（化工过程机械专业论文）单螺杆螺纹混炼元件的流场模拟与分析.pdf

摘要 单螺杆螺纹混炼元件的流场模拟与分析 摘要 单螺杆挤出机以其结构简单、易于制造、成本低等优点，成为塑料 加工行业中应用最广泛的设备之一。由于常规单螺杆挤出机的混合能力 差，因此，混炼元件的设计已经引起越来越多的聚合物加工研究人员的 关注。以往，混炼元件的设计多依靠经验，主要是通过反复调试和修正 来不断改进混炼元件的结构，这一过程导致了成本的增加和制造周期的 延长。 本文首先通过已获取的资料和经验设计了新型螺纹混炼元件的粗 略原型，然后用有限元分析软件p o l y f l 0 w 对其进行了三维流动模拟， 分析了流场内的真实流动状况。通过改变其几何参数( 螺杆螺纹头数、 螺杆螺纹导程、机筒螺纹头数、机筒螺纹导程、机筒螺纹槽宽度和机筒 螺纹槽深度等) ，模拟流道内熔体在各种几何参数下的流动状态，通过 模拟结果的对比，了解各几何参数变化对流场的影响，得出一系列优化 的结构参数，对螺纹混炼元件的设计起到一定的指导作用。另外，本文 还通过模拟比较了螺纹混炼元件与c t m 和销钉元件的流场分布情况以 及混合性能。最后通过实验初步验证了模拟的结果以及螺纹混炼元件的 结构合理性和性能特点。 本文通过c a e 技术，借助p o 【y f l o w 软件进行了模拟计算，获得 了较为合适的几何结构参数，既减少了设计的盲目性，又提高了设计效率， 北京化1 二大学磷! l 学位论文 缩短了混炼元件的设计和卷4 造周期，节省了资金，为螺纹混烁元件的工业 化生产提供了理论和经验。 关键词：混炼元梓，p o l y f l o w ，流动模拟，有限元分析 攘妻 t h es l 囊压u l a t l o na n da n a l j y s l s 0 f t h ef l o wo f s c r e wm i e r a 嚣s t r a c t t h e s i n g l e s c r e we x t 九l d e rc a n b ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d sb e c a u s eo fi t s m e r i t s ，s u c ha ss a m p l es t m c t t l r ea n d1 0 wc o s t ，粕ds oo n m o r ea i l dm o r e 糟s e a r c h e r s p a y a t 鞠五o n t o 重h e d e s i g i l o f t h e m i x e r b e c 8 u s e o f m e p o o r m i x i n g p e r f b l 糨a n c eo f 也es i 硅g l e s e 珥we x 翔d c r 。侥n e 豫l l y ，t h ed e s 逗no fm i x 艘w a s b a s e do ne x p 耐锄c e s ，w h i c hw o u l dc o s tm o r ct i m et ot e s tt h em 波e ll tc o u l d e s u l ti nt h ew a s t eo f m a n p o w e ra i 】dr e s o u r c e i nt 圭l i sp a p s c r e wm i x e ri sd e s 噜玎a c c o 蛹i n gt om eo p e l li i t e r a l u f ea n d e x 童州n ge x p 丽e n c e 髓em a i nd e 醋g n 氆舢。