（化工过程机械专业论文）双螺杆挤出机与机头间过渡体中的流场分析.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t q 3 2学科分类号 4 6 0 2 0 9 9 论文编号1 0 0 1 0 2 0 l 1 0 6 6 5密级 公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名钱雪学号2 0 0 8 0 0 0 6 6 5 获学位专业名称 化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 非金属材料成型理论与 课题来源 自选研究方向 设备 论文题目双螺杆挤出机与机头间过渡体中的流场分析 关键词过渡体，有限元法，流场分析，p o i m l o w 论文答辩日期 2 0 ll 一5 2 8幸论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称 工作单位学科专长 指导教师冯连勋 教授北京化工大学聚合物加工理论及装备 评阅人l杨卫民教授 北京化工大学机械设计及理论 评阅人2 马秀清副教授 北京化工大学塑料机械 撇员糊赵月云高级工程师北京化工研究院 机械 答辩委员1杨卫民教授北京化工大学 机械设计及理论 答辩委员2张亚军教授北京化工大学 塑料机械 答辩委员3马秀清副教授北京化工大学 塑料机械 答辩委员4丁玉梅副教授北京化工大学 橡塑机械 答辩委员5何雪涛副教授北京化工大学机械电子工程 答辩委员6张冰副教授 北京化工大学橡塑机械 答辩委员7董力群 副教授北京化工大学橡塑机械 答辩委员8党开放 讲师北京化工大学橡塑机械 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 79肿777舢8 ii啪y 摘要 双螺杆挤出机与机头间过渡体中的流场分析 摘要 双螺杆挤出机与机头间的过渡体是双螺杆挤出机中不可或缺的零件， 其结构对进入机头前的熔体质量有很大影响。然而，对于这样一个结构上 貌似简单的零件，长期以来并没有被人们纳入研究的视野。目前，过渡体 的设计普遍是凭借经验，缺乏相应的理论依据，这使其对制品的影响具有 很大的不稳定性和不可预见性。 本文在现有过渡体结构的基础上，构建了多种过渡体结构，建立了它 们的数学模型和有限元模型，并利用专业的c f d 软件p o l y f l o w 对其进行 了流场模拟，得到不同结构过渡体内熔体流动的压力场、速度场和黏度场 的分布，并对新型过渡体的圆槽尺寸进行了讨论，得出了较为合理的过渡 体结构。 本文利用正交设计的方法，以工艺参数( 入口流量、出口压力、螺杆 转速) 为变量，对过渡体流道的流场进行了三维有限元模拟计算，得到了 流场内的压力场、速度场、黏度场及剪切速率场的分布。根据过渡体内熔 体流场，比较各个工艺参数对物料流动影响的大小，并以此为依据进行了 工艺参数的优化，得出了较为合理的工艺参数组合。 本文所设计的双螺杆挤出机与机头间的过渡体结构简单，易于加工制 造，而且流道无死角，物料流动的压力损失小，速度分布更为均匀，有效 提高了熔体质量。本文为双螺杆挤出机与机头间的过渡体的设计及优化， 提供了具有参考价值的研究成果。 北京化工大学硕上学位论文 关键词：过渡体，有限元法，流场分析，p o l y f l o w l i t h ea d 印t e rb e 帆e e n 觚i n s c r e we ) 栅d e ra n dt h ed i ei s 趾i n d i s p e n s a b l e p a r to f 俩i n s c r e 、e x t m d e r ，a n di t ss 仃u c t l l r eh a sag r e a te a e c to nt h em e l t w h i c hi sb e f o r ee n t e r i n gt h ed i e h o w e v f o rs u c has e e m i n g l ys i m p l e s t m c t u r a lc o i n p o n e n t s ，f o ral o n gt i m e ，i th a sn e v e rb e e ni n c l u d e di nt h e r e s e a r c hf i e l do fv i s i o n a tp r e s e m ，t h ed e s i g no fa d a 【p t e rg e n e r a l l yu s e s e x p e r i e n t i a lm e t