁面对塑料熔体的黏附力及摩擦力是影响挤出胀大、“鲨鱼皮”、熔体破裂、界面不稳定等现象的重要因素之一,制约了传统挤出成型技术的发展。2001年,Liang等[35]首次提出了气铺挤出成型技术,其在挤出口模的上下口模之间设计了一个0.1mm的环形间隙,并在环形间隙间将高压气体注入口模内壁,使聚合物熔体和口模内壁之间形成气垫膜层,熔体呈现完全滑移挤出,此后将这种挤出方法命名为气铺挤出。随后国内学者[36-37]开始了数值模拟研究以及实验研究。研究表明,气铺挤出成型在塑料熔体及口模壁面间形成的气垫层使得口模壁面对塑料熔体的摩擦力降至最小,解决了传统挤出成型中存在的挤出胀大和挤出变形等难题。气铺成型区壁面边界应满足剪切应力和法向速度均匀为零的动力学条件,其等同于完全壁面滑移条件。
        2005年,黄兴元等[37]自行研制了气铺挤出实验装置,进行了PE—HD在圆形口模中的传统挤出和气铺挤出的对比实验,并采用Fidap有限元软件分析了气铺挤出中口模内的速度场和压力场,发现口模内聚合物熔体各点的速度和压力场,发现口模内聚合物熔体各点的速度和压力趋于一致,提高了制品咖工精度。同年,胡晨章等[38]也模拟了黏弹流体在方形气铺口模中的等温流动过程,得出了不同材料流变性能与其挤出物形状的关系。2008年,柳和生等[39]对低密度聚乙烯(PE-LD)进行T形异型材气铺口模挤出胀大的数值模拟和实验研究。结果表明,气铺挤出既能有效减小挤出胀大,又能精确控制异型材的形状及尺寸。2009年,肖建华等[40-41]对黏弹性聚合物熔体在圆棒形气铺挤出成型过程进行了有限元研究,考察了口模气铺段的长度以及物性参数对挤出物挤出胀大比的影响。2010年,李萍等[42]模拟了PE-HD在方形口模内气铺挤出成型过程,得出气铺挤出大大降低了口模内壁对熔体流动的阻力。超高相对分子质量聚乙烯(PE-UHMW)性能优异、成本低廉,但加工难度大,采用传统的成型方法难以实现。2011-2012年,柳和生等[43-44]以PE-UHMW的圆形口模挤出为研究对象,运用Polyflow软件数值模拟了气铺挤出时的二维等温流动模型,研究了入口流量、物料松驰时间及零剪切黏度等参数对挤出胀大比、速度分布、压降及熔体外表面剪切速率的影响,进一步证明了在PE-UHMW挤出成型时采用气铺挤出工艺的优越性。2013年,宋建辉等[45-47]采用有限元手段研究了聚合物熔体在方形、L形、T形口模中的气铺挤出成型过程,表明气铺成型对不同形状口模挤出适应性良好,有助行简化异型材口模设计。2014年,宋建辉等[48]又以T形截面异型材气铺挤出口模数值模拟的挤出胀大比为优化目标,结合正交试验表L16(43),以气铺挤出滑移段长度、松驰时间和挤出流量作为影响因素,得出气铺挤出段长度对挤出胀大的影响最大,其次是松驰时间,挤出流量的影响最小,增加气铺挤出段长度、减小松驰时间和挤出流量可减小挤出胀大。2015年,黄楚晔等[49]采用Polyflow软件数值模拟了微管气铺挤出与传统挤出过程的差异,得出气铺微管挤出基本消除了挤出胀大现象,口模压力比传统微管挤出基本消除了挤出胀大现象,口模压力比传统微管挤出降低了1/2。同年,余忠等[50]以给排水管为研究对象,对管材传统口模挤出和气铺口模挤出过程进行了等温数值模拟,进一步证实了气铺挤出的优越性。2016年,Zhong等[51]以聚合物熔体在中空“回”形截面型材内外的流动场为研究对象,得到在无气铺挤出、内/外壁单气铺挤出及内外壁双气铺挤出条件下的挤出胀大比、压力、速度、剪切速率及法向应力分布情况。研究表明,中空型材内外壁面双气铺挤出能很好地消除离模膨胀效应。
        以上针对气铺挤出的数值模拟中,均采用完全滑移壁面条件来简单地代替气铺挤出,认为口模壁面处气体层的气体是不可压缩的,由于完全忽略了气体对熔体的影响,使得熔体的流动情况和成型效果与实际有一定差距。2015年,Zhong等[52]建立了聚合物熔体和气铺成型中压缩气本的两相流模型,采用非等温黏弹本构方程进行数值模拟,对比分析了传统无气铺以及可压缩气铺挤出时物理场的分布,通过实验验证了可压缩气体的压力对气铺挤出时物理场分布的影响。2016年,余忠等[53]针对管材型气铺挤出口模,建立闻二维气体/熔体两相流有限元模型,并进行数值模拟,发现气铺挤出时需在两相流汇合处,口模沿厚度方向预留足够的空间以满足制品的形状精度要求。