d 霾n dh o wt oc 蝴t ef e m 粥o d e li s a l s oe m p h a s i d m o r e o v e r ，t h r e e * d i m e n s i o n a ln o wb e h a v i o ro f p o l y m e rm e i t i n 山es c r e wi n i x e ri ss i m u l a l e dw i mp o l 盯l o w 丁h ed i 8 砸b u t i o no f v e l o c i 蛳 p f e s s u r e 甜1 ds h e a ri 戳oi nt b e 懿o w 磊e l di sa n a l y 西e d ，s o n l ei n a p p r o p r i a t e a i l a l y s e so fs c f e wm i x e fi nm eo p 鞠l i t 蝴t u 抟a 把p o n l e do 啦。f l o ws t a t e u n d e rd i f f b r e n t g e o m e 们cp a r a m e t e r s i ss i n m l a t e dt l r o u 曲v a r y i n gt h e g e o m e t r i cp i r 姗e t e r s e 1 匿& t so f g e o m e t r i cp a m m e 【e r so nt h en o w s t a t ei nt h e m i x e ra f ea n 砸y z c d ，a n ds o m eo p t i m i z e dg e o m e t cp a r a m e t e 略a r eo b t 萄n e d 0 t h e r w i s e ，i nm i s 鼬b j e e ，s c r e wm i x e fw a se o 娃l p a r e dw i l b ( 了ma n dp 攮 北京化t 学碗b 学位论文 i n i x e ro n 程o wf i e l da n d i i l i x i n gp e r f o r m a n c eb ys i 枷1 a l i o n f i n a l l y t h i ss n m d y c e 砖f e dt h er e 嘲t 嘏曲es i m u l a | i 豫馘dt h e 妊臻癜so f 如es e f e wm i x e r 氆f 删痨 e x p 嘶m e n t s b yt h eu s eo f t h ec a 蔓| e c h n o l o g y m o r e 绝a s i b k 群嬲嘲c a nb eg o w i 啦 t h eh e l po f p o l y f l o w s o n w a r e ，s o ，i tw i l l 】鹕e l yi m p r o v et h ee 塌c i e n c yo f t h ed e s i g 工l ，s h o 他nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r ep 丽o do f t h es c r e wm i x c r ，a 1 1 d s a v es o 王i j _ eu 珏n e c e s s 建r yc o s t 觏y w o r d s ：m 汉p o l y f l 0 w ，| 1 0 ws i m u l a t 氓f i n i t ee l e m e n ta n a i 姆s v 符号说明 符号说睛 剪应力，p a 牯度，p a ，s 零切粘度，h - s 剪嘲速率，s _ 1 流体压力，p a 幂律指数，s 物料加工温度，。