h o d ，a n di ti ss h o r to fe n o u 曲t h e o 巧f o u n d a i i o n ，s ot h a tt h e g r e a ti n s t a b i l i t ya n du n p r e d i c t a b i l i t yi np r o d u c t sa 1 1 dt h eb i gw a s t eo f m a n p o w e ra n dm a t 嘶a lr e s o u r c e sa r eu s u a l l yr e s u l t e d i nt 1 1 i ss t u d 弘i n u l t i p l es t l l l c t l l r e so fa d 印t e rw e r ec o n s t m c t e db a s e do nt h e e x i s t i n ga d a p t e r ，a n dt h em a t h e m a t i c a l ，p h y s i c a la n df i n i t ee l e m e n tm o d e l s w e r eb u i l t b yu s i n gt h ec f d s o 胁a r e ，p o l y f l o wt h en o wf i e l di na d a p t e r w a ss i m u l a t e da n da n a l y z e d ，a n dt h ep r o f i l e so fp r e s s u r e ，v e l o c i t ya n d v i s c o s i t yo fd i 能r e n ta d a p t e r sw e r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h e n o wf i e l d ，t h es i z eo fc i r c u l a rg r o o v eo ft h en e w s t y l ea d a p t e rw a sr e s e a r c h e d ， a n dt h em o r eo p t i m i z e dg e o m e t 巧p a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d t h ei n n u e n c eo ft h et e c h n 0 1 0 9 i c a lp a r a m e t e r ss u c ha st h ei n l e tf l o w t h e i i l 北京化，t 人学硕+ i ：学位论义 o u t l e tp r e s s u r ea n dt h es c r e ws p e e dw e r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t t h ef l o wf i e l d i na d a p t e rw a ss i i i 【u l a t e da n d a n a l y z e da tt h ev 撕a t i o no ft e c l l l l o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，a n dt h ep r o f i l e s o f p r e s s u r e ，v e l o c i 吼v i s c o s i t ya n ds h e a r r a t e w e r eo b t a i n e d b a s e do nt h e v a n o u st e c l l l l o l 0 9 1 c a lp a r a m e t e r sm 士l u e n c e so n 士l o wp r o t l l e ，m o r eo p t l m l z e q 一 一 ，- 1 1 t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d t h es t m c t u r eo ft h ea d a p t e rd e s i g n e di nt h i ss t u d yi s s i n l p l e a n d m a i m f a c t l l r e de a s i l y i te n s u r e ss m o o t h n e s so