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微层挤出机头的流道建模与仿真研究
点击:127 日期:2018-6-19 16:18:39

        摘要: 以微层挤出机头中片材管坯渐变圆形管坯作为研究对象,建立其挤出加工过程的数学模型,并利用仿真软件Polyflow 模块对微层挤出机头流道的流场进行建模和仿真研究,仿真结果为微层机头流道的结构设计与优化提供了理论基础和实践指导。
挤出中空吹塑不仅用于成型各种瓶子,而且用于成型大小不同、形状各异的工业用品容器。中空成型制品从单层到多层,应用于食品包装的五层阻隔性容器和汽车工业的6 层吹塑油箱,多层中空吹塑容器大大扩展了挤出中空吹塑市场。从20 世纪70 年代开始,众多挤出中空吹塑设备制造商[1]投入巨大资金人力开发多层共挤吹塑设备。多层共挤吹塑的核心技术则是多层机头技术。微层挤出中空成型技术与多层挤出中空成型技术相比,有着本质的区别。多层挤出中空吹塑目前能达到9 层,微层吹塑利用微积分原理能轻易地达到成百上千层,其微层挤出成型工作原理是: 将聚合物投入三台挤出机,熔融后送入微层机头中,经过层数倍增,片状至管坯状过渡形成微层管坯,最后在模腔内吹塑成型。管坯的层数和层厚具有可设计性,分别由微层共挤系统中层叠器[2-4]单元个数和三台挤出机的转速比控制,层数可以达到千层以上,单层层厚可达微米甚至纳米级[5]。通过颜色示踪,管坯达到了较为理想的目的。本文基于黏弹性材料流动有限元模拟软件Ansys 中的Polyflow,对微层挤出机头中片材管坯渐变成圆形管坯的过程进行模拟仿真[6],将传统的试模过程放在计算机上进行,为设计研发提供了参考依据和实践指导。
1 模型建立
1.1 几何模型
        图1 为微层机头的流道模型,三台挤出机挤出的熔体,通过展宽汇合成一个完整的片材。经过层倍增器分离、扭转、汇合,此时熔体的层数已经达到了12 层; 再经历另一种形式不同、原理相同的层倍增器分离、扭转、汇合,两个片材熔体层数达到24 层。熔体经过片材渐变成管坯形状进入相互包覆段,最终出口的熔体层数达到( 48+1) 层。其中将片材熔体渐变为管坯熔体的过程是本文的研究对象。


        一旦流道的入口尺寸和出口尺寸确定下来,那么流道的高度就由熔体流动特性、加工工艺和成本来获得最优尺寸。在三维建模软件中根据已知尺寸初步确定流道的高度,利用微分原理,将直线段划分成2 个直线段,再分为4 个直线段,以此类推达到足够多的直线段,从而近似半圆形。或利用引导线的方法控制流道变化,模型如图2 所示。然后对模型进行切片处理,测量流道的可加工性,从而初步调整流道的高度。
1. 2 基本假设
        考虑到聚合物特性和稳定挤出时的工艺条件,可以作出如下假设:
        ( 1) 熔体是不可压缩流体; ( 2) 流场为稳定的等温流场; ( 3) 雷诺数远小于2 000,故流动为层流流动; ( 4) 体积力远小于黏滞力,可以忽略不计;( 5) 塑料熔体在流道中全充满; ( 6) 塑料熔体在流道内无滑移。
1. 3 材料模型
        挤出吹塑成型常用物料是高密度聚乙烯、聚丙烯等等,这类物料熔体都是非牛顿流体。常用黏弹性流体本构方程有线性、微分型、速率型、积分型。其中Bird-Carreau 模型[7],能反映出高低剪切速率熔体流动行为。Bird-Carreau 模型表达式如式1 所示。

     
式中,η0-零剪切黏度; λ-松弛时间值; γ -剪切速率; n-幂律指数。扬子石化牌号为5000S,高密度聚乙烯( HDPE) 的物性参数为η0 = 2 100 Pa·s; λ =0. 07; n = 0. 54。
1. 4 边界条件设置
        ( 1) 入口端: 设计挤出产量为240 kg /h,换算后体积流量( Qv) = 1. 068×10-5 m3 /s,流量为真实流速的1 /4; 出口端: VS = 0,fn = 0。Vs -熔体在壁面处的滑移速度的切向分量( 即熔体切向速率) ; fn-熔体在自由流动区域切向力。
        ( 2) 速度边界条件: 根据流道内无壁面滑移的假设,与模具壁面接触的熔体流速为0,即熔体黏附于壁上,故有Vw = 0。Vw-熔体在壁面的切向速率。
2 数值模拟
2.1 模型网格划分
        前处理阶段,先用Pro /E 或Solidworks 等三维软件造型,再导入Ansys 15. 0 的Workbench 中,并利用Polyflow ( Extrusion) 单元生成处理模块。在Meshing子模块下对模型进行网格划分,对入口、出口以及壁面命名。节点数为1 663,单元数为13 409。


2. 2 模拟结果
        基于上述的假设条件、材料模型、有限元模型、入口条件等,在Polydate 单元中进行各项参数设置,然后进行模拟仿真计算,并在Results 单元中查看各项结果。
2. 3 压力场分布
如图4 可知,压力的模拟结果从入口开始到出口流道内的压力逐渐下降。流道里流动是一个正向压力流输送流动。这与实际流道压力变化情形一致。


        入口的压力值最大,最大值为1. 525 MPa,逐渐减小,到出口段以后,趋近于1 725 Pa,这与出口边界条件是一致的。
2. 4 速度场分布


        如图5 可知,速度的模拟结果与预期一致,从入口开始到出口,流道路径最短处的速度最快。
        从图5 可以得出,在不同流道引导线参数下模拟的两种结果。右图中将熔体中间部分适当加厚,保持两端的形状尺寸,熔体流速的最大值从4. 607×10-2m/s 下降为3. 565×10-2 m/s。通过改变流道熔体参数可以降低流动的不均匀性,但是熔体进出口相对位置确定后,熔体流动路径中必然出现最短路径。熔体经过此段扭转需要增加一个松弛、压缩段,使得熔体的速度、压力在圆周方向上一致。


        从图6 中可以看出,熔体在微层机头中经过一个长条形渐变为一个半圆形,用红色和黄色标记两处位置。在第一个切片中,黄色熔体区域和红色熔体区域都在两个角上。随着熔体的流动,在最后一个切片中,两个角上红色熔体和黄色熔体与蓝色熔体的比例都大大地增加。可以看出,角上的熔体模拟预测与实验结果吻合。
3 结论
        通过模拟仿真可以看出,增加流道长度,并不能改变流速不均匀性; 改变流道参数可以降低熔体流动的不均匀性。结合实际的加工工艺及加工成本,增加松弛和压缩段,适当减小该段长度是最优方案。

 
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