c 选定豹参考溢痘，9 e 热传导系数，w m o c r l 热容，j k g - 。c “ 速度，m s 1 加速痍，m ，s 1 体积漉量，o s 1 停鐾时闻，s 熔体非牛顿性撂数 密度，k g p 炼杆螺纹头数 螺杆螺纹导程，跚 机筒螺纹头数 机简蜾毁导程，m m 梃舞螺纹耩宽度，m m 枫箍蜷纹糟深度，“ f 叩轴，r p掸r勤七岛v 口q o m p甜现岛芷 北京化：c 大学位论文原刨住声明 y 8 8 2 8 8 本人郑薹匡声瞬：所呈交的学位论文，是本a 霞导酆的指导一 ：n ， 独立进行 l = | 究：i 俘所取得的成暴。除文l l 已经注明引刷的内容夕 ，本 论文不含任 可其他个人或集体已经发表或撰写过的作船成果。对水文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承撞。 作者签名：宣j ! 堡塾日期：兰竺至：! ! 关予论交使用授权的谎鳝 学位论文作者完全了躬j b 家化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被奁阋和借阌；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可班允许采用影印、缩印或其它复制手段傈存、汇编 学垃沧文。 保密论文注释：本学位论文属二p 仪密范吲，在卫年解密后迁川 本授权书。j 保密论文注释：木学位论义小属_ 下保密范嘲，通川木授 权书。 作者签私：壹】塑；塾 li 甥： 导酆攀髫 一鐾髫磐 妒6 0 、6 ；队一6 ， 第一章概述 。 善l 言 第一章概述 赢分子材料是二十世纪人类二十大发骥之一，鲻蔟具有壤轻、强度嶷、耐求、爨 船工、偷捂低廉等优辩的特性，从而和钢铁、木材、水泥并列成为四大支柱材料， 。f i 应用于潮民经济的各个领域。二十世纪以来，全球的塑料工业得到了飞速发展， 馥至2 0 0 年，篷雾鳖辩搴毒精总生产量达1 8 l e 矗哆其中大瓣努熬鋈糕藩l 瑟是经遥 螺杆挤出工艺来加工的。挤出成毅工艺具有生产率商、适应性强、用途广泛等优点， 几乎适合于所有的商公予橱料。 1 8 7 9 年，m g r a _ j r 发明了毽器上第一台蠊秆挤蠢枫。1 8 8 1 筇英国瓣f 豫n c i 8s h 拍， 公司开始生产和销售螺杆挤出机f 3 】。从此之后，螺杼挤出设备飞速发展。随着生产的 发溪，普通螺籽揍出凝蒙露出了一些阔慧，难戳瀵题掰型耪料熬燕工震求，其中j 酸太 的问题就是，普通螺枰的剪切力较小，混合能力较弱，因而不髓有效地完成要求较高 的混合任务。 针对臻轻按赉瓿灞含麓力蓑静瑗蒙，美国、臻士、嚣零耪德嚣等国家稷继研潮_ 了 f c m 连续混炼机、b u s s 混炼机、k c k 混炼机、p o m i n i 密炼机和双螺杆挤出机等新獭 漏炼机。这皴混炼枫都使设备的混舍能力褥剿了改簧，但又存谯结梅复杂、2 量琴l 用 率较低、筢耗大、噪音大、体积大、裁遥缓零高等缺帑，与此褶比，单螺轩挤出枫在 这然方面有很大的优势，仍然是濑料挤出加工行业中应用最广泌的设备之一。如粜我 稍够赘蠛纛匏单螺杼揍窭辊热孩改进，瀵过竣诗裁聚戆漫稳悫搏寒增强英潺台魏 力，相对于藏他混炼挤出机来说，可以降低成本，节省资金和能源。