fn o wp a s s a g e ，l o w e rp r e s s u r e 1 0 s sa n dm o r eu n i f o r mv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ，i i l l p r o v e st h eq u a l i t i e so ft h em e l t t h er e s u l to fm er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri ss i g l l i f i c a n tt oo p t i i l l i z i n gd e s i 弘o f a d a p t e r k e yw o i m s ： a d a p t e r ，f e m ，f l o wf i e l da n a l y s i s ，p o l y f l o w l v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 挤出机过渡体的研究现状2 1 2 1 锥形流道的设计3 1 2 2 锥形流道的研究现状4 1 2 3 双螺杆挤出机过渡体的研究现状6 1 3 计算机辅助工程技术7 1 3 1c a e 技术简介7 1 3 2 塑料工业c a e 技术的发展8 1 3 3 计算流体动力学及f l u e n t 软件简介1 0 1 3 4p o l y f l o w 有限元计算软件介绍：1 2 1 4 本课题研究的主要内容和意义1 3 1 4 1 课题的目的和意义1 3 1 4 2 课题的主要研究内容1 4 第二章模型构建1 5 2 1 几何模型的建立1 5 2 2 数学模型1 6 2 2 1 基本假设1 6 2 2 2 基本方程】6 2 2 3 本构方程1 7 2 3 有限元模型1 8 2 3 1 坐标系的选择1 8 2 3 2 单位制的选择1 9 2 3 3 有限元网格的划分1 9 2 4 物性参数和边界条件2 0 第三章过渡体流场分析2 1 3 1 压力场分析2 1 3 2 速度场分析2 2 v ” 。 ：， 北京化t 人学硕士学位论文 3 3 黏度场分析2 8 3 4 本章小结3 0 第四章流道两侧沟槽尺寸对流场的影响3 1 1 几何模型 2 压力场分析 3 速度场分析 4 黏度场分析 5 本章小结 3 1 3 2 3 3 3 7 3 9 第五章工艺参数对过渡体流场的影响4 0 5 1 正交设计简介4 0 5 2 过渡体性能评价指标4 2 5 3 参数的正交水平组合4 2 5 4 正交设计计算结果分析4 3 5 4 1 压力场4 3 5 4 2 速度场4 7 5 4 3 最大剪切速率5 0 5 4 4 黏度场5 2 5 4 5 流场分析结果总结5 6 5 5 本章小结5 9 第六章结论6 0 6 1 课题研究的主要内容6 0 6 2 本课题的主要贡献6 l 6 3 遗留问题及前景展望6 1 参考文献6 3 致谢6 5 研究成果及发表的学术论文6 6 作者与导师简介6 7 v l 目录 c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 。1 1 1f o r e 、 ，o r d 1 1 2p r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no f a d a p t e r 。2 1 2 1d e s i 瓯o f n o wd o n l a i no f l ec o n e 3 1 2 2p r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no f n o wd o m a i no f t h ec o n e 4 1 2 3p r e s e mr e s e 疵hs i t u a t i o no f a d a p t e ri n 晰n - s c r e we x t n l d e r 6 1 3t e c h n o l o g yo f c o m l ) u 1 嚣a i d e de n g i n e e 血g 7 1 3 1i n t r o d u c t i o no f c a et e c h l o l o g y 7 1 3 2d e v e l o p m e n to f c a et e c h n o l o 科i np l 础cm 蛳。