3共挤出
        共挤出成型是将2种或多种不同的熔体同时挤出成型的方法,能经济地生产双层或多层复合材料,使挤出制品具备特殊性能,降低成本。针对共挤出成型的研究主要集中在熔体界面的形状及稳定性方面。
3.1传统共挤出
        传统共挤出法采用的是普通的挤出机头及口模,气辅共挤出法是近10年出现的新型共挤出法,其特点是采用气辅共挤出口模。
        对于传统简单口模共挤出的数值模拟分析,2008年黄益宾等[54]运用Polyflow软件对2种聚合物熔体在方形共挤口模中挤出时的层间界面位置和形状进行了三维黏弹数值模拟,将得到的结果与Karagian-nis等[55]的实验结果相互比较,发现该模拟可较准确预测共挤层间界面位置。2009年,Matsuo等[56]研究了黏弹性聚合物共挤出时不同流动特性的黏弹性流体层的列对界面不稳定性的影响,发现相邻层间聚合物熔体弹性差异是导致共挤出界面不稳定性的重要因素。2010年,黄益宾等[57]对PP/聚苯乙烯(PS)在矩形口模内的共挤出过程进行了实验研究与数值模拟,实验中发现在共挤出物断面中黏度低的PP有向黏度高的PS偏转的现象,通过数值模拟采用PTT本构方程和微小滑移壁面条件,分析了共挤物的速度场、剪切速率场,解释了此实验现象。2013年,Liu等[58]利用Polyflow软件模拟了2种黏弹性塑料熔体在矩形流道中的共挤出过程,分析了壁面滑移系数与入口流量的影响,并对经了实验得到的共挤出物界面位置,发现选用合理的壁面滑面滑移系数时仿真结果更接近实际情况。
        传统异型材共挤出仿真主要集中在以下几个方面,2013年,邓小珍等[59]采用Polyflow软件建立了C形共挤口模中PS和PP2种熔体流动的三维非等温黏弹模型,研究了共挤出口模入口端熔体层间界面位置(r)与挤出胀大比和界面位置之间的关系。研究表明,随着r的增大,挤出胀大比减小;当2种熔体的入口流率相等时,取使2种熔体入口面面积近似相等的r值,能保证熔体层间界面位置具有较好的稳定性。2013年,何建涛等[60]数值模拟了不同滑移系数时黏弹性塑料熔体的L形异型材三维等温共挤出过程,发现滑移系数越小,共挤出制品品质越好。2014年,万齐访等[61]采用PTT本构方程,通过Polyflow软件分析了L形包覆共挤成型中的挤出胀大现象。结果表明,熔体层的厚度变化对整体挤出胀大比的影响微小,对壳层、芯层胀大比及熔体分界面内直角处沿X、Y轴的偏转影响较大。2014年,Harris等[62]运用视化实验和数值模拟方法研究了聚合物熔体的共挤出过程,发现流变性能相近的聚合物熔体共挤出时,挤出物较为理想,当流变性能相差较大的聚合物熔体共挤出时,采用流动均匀性更好的模具能够提高挤出效果,降低压降。2014年,王其兵等[63]采用有限元法对聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯(PMMA/PVC)复合共挤出窗框进行了优化设计,以共挤出机头出口复合材料截面上各子区域的流速分布均匀为优化目标,以对速度分布有较大影响的压缩段间隙为设计变量,结合ERP系统及CAD/CAE挤出模头专家数据库,经过多次试模验证,发现优化后复合异型材的型胚品质大幅度提高。同年,何建涛等[64]模拟分析了物性参数对PP/PS在L形口模中三维非等温黏弹流动过程的影响,发现2种熔体的黏度差异越大,共挤出胀大比和变形的差异越大。2016年,Wang[65]优化设计了共挤出木塑型材的模具结构,速度均匀性在共挤出模头出口处的每个子区域都有显著的改进;复合轮廓的变小减小。在橡胶复合胎面共挤出方面,江苏大学的一系列学者[66-69]进行了全面研究,采用Polyflow软件进行了仿真。2013年,梁晨等[66]进行了2种轮胎胶料共挤成型过程的三维数值模拟,分析了共挤出过程中的速度场、压力分布场以及胶料熔体的流动情况,并通过实验验证了模拟具有较好的可行性。2014年,王国林等[67]利用Polyflow软件,建立了2种轮胎胶料在胎面预口型板及口型板的三维黏性等温共挤出的数值模拟过程,分析了入口流量比及牵引速度对口模出口处速度分布、橡胶胶料分界面偏移及挤出胀大比的影响。