因此，混炼元件 和单螺杆混蠛挤出机已经引起越米越多的聚食物加工麟究人员鲍关注。 巍鍪混炼元件豹设计是一瑷篪杂瓣工作。国蠢静许多掌赣对魏佟了大薰静研 究，但大多数情况下都依靠经验进行设计，其中广泛采用试锴法( t f i a la i l de r r o r ) 的方法，该方法主要楚通过反笺试、修爱皋不凝毂遴湿蠛元傍瓣缝构，这襻努然 会母致成本的增加和制造周期的延长。近二十年来，随着流变学研究工作的迸展， 以及螺杆设计中c a d 肥a e 技术的快速发暇，使得人 f 】能够对流遒中熔体的流动情况 遥行数氇模缀，预溪l 矗籍参数弱工艺条箨与镑窭缝鬈之溺戆灏律往关系，搜褥瓣瀑 炼元件的改进可以通过计算机来完成，使混炼元件的设计更加完善。 1 2 混炼挤出机的发展状兔 针对常规单螺秆挤高祝混合熊力差、离速挤出塑化不良的现象，研究人员遗行了 托象讫t 天学镞土擎位论_ 宣= 大蹙的实验和研究，在鬻规螺枉挤蹬机设计的基础上，开发出来系列凝型漫炼揍如 机。下面介绍几种典型的混炼挤出枫； 平行双螺杆挤如机。平行双螺朽挤如机其鸯高速、赢产、混合魅力强等优点，健 是出于它的结构复杂，制造成本高，尤其是螺朽芯轴的强度受到疆螺朽中心距的限制， 一定程度上限制了平行双螺杆挤出机的发展。 锥形双螺杆挤出机。异向锥型双螺杆挤出机因其锥型螺杆的加料段直径较大， 可时物料连续地进行压缩，可缩短物料在机筒内的停留时间，但是其混合能力比 平行双螺秆挤出机差。 往复式销钉螵秆挤出机，也叫b u s s 挤出机。挤出过程中，物料在螺棱与机筒、 螺棱与梢钉以及销钉与螺槽底部之间的间隙内承受剪切，同时螺杆的往复运动使物料 的运动轨迹更为复杂，因而可以提高设备的混台能力。 行星挤出枫。行星挤出杌其有单螺杆挤出机与多螺杆挤出机两者的特性。行星段 中物料受到行鬃螺秆、主鳔秆与杌简之间的滚隧效康，因此其混合性能优良，而且舆 有优良豹自洁髋能。 在国内，研究夭员也散了大耄的工作，墩襻了一定的成就，为我国瀹炼挤出机的 发矮骰漤了贡献。主要豹研究成采有： 华南瓒工大学耩金平教授斡5 翻磷翻静电磁动态瀣瓣混炼挤出梳，具有能耗低、 割造成本秣、噤音低、混合效粜好、鸯秘z 鳖糕逡应靛广簿伉点。 悲容纯工大学塑孝辜枫被及蘩辩王稷辑究橇繇朱复华教授 7 一撅制翁端面混炼挠出 极，褥单螺姆爨柱甏主螺纹戆帮分韵缝移至溪纛熬端瑟攥线上避行，麸褥达弱籀高挤 出枧瓣漫会l 力、绦短搬嚣豹长度、提舞输送效率靛磊鼹。 j 京化工大学涯波教授【9 “o l 磅剁静串联式黪盘螺枵按基溉，将攀螺杼挤溅税耧瓣 盘拱出枫的结构进褥科学缎台，黢鸯结构麓单、揍爨压力囊筹优瘗，又辘发挥磨盘挤 出枫的破碎、分数、剪切、漫会稂塑化性戆。 以上几秘混炼挤出机郝从不网的方薅提寒了设冬的混合糕力，毽是阏孵又存在豢 很多的问题，魏结构复杂、体积大、噪音大、成本较态等等。与此撼毖，单螺耱接嫩 机商锝天独厚的优势，因此，人靠】越来越重襁单螺拇挤出极的硪究，其中一令重要驰 研究内容就是如何提高设备混合能力，瓶这方瑟的主要工作在予漫燎元转的研究； 1 。3 瀑炼元件 3 混炼元羚漫计弱整娶藏麟 l 、漫炼元件的俸魍 第一章概述 混炼元件是人们在解决普通的单螺杆挤出机混合能力差的基础上发展起来 的，是决定塑料制品质量的重要部件。混炼元件的主要作用有： ( 1 ) 提高螺杆的塑化能力和塑化质量； ( 2 ) 提高物料的均化质量和混台质量； ( 3 ) 减少温度和压力波动对挤出制品质量的影响； ( 4 ) 提高挤出机的产量。 2 、混炼元件的分类 据统计，已经申请专利的混炼元件有几百种之多。按照其工作原理的不同来 分，可分为分流型混炼元件、屏障型混炼元件和变流道型混炼元件等几大类【w 。 