8 1 3 3h 啪d u c t i o no fc o r n p 嗽i o n a lf l u i dd y n 锄i c s 趾df l u e n ts o 觚a r e 10 1 3 4 d u c t i o no f p o l y f l o ws 0 r 、勰1 2 1 4m a i nc o n t e n t sa i l dm e a l l i n g so f t l l er e s e 眦h 1 3 1 4 1i l n 锄dm e a i l i n g 1 3 1 4 2m d mc o n t e n t s j 1 4 c h a p t e r 2f o r m i n gm o d e la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fn o wl i e i d s “”1 5 2 1t h ee s t a b l i s l l i i l e n to f g e o m e t r i cm o d e l 1 5 2 2m a t h e m a l i c a lm o d e l 1 6 2 2 1b a s i ca s s u i 】叩t i o i l s 。1 6 2 2 2b a s i ce q u a t i o n s 1 6 2 2 3c o l l s t i t u t i v er e l a t i o l l s 1 7 2 - 3e s t a b l i s hf i m t ee l e m e n tm o d e l 1 8 2 3 1n ec h o i c eo f c o o r d i n a t es y s t e m ：1 8 2 3 2m c h o i c eo f u i l i t 趼s t e m 1 9 2 3 3f i n i t ee l e m e mm e s l l i i 玛1 9 2 4p h y s i c a lp r o p e 啊a l l db o u i l d a 巧c o n d i t i o n s 2 0 c h a p t e r3a n a l y s i so fn o w f i e l di na d a p t e r 。一一”2 1 3 1a n a i y s i so f p r e s s u r ef i e l d 2 1 3 2a n a j y s i so f v e l o c 时f i e l d 2 2 3 3a n a l y s i so f v i s c o s 时f i e l d 2 8 3 4c k l p t e rc o n c l u s i o n s 3 0 v i i 北京化工大学硕十学位论文 c h a p t e r4i n n u e n c eo fg r o o v e s i z eo f a d a p t e r “3 1 4 1g e o m 嘶c a lm o d e l 3 1 4 2 a n a l y s i so f p r e s s u r ef i e l d 3 2 4 3a n a l y s i so f v e l o c i t yf i e l d 3 3 4 4 a n a l v s i so f v i s c o s i 田f i e l d 一3 7 4 5c h a p t e rc o n c l u s i o n s 一3 9 c h a p t e r5i n n u e n c eo ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r “”4 0 5 1i n t r o d u c t i o no f o r t h o g o n a ld e s i g n 4 0 5 2d e t e n n i n a t i o no f e v a l u a t i o ni n d e x 4 2 5 3p a 】r a m e t e r so r t h o g o n a l1 e v e l sd e s i g n 4 2 5 4 a n a l y s i so f o r t h o g o n a le x p e r i m e n tr e s u l t 4 3 5 4 1a n a l y s i so f p r e s s u r ef i e l d 4 3 5 4 2 a n a l v s i so f v e l o c i 西f i e l d 4 7 5 4 3a n a l v s i so f m a x i m 眦s h e a rr a t e 5 0 5 