        在共挤出仿真过程的建模中,由于Polyflow软件在共挤出方面计算的局限性,很多仿真并没有考虑到口模的分流段以及过渡段流道结构的影响,或是对实际生产中模型的局部简化,利用其共挤出预测功能指导共挤出口模设计方面的研究鲜见报到。
3.2气辅共挤出
        气辅共挤出成型是在传统共挤出成型基础上发展起来的一种新型挤出成型工艺,该法提高了共挤出制品的产品,降低了共挤出口模的设计难度。
2009年,周文彦等[70]提出一种先进气辅共挤精密制造技术,建立了稳态有限元数值算法,对比研究了传统共挤成型及气辅共挤出的挤出胀大现象,通过仿真分析多层共挤成型芯壳层熔体的离模膨胀成因及影响因素,分析了气铺多层共挤精密成型技术的优越性。2010年,黄益宾等[71]对矩形截面共挤出口模内的流动进行了三维等温黏弹数值模拟,边界条件引入了塑料熔体相对于流道壁面的滑移以及不相容熔体间的滑移。结果表明,气辅共挤出时口模压降比传统共挤出降低了20%~40%,速度最大值下降了约50%。
        2013年,何建涛等[73]以L形双层气辅共挤异型材为研究对象,建立了PP/PS熔体在口模内的三维黏弹非等温流动过程,发现最短气辅段长度随着熔体流量的增加而增加。2014年,柳和生等[74]以2种PP熔体在L形双层气辅共挤过程为研究对象,数值模拟和实验结果都证明了气辅技术可有效减小异型材共挤出过程中的挤出胀大比,提高制品品质,简化口模设计。2015年,柳和生等[75]数值模拟了PE-LD/PE-HD熔体在L形包覆口模中的气辅等温共挤出过程,采用PTT本构方程,发现在L形包覆口模气辅共挤过程中,芯层与壳层熔体的体积流量比对整体、芯层及壳层胀大率影响较大。2015年,邓小珍等[76]对2种PP熔体在曲线形包覆口模中的气辅共挤出过程进行了三维等温黏弹数值模拟,采用PTT本构方程。结果表明,芯、壳层熔体物性对气辅共挤制品的挤出胀大现象及口模内熔全流场分布无影响。
        在气辅共挤出数值模拟中,采用完全滑移壁面条件来作为气辅口模段的壁面条件,大大降低了共挤出数值模拟的求解难度,然而,这种理论上的研究与实际有一定差距,需要进行深入探索。
4结语
        聚合物的材料特性、口模结构、壁面条件以及聚合物流动场的构建、工艺条件等均影响口模数值模拟的精确性。在假设的壁面无滑移或存在滑移的条件下,数值模拟了多种聚合物熔体在简单或异型材口模中的单一挤出、共挤出的过程,运用口模逆向设计及口模优化设计技术,指导了简单及复杂口模的设计,并通过实验验证了数值模拟的合理性。然而,聚合物在口模壁面挤出时必然发生滑移现象,目前对于宏观尺度的挤出制品,认为壁面滑移是可忽略的,对于微观制造的挤出制品,壁面摩擦力影响巨大,壁面滑移不可忽略,在聚合物熔体的壁面滑移方面的研究仍不充分。在异型材挤出方面,其难点在于复杂流道结构的设计,Poly-flow软件能够仿真分析复杂流道结构的流场分布,预测具有复杂设计截面的挤出制品形状,它提供的口模优化设计以及逆向设计功能,可有效指导实际的复杂口模设计,如何建立可有效指导实际生产的有限元模型,是未来研究的重点与难点。
        在共挤出仿真过程中,由于共挤出过程边条件的复杂性以及Polyflow软件在共挤出方面计算的局限性,很多仿真建立的几何模板是对实际的大幅度简化,偏离了实际生产情况,对利用共挤出功能指导共挤出口模设计方面的的研究则鲜见报道。然而,Polyflow软件在共挤出界面预测方面仍有其优势,利用该功能指导共挤出口模结构的设计具有重要意义。
        气辅挤出成型是近年来出现的新型技术,其优势在于有效降低了挤出胀大以及“鲨鱼皮”现象,大大提高了生产效率。在壁面无滑移的假设下,对气辅挤出成型进行了一系列的数值模拟,具体包括多种塑料熔体在简单口模、异型材口模中的等温、非等温、黏性、黏弹性的数值模拟;对气辅挤出成型进行了理论上的探索,有助于气辅挤出口模及工艺设计。然而,塑料异型材气辅成型工艺是一项新型技术,关于成型机理及大型工业化应用方面仍需进一步深入研究。

 
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