3 、混炼元件设计主要解决的问题 ( 1 ) 混炼元件的形状及尺寸问题，在混炼元件中不应该有任何物料的障碍或 死点，流动应为流线型，不得有突变区，更不能有死角和滞流区； ( 2 ) 混炼元件的压力和温度波动问题，混炼元件应该有较小的压力和温度波动， 且最好有前泵送作用； ( 3 ) 混炼元件应该容易拆卸、清洗和安装； ( 4 ) 合理选择材料，混炼元件的磨损大，压力高，而且要经受一定的腐蚀， 所以一定要选用硬度高、耐磨、耐腐蚀性的材料或进行表面处理； ( 5 ) 加工和价格问题，混炼元件的加工应尽量做到制造容易，价格适中。 1 3 2 典型混炼元件的结构 改进常规单螺杆挤出机混合能力的中心环节是挤压系统的改进，其核心就是采用 不同结构的混炼元件。混炼元件的种类繁多，其种常见的有以下几种： 1 、流型混炼元件 分流型混炼元件的主要作用是通过其复杂的结构打乱熔融物料流动的方向，使料 流交叉、换位和分流，从而促进熔融物料的混合。其种类很多，典型的有销钉混炼元 件、c t m 混炼元件和d i s 混炼元件等。 ( 1 ) 销钉混炼元件 销钉混炼元件是比较有代表性的分布混炼元件之一。销钉元件主要作用是分割料 流，增加界面，改变料流方向，使流束重新排列，从而提高物料温度的均匀性，增强 设备的混合能力。但是设置销钉元件的区段没有商剪切区，分散能力较差，因此，一 般将销钉元件与其他分散混炼元件配合使用。使用比较广泛的销钉元件有a a c h e n 的 i k v 研制的b l o c l d l e a d 混炼元件，d o w 化学公司的s a ) 【t o n 混炼元件和d u l m a g e 混炼 元件、杜邦公司的p i n e a p p l e 混炼元件等( 图1 1 ) 。 北京化丁大学城士学位论_ 史： 歹一f 觥 、珂霸目 b ) 曝一 ( d ) 蕊1 1 销钉混炼元诈 ( 8 ) b k 磕h 锶越戆炼元律，( b ) s a x t o n 滗炼元件， ( c ) d u l m a g e 漉炼元件，( d ) p i n p p l e 溉炼元件 f i g 1 一lp 觚m i x e f ( 确l 蕊d 越x # ，国) s 龆【| 。| lm i ) ( e f ， ( c ) d u l m a g em i x 目，( d ) p 访翰p p i em i x 日 ( 2 ) d l s 淫濠元黪 d i s 混炼元件( 图1 2 ) 是夜分流型混炼元件翔静态混台器的基础上发展起来的 一种新型混燎元件，具窍良好的分布湿台魅力。物料进入d l s 溅炼元 牛盾被分成了麓 于殷，分流佟瑶增加了莽面；各骰辩流豹汇台和换位，造成了络体维元在空闻的再分 布；同时物料在进料槽和出料槽均会受到剪切，特别是当物料由联通孔流出时，其料 滚方蠢帮剪落方囊接避难囊，这髯雩混合卡分鸯裂。d l s 漫滚元黪对瘸融耱辩夔阻力较 小，可以加：r 热敏性塑料。 瘴 第一章慨述 图1 2d i s _ 占炼元件 f i g 1 - 2d l sm i x e r ( 3 ) 空穴混炼元件 空穴混炼元件具有良好的分布混合能力，其设计特点是在螺杆上附加一个带凹穴 的螺杆头和带凹穴的机筒段，凹穴为半球形。随着螺杆的转动，旋转的转子连续地切 断熔体，并依次使熔体在转予和定子的空穴之间传递，对于加工添加剂含量高的聚合 物非常有利。但是空穴混炼元件没有正向的泵出能力，是压力消耗元件，压力降及熔 体温升可能很大。由于空穴较深，仅在空穴底部有少量的流动；因此，物料在空穴中 会出现滞流现象，机筒内壁不能完全被擦拭，缺少自洁能力，操作难且造价较高。 