4 4 a n a l y s i so f v i s c o s 时f i e l d 5 2 5 4 5c o n c l u s i o n so f 砌v s i s 一5 6 5 5c h a p 瞳e rc o n c l u s i o n s 一5 9 c h a p t e r 6c o n c i u s i o n s ”一”“6 0 6 1m a i nc o n t e n t sa i l dc o n c l u s i o n so f t h er e s e a r c h 6 0 6 2c o n t r i b u t i o n 6 1 6 3u n s o l v e dp r o b l e m sa n dr e s p e c t s 6 1 r e f e r e n c e s 6 3 a c k n o w l e d g e m e n t s ”6 5 p a p e 体p u b i i s h e dd u r i n gr e a df o rm a s t e rd e g r e e 6 6 a b o u ta u t h o ra n ds u p u e r i s o r 。6 7 v l l i 符号说明 符号说明 密度，蚝m 弓 速度，m s d 时间，s 压力，p a 汉密尔顿算子 剪切应力，p a 剪切速率，s d 黏度，p a s 零剪切黏度，p a s 松弛时间，s 非牛顿指数 流量，m 3 s - 1 温度， 热通量，j 热容，j k g - 1 。1 圆锥形流道侧壁与轴线夹角，r a d 牛顿粘度，p a s 螺杆转速，m i i l 1 q ： y ， 户 v f y 町吼允 疗 q 丁 g o 仅 p 观 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 当今世界，塑料有着不可替代的地位，其与木材、水泥、金属并称为国民经济的 四大材料。由于大部分塑料抗腐蚀能力强、耐用、防水、质轻，塑料工业得到了蓬勃 的发展，现已广泛应用于电信设备、仪器仪表、建筑等行业中，特别是在包装方面， 可以说没有塑料，几乎就没有现代化的包装工业【l 】。据统计：1 9 8 0 年北美人均塑料消 费量只有4 5 公斤，而到1 9 9 9 年则迅速增长到了8 8 公斤，到2 0 1 0 年，北美人均塑料 消费量已达到1 4 5 公斤，与北美相比，西欧人均塑料消费量相对较低，但是到2 0 1 0 年也达到了1 3 2 公斤【2 1 。塑料工业是世界上增长速度最快的工业之一，1 9 5 0 年，全球 塑料产量仅为1 5 0 万吨，而截止到1 9 9 8 年，全球塑料产量为1 4 0 0 0 万吨，此后以每 八年翻一番的增长速度持续发展【3 】。上述数据表明了塑料行业的飞速发展，具有广阔 的市场前景。 在中国，塑料机械的研究始于上世纪5 0 年代，随着石油化学工业的发展，中国 塑料机械工业已形成了一个独立的工业部门，目前，全国塑料机械生产企业已发展到 l o o o 家以上【4 】。中国塑料机械工业经过“十五”已实现了跨越式的发展，已开始从量的 扩张向质的提高转变，从模仿向创造发展，其发展速度和主要经济指标在机械工业行 业中名列前茅1 5 】。塑料加工工业发展是中国塑料机械制造工业发展的源动力，据估计， 未来中国对塑料机械需求量将以年均增长率6 左右持续增长【6 】，我国塑料机械工业 的发展潜力十分巨大。 目前对塑料进行加工的主要设备有挤出机、注塑机、压延机等，其中挤出机是塑 料加工中出现比较早的加工设备。早在1 7 9 7 年，英格兰的j o s e p hb r 锄a l l 制造了用于 生产无缝铅管的手动活塞式压机，自此世界上第一台挤出机诞生了1 7 j 。挤出机真正用 于工业生产是在1 8 6 6 1 8 9 0 年，那时，人们用螺杆挤出机来生产橡胶电线绝缘层； 1 9 2 0 1 9 3 0 年，由于一些新型聚合物材料的诞生，塑料工业经历了一个迅猛发展的时 期；特别是在1 9 3 9 1 9 4 6 年，第二次世界大战期间，由于军事工业的需求和刺激， 聚乙烯和聚氯乙烯的生产技术飞速发展，螺杆挤出机就整体形式来说基本定型，各个 工作部件日益精刚引。到本世纪5 0 年代初期，螺杆挤出机在设计、制造和使用技术方 面已经积累起了丰富的经验，机器质量和挤出制品已达到完善的程度。目前，在塑料 加工领域中，6 0 以上的塑料都要通过挤出进行加工【9 】，这是由于挤出成型加工投资 少、效率高、占地面积小、可以连续化生产，比其它加工方法具有更高的经济效益， 更适合大型工业化生产。以上可以看出，挤出加工在塑料成型加工领域具有十分重要 的地位。 根据螺杆的数目，螺杆挤出机可分为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机及多螺杆挤出 北京化工大学硕士学位论文 机，目前应用较多的为单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。单螺杆挤出机和双螺杆挤出机 具有明显的差别。首先，它们的输送机理不同，单螺杆挤出机主要靠熔体的拖曳作用 输送物料；而双螺杆挤出机中的物料传送是正位移输送；其次，它们的速度场不同， 单螺杆挤出机的速度分布相对来说比较容易描述，而双螺杆挤出机中的物料流动情况 要复杂得多，这主要是由于双螺杆挤出机存在啮合区造成的【l0 1 。相对于单螺杆挤出机， 双螺杆挤出机具有很多优点。首先，双螺杆挤出机依靠正位移原理输送物料，不会产 生压力回流，所以可以加工黏度很高或很低的物料，如：带状料、糊状料、粉料和玻 璃纤维等；其次，双螺杆挤出机具有优异的混合和塑化效果，物料在机筒内所受螺杆 啮合剪切作用稳定均匀，原料混合和塑料质量比较好；再次，在双螺杆挤出机中，物 料在机筒内停留时间较短，挤出成型制品产量高；最后，双螺杆挤出机具有低的比功 耗，双螺杆挤出机的比功耗较单螺杆挤出机要低3 0 左右，这使得双螺杆挤出机在降 耗、节能等方面具有明显优判1 1 】。2 0 世纪6 0 年代末到7 0 年代初期，双螺杆挤出机得 到了飞速发展【1 2 】【1 3 j ，据统计，至2 0 世纪7 0 年代末，西欧的双螺杆挤出机已占全部挤 出机总数的4 0 【1 4 】，硬聚氯乙烯粒料及管材、异型材、板材几乎全部用双螺杆挤出 机来进行加工成型，近年来这个比例又有大幅提高。 双螺杆挤出机的过渡体是双螺杆挤出机与成型模具间的连接体，是双螺杆挤出机 的组成部分之一，其结构对成型制品质量有着重要影响。过渡体的主要作用是使来自 挤出机的塑料熔体由螺旋运动变为直线运动，并产生必要的成型压力，同时，对熔体 进行均化，避免熔体进入模具时压强、速度和剪切应力等的突变，使熔体得到更好的 混合，以确保制品质量。可见，双螺杆挤出机与机头间的过渡体在双螺杆挤出机制品 挤出的过程中具有非常重要的作用。 1 2 挤出机过渡体的研究现状 目前对于双螺杆挤出过程的理论实验研究，与单螺杆挤出机的研究相比，差距较 大，尚处于初始阶段。这是由于双螺杆挤出机的应用历史比单螺杆挤出机短，而且双 螺杆挤出机的挤出螺杆结构复杂，物料在其中的输送过程也较为复杂，造成了对它进 行研究的困难性。对于挤出机与机头间的过渡体，并没有独立的设计准则与要求，目 前普遍采用机头设计中圆锥形流道的设计准则设计挤出机的过渡体。 2 图1 1 圆锥流道示意图 f i g 1 - ld i a 差；i 锄o fn o wd o m a i no f t h ec o n e 图1 l 为简化的圆锥形流道示意图。在圆锥形流道中，因其横断面上的流速变化 可用一个坐标表示，其沿流动方向的流速变化也可用一个坐标表示，因此该圆锥流道 中的物料流动属于二维流动，处理圆锥形流道中压差与流速关系最简单的方法是将长 的圆锥形流道分成若干段较短的圆锥形流道，将其中每段看为一个等直径的圆管，其 直径等于该段圆锥形流道的最小直径，再利用流量公式计算出流道巾压差和速率的关 系l i 引。圆锥形流道中流量的计算公式如下： q _ 薏蟾口南凹 f ( 1 2 ) i er 1 3 式中：卜圆锥形流道侧壁与轴线灾角，如图1 1 所示； r l 一圆锥形流道入口( 大端) 半径： 班一圆锥形流道出口( 小端) 直径： p 一圆锥形流道进出口压差； 卜物料牛顿粘度。 对于圆锥形流道锥角c 【的确定，通常要考虑以下准则： ( 1 ) 流道应尽量平滑过渡，流道内无死点，因为死点处的物料容易发生分解， 而且圆锥流道的锥角必须小于一定值，否则物料将出现停滞现象。 3 p 丫。j 兰矿 一 生秽 户 坚孙 ，) 一 旦铆 i | q 时体流顿牛为 如 北京化工大学硕士学位论文 ( 2 ) 当物料通过圆锥形流道时，物料不但受到剪切作用，而且还受到轴向拉伸 作用，伸张应力沿流动方向逐渐增加，在圆锥流道出口到达最大值。如果出口处物料 的伸张应力过大，超过了伸张应力临界值，将会出现熔体破裂现象。熔体破裂现象会 使制品表面粗糙、失去光泽，严重影响制品质量。锥角越大，出口伸张应力越大，越 容易出现熔体破裂现象。 ( 3 ) 圆锥形流道的锥角越大，同一截面上速度分布越不均匀，靠近壁面处的流 速与中心处的流速差异越大，这将严重影响挤出制品质量。 ( 4 ) 圆锥形流道中的压力降是由剪切流动和延伸流动共同产生的，总压力降为 两者之和。 