德国b a 珊a g 公司研制的空穴混炼元件，称为3 d 混炼元件【1 研。英国r a p r a ( 橡胶与 塑料研究协会) 的g a l c f 6 】研制出了c 1 m ( c 州t yt r a l l s f 醯m i x 哪空穴输送混炼元件( 图 1 3 ) 。 图l - 3c t m f i g 1 - 3c 1 m 2 、屏障型混炼元件 晟早出现的屏障型混炼元件是凸环( 图1 4 ) ，凸环与机筒壁之间的间隙很小， 物料在流过间隙时，压力降很大，产量大幅下降，因此凸环没有得到推广。在此基础 上，美国u n j o n c a r b i d e 公司的l e r o y 【”】设计了l e r o y 沟槽混炼元件( 图1 5 ) ，人们常 称之为m a d d o c k 混炼元件。m a d d o c k 元件可提供高剪切，有利于分散混合；进料槽和 出料槽中的物料因机筒运动而产生涡旋，不断改变流动方向，对分布混合有益。 m a d d o c k 混炼元件没有正向泵出作用，是一种压力消耗元件，会产生较高的压力降且 容易产生滞流。 北京化t 大学坝卜学位论文 圈l “凸环 f j g 1 - 4b i i s t 目r i n g 疆l _ 5 醚醚曲矗撬薅嚣镣 f 酶1 - 5m 棚d o c km 坟w m a 翻。威滢炼元姆爨瑗之嚣，磷突又受鞠继骚铡斑。，不嚣绥麴懿霉簿瀵潼滚嚣耱。 如e g a l l 公司的g r c 9 0 r y 和s 缸优f 嘲设计的e g a n 混炼元件，f e 酣s c r 聊s 公司的d r a ，1 9 1 设计 的d r a y 混炼元件，以及连续式横向屏障棱( s c c b ) 混炼元传等( 图1 6 ) 。 ( a ) ( b ) 第一牵概逑 圈l _ 6 屏障型混炼元件 ( a ) e g a n 混炼元件，( b ) d m y 混炼元件，( c ) s c c b 混炼元件 f 窀1 _ 6b 郴i m x # ( 砖嚣鳓巍x 谍，黔d 髓y 瑚扳龆，f c ) s c e b m ；x e r 3 、交流道型混炼元件 变流道型混炼元件的结构特点是通过改变螺杼流邀的截面形状或截面砸积大小， 来达到保证物料塑化和增强混合能力的目的，蕻主要代表是波形螺柙。 h p m 公司的撕d d 2 。】研制出了波状螺杆( 图1 7 ) 。波状螺杆主要是通过改变混 炼段隙槽的深度来取褥有效的混合。波状螺杆分裂流动的次数不很多，因此英分布混 台能力还算好；波形螺秆巾物料越过屏障棱时受到高的剪切速率，且楷深变化产生了 延伸流动分量，因而其有一定的分散混合能力。 图l - 7 波状螺杆 f 埝1 1 7w a 犍s 铸e w d r a y f 2 ”研制的d f a y 三角块漫炼元件( 图l 一8 ) ，毅e a s l l e 工业公司磅制了 s t a n a _ b l e n d 2 2 】混燎元件，也是变流遵型混燎元l 譬申比较典型媳结构。 圈l 堪琢魏y 三角块淀炼霜露 f i g 1 - 8 斯a y 埘g 啦”搬i x e r 4 、其他擒炼元件 行星混炼元件( 圈1 9 ) 。行鼹混炼元件设薰在常规单螺秆挤出机的末端。行粲 元件中物料受到行星螺杆、主螺秆与枫筒之间的滚压效应，因此其混合作用很强烈。 行星元件舆有几个优点；分散混合性熊和分布混合性能优趣而不会明显提高熔体温 一 韭塞些三壅兰塑主兰焦笙壅 度；电于行星螺杼与主螺样的是擦除效废，困扰是有忧蘸的自洁性能。 醋】- 9 行璺键炼元件 f i 瘩1 母p l a n e 仞| r yg e “m i x “ c r d 混燎元件旺3 + 2 哪( 图1 1 0 ) 。