综上所述，圆锥形流道的锥角不宜太大，目前，最小锥角的计算虽然有一些 方法，但都不够成熟，一般来说取侧壁与轴线夹角在2 5 0 4 0 0 范围内【1 6 1 。 1 2 2 锥形流道的研究现状 1 9 7 2 年，c o g s 、e l l 【1 7 】对聚合物熔体在圆锥形口模中的流动进行了受力分析，文中 引入了简单拉伸流动，并考虑到圆锥形口模的入口角，推导出了挤出胀大现象与圆锥 形口模入口角和口模几何尺寸有关。 1 9 9 6 年，李百顺1 1 8 】在对双螺杆挤出机挤出片材模具设计的研究中指出，物料在 流经锥形流道时，将受到剪切和拉伸作用，拉伸应力沿挤出方向逐渐增加，入口圆锥 角越大，拉伸应变越明显，熔体越容易破裂，此外，从圆锥形流道入u 处各点速度分 布来看，入l j 圆锥角越大速度分布越不均匀，使得流道壁面处和中心处挤出量不成比 例。 2 0 0 2 年，彭向阳【1 9 】等人对流变体在圆锥流道巾的流动与流道的优化进行了研究， 文中利用受力分析的方法，分别求出由剪切应力引起的压力降和由拉伸应力引起的压 力降，总压力降等于两者之和。由总压降的表达式可以看出，总压力降为入口圆锥角 的函数，对其求导，即求出最小压力降，文中给出，最小压力降与流量、出u 截面尺 寸和物料性质有关。 2 0 0 4 年，徐孟平【2 0 】等对挤出机机头中有关压力降的研究进展进行了阐述，文中 指出，塑料熔体在机头内的流动所产生的压力降与挤出原料本身特性有关，如黏稠度、 流变行为指数等；塑料熔体在机头内流动所产生的压力降与流道形状和流道几何尺寸 有关，但流道形状及其几何尺寸的选择受多种因素的制约，且往往这些变化是相互矛 盾的，如加大流道的几何尺寸有助于减小压力损失，然而这却很可能引起熔体滞流、 热降解，因此对流道几何尺寸的选择应伞面、均衡的考虑。 2 0 0 5 年，赵良知1 2 1 】对低密度聚乙烯在不同入口圆锥角的圆锥口模中的挤出进行 了流变分析，研究指出，不同入口圆锥角有不同的可回复弹性应变值，而且其大小随 4 第一章绪论 着剪切速率的增大而增大，也就是说，低密度聚乙烯熔体在圆锥口模挤出过程中，熔 体在收敛流道受到拉伸流变，会导致强烈的入口弹性效应，表现出明显的挤出胀大。 2 0 0 5 年，张广芬1 2 2 】提出了硬质p v c 异型材挤出模具的设计方法，文中提及了单 螺杆挤出机过渡体的作用，即：连接机头和挤出机，实现连续挤出；把断面为圆形的 流道截面过渡到与制品形状大致相等的流道截面形状。 2 0 0 5 年，赵良知1 2 3 】对低密度聚乙烯熔体在圆锥形流道中的黏弹性行为进行了研 究，研究内容为不同入口圆锥角锥形流道挤出流动过程中聚合物熔体的黏弹特性，以 及在流动中压力损失、入口弹性储能和挤出胀大比之间的关系，研究表明对于不同的 入口圆锥角，有不同的剪切速率与剪切应力的规律，流变曲线也各不相同，而且，不 同的入口圆锥角锥形流道表现出不同的拉伸弹性形变特性，聚合物熔体挤出流动的压 力降依赖于锥形流道的几何形状，即：入口圆锥角、长径比，以及温度、流动速率等 操作条件，而入口损失则主要归因于拉伸形变的弹性储能。 2 0 0 7 年，李顿【2 4 】等运用p o l y n o w 软件包对不同螺杆转速下单螺杆挤出机圆锥形 口模内的低密度聚乙烯熔体的三维等温流场进行了研究，研究指出，当圆锥口模几何 尺寸相同时，随着螺杆转速的增大，口模内熔体的挤出压力、剪切应力和流动速度都 会相应增大，黏度会减小，说明提高螺杆转速有利于提高熔体流动性和混合性能，实 际生产中，提高螺杆转速不仅有利于提高熔体质量，还可以增加挤出流量，增加经济 效益，但是，螺杆转速过高时，会造成高能耗，减小物料在机筒内的停留时间，造成 过大剪切应力，使物料降解，因此，实际生产中应综合考虑制品质量和生产成本，选 择合理的螺杆转速。织；， 2 0 0 8 年，何智慧、马万珍【2 5 】等对a b s 在圆锥流道挤出中的流变特性进行了研究， 该研究利用毛细管流变仪观察a b s 在不同入口角圆锥流道中的流变特性，讨论了a b s 熔体在长径比为1 0 的不同入口圆锥角圆锥流道中的流变行为，并测量了a b s 的牛顿 指数与稠度系数，研究结果表明，在相同的剪切速率下，a b s 的表观粘度随入口角的 增大而增大，但当长径比一定时，剪切应力随入口圆锥角的增大而增大，a b s 熔体的 非牛顿指数随入口圆锥角的增大而减小，稠度系数随入口圆锥角的增大而增大，这一 研究为锥形流道入口圆锥角的合理设置提供了理论参考。 2 0 0 9 年，焦冬梅【2 6 】对挤出机模具设计中聚合物的流变特性进行了初步研究，文 中指出挤出胀大行为随着口模长径比的增大而减小，这主要是因为当口模长径比小 时，熔体在口模中停留时间较短，入口弹性效应延伸到出口处，因此挤出胀大效应明 显，此外，文中还指出入口圆锥角对挤出胀大有一定影响，这是因为入口弹性效应是 由锥形流道造成的，在长径比较小时，挤出胀大比随着入口圆锥角的增大而增大。 2 0 1 0 年，徐磊【z7 】等人对塑料异型材挤出口模的数值模拟进行了概述，文中指出， 当物料在锥形流道中流动时，主要进行拉伸流动和剪切流动，由于聚合物熔体具有黏 弹性，所以将产生弹性形变能的聚集和弹性能量的消散，引起明显的压力降，这对实 5 北京化工大学硕十学位论文 际生产是相当不利的，因为锥形流道内的阻力增大，将直接导致生产能力的下降，影 响经济效益。 1 2 3 双螺杆挤出机过渡体的研究现状 目前对于双螺杆挤出机的研究主要集中在螺杆几何造型和熔体输送机理的研究， 对于双螺杆挤出机过渡体结构的研究非常之少，以至于很难查到相关报道，而且相关 研究也主要集中在加工工艺方面。过渡体的设计通常采用经验设计法。 2 0 0 5 年，孙兴勇【2 8 】等针对某工厂双螺杆挤出机出料速度不均、产品断面有裂纹 等问题，对同向旋转双螺杆挤出机过渡体进行了模拟分析，给出了物料的剪切应力和 黏度等随螺杆转速及进出口压差变化的分布规律，文中指出物料在过渡体锥形段两螺 杆头与壁面之间的压力比两螺杆头之间的压力大，物料在两螺杆头与壁面之间的混合 性能更好，此外，物料在随着两螺杆头做旋转运动的过程中，螺杆头附近的速度梯度 较大，有利于物料混合，文中还指出，过渡体入口区域压力损失较大，进出口压差越 大，物料所受的剪切应力越大，黏度越小，分布越均匀，但过大的剪切应力会使分子 链断裂，造成制品变形，影响制品质量。 2 0 0 6 年，王晓瑾f 2 9 】等人利用p o l ，y f l o w 软件对异向旋转双螺杆挤出机过渡体进 行了数值模拟分析，重点讨论了工艺参数对过渡体剪切应力场、剪切速率场、压力场 和黏度场的影响，文中指出，在过渡体的锥形段，螺杆头对其周围区域的影响很大， 但也只局限于其附近区域，螺杆头周围是物料受剪切应力最大的区域，在选择工艺参 数时，应保证此处物料受到的剪切应力小于物料的最大极限剪切应力；在过渡体中， 流量和转速越大，物料受到的剪切应力也越大，其分散混合性能和塑化效果越好，过 渡体内流量越小，物料受到的剪切应力梯度越小，物料越均匀；过渡体进出口之间的 压力差，受流量影响较大，其大小随流量的增大而增大，受螺杆转速的影响不明显， 但随着螺杆转速的增大，螺杆头附近的压力损耗会略微增大。 2 0 0 6 年，秦贞明【3 0 】等对异向旋转双螺杆挤出机过渡体进行了数值模拟，主要讨 论了转速和流量对过渡体内熔体剪切速率和剪切应力的影响，文中指出，在过渡体内， 螺杆的旋转是影响聚合物熔体流动的最大因素，螺杆头周围熔体是受剪切应力最大的 区域，实际生产中要保证该处熔体所受最大剪切应力小于熔体的极限剪切应力，熔体 进入出口圆形流道后，熔体流动逐渐变得稳定均匀。 综上所述，目前，对于双螺杆挤出机过渡体的研究普遍采用三维数值模拟的方法， 主要集中在工艺参数对过渡体性能的影响上，而并未涉及到过渡体结构。 6 第一章绪论 1 3 计算机辅助工程技术 好的数学模型可以有效减少一系列复杂的实验。由于微分方程的复杂性，所以绝 大多数问题需要用数值计算法来解决。有限元法、有限差分法、边界元法是目前较为 常用的数值计算方法，其中尤以有限元法应用最多【3 l 】。这是由于有限元法可以更为方 便的处理各种复杂边界条件问题，而且稍加调整就可以用于解决多种不同问题，应用 更为方便。随着有限元理论的逐渐成熟以及计算机硬件的迅速发展，c a e 技术相应诞 生。 1 3 1c e 技术简介 c a e 技术即计算机辅助工程技术，是计算机辅助设计计算机辅助制造技术向纵 深方向的发展，是计算机技术和工程分析技术相结合的新兴技术，其理论基础最早出 现在2 0 世纪4 0 年代，1 9 4 3 年，数学家c o l l r a n t 最早尝试用定义在三角形区域上的分 片连续函数的最小位能来求解s t v e n 觚t 扭转问题，之后，一些数学家、物理学家也出 于种种原因涉足了有限元的概念，直到1 9 6 0 年，c o u 曲在求解平面弹性问题的过程 中提出了有限单元法，这也是有限元法第一次被明确的提出，1 9 6 0 年以后，随着计算 机的广泛应用和发展，以有限元为核心的c a e 技术才在实际应用中迅速发展起来1 3 2 j 。 1 9 6 0 1 9 7 0 年，c a e 技术处于探索时期，分析对象主要集中在航空航天设备结构的 刚度、强度以及模拟实验和分析等问题，由于当时计算机硬件磁盘的空间小、硬件内 存少、计算速度慢等特点，限制了c a e 技术的发展。1 9 7 0 1 9 8