c r d 混炼元搏较好地宠服了在单螺杼挤出概中 舞现投l 率流动豹难题，该登混炼元件通过两种方法有效翘引入了拉伸流动，同时通过 合理魄布置开槽，又使该混炼元件其有一定的分鸯淫会性能期驻囱混合性能。 闰l * 1 0c r d 混蠊元件 f 镰l - 1 9c l t dm i x # 新型混沌螺秆。s j k i m 和w r h w 髓g 等2 6 】设计了新型混沌螺枉( c h a o s s c f e w ， 简称c s ) ，螺攫震开结构如图l 。ll 赝暴。冀主要设计憨怒是在计量段酌蜾稽中周期性 插入混炼元件，打破常蕊稳态流场，以引起瀹淹流。他们通过实验和数值模拟方法磺 究了在单螺籽挤出机中采用漫沌螺授居的混念效累，发现这秘瀑淹混合逅优予普通革 螺帮挤出杌中静游台。 胬l 。“混沌螺杆螺梢 f 睡1 - l lf j u l eo f c h a 0 8s c r e w 帮一章糍述 一般请凝下，混台分为分蠢混合与分教瀵含嚣秘。努套涅会不霞要物赫豹连续交 形，主嚣通过筠单静体积捺歹l j 和嚣换来达劐使秘耪均匀豹效莱。分散湿合是通过把貔 料中少缀分的固体颗粒分散开来，破碎成为最小粒子，并均匀分布列各组分中去的过 程。实际匕，分布混合与分散混合并不是独立的，在分散混合中存= 黻分布混合，在分 布混合中也存在程度不等的分散混合。在常规螺轩匕，对物料的混合主要是依靠层流 剪切塞实现夔。露对于瀑熬元辞来说，混台俘粥除了依靠强爨豹懿甥佟矮癸，还要袄 靠不躲淑改变耪辩静滚秘方淘，使辩流糨交叉势霪薪分布，都依靠熔融秘辩漉线索之 间相对德置的变化来实现，这也是新型混炼元件设计的出发点。 不同类型的混炼元件，其混合作用也不尽相闯，针对不同的物料，应该选用不同 的混炼元件。如果将不同类嬲的混炼元件组合程一起使用，各取所长，则可以达到事 半功偿的效果；如将分蠢溅会元转秘分数混合必钵维含在一起，露以阕 l 章提高混炼元 俘鹣分蠢混合裁力帮努熬溉会麓秀。生产不瓣瓣髑赫鞋，哭簧耋豢皴会演薅嚣传帮胃。 近几年来的趋势表明：组禽混炼元件不仅在囊羧整中使用，在生产巾也开始得到推广 应用。 。毒瀵炼元件混合极蘧 在聚合物加工过程中，为了提高材料的物醒力学性能、化学稳滋性以及加工性能， 经常使用一些添加剂如补强剂、增塑剂、抗氧剂镣，组成新的混合物。显然，聚合物 制品的备种性能以及表观质爨很大程度上依赖予混合物的均匀性。丽混合的作用就是 提藏混食物鲍均匀性，撼离测蒸翡蒺燕。因懿，溜奢裁成是聚合秘鸯l 王过程中的一令 至关黧蘩麓环节。繇虢，凝究聚合豹热工豹瀑会过程及滢台襁理，漪疆导混台设备或 混炼元件的设计有重要意义。 1 4 。1 混合的内容和目的 貉基辊秘漫会襞力羹渡荚系羞揍基割熬豹缀蹙，氇是餐鬟按爨掇往戆熬重要指 标。混合是一静趋向予减少混台物菲均匀褴的谶稷。实际上，混含过程是很多过程韵 总称，包括掺和、分散、分布和捏合等过程。遮魑过程是相互联系，往往又是同时发 生的。 塑料是一弛含有多种复杂缓分的混合物，如润滑剂、增塑剌、稳定裁、染料和备 拿 薤豪纯t 太学醺士攀霞论文 种填料，以及交联剂和发溆剂等多种添加剂。近年来，随着聚合物熬混、改性和增强 工艺的需要，加到聚合物中嫫料的种类与数赞也愈来愈多。而且，邋些组分和聚合物 本身往往是不相容的，在挤出过程中有从塑料中分离出来的趋势。因此，如何将这些 填籽熬足露尺寸酸磅裂适警豹足度，并耨它簌均岛逡努教銎| 褥器中丧，羲残炎疆究混 合过程豹一个重要课题。 除了组分的分散外，塑料各点的温度和压力的均匀性也是混合的个极其重要的 目标，这对于防止制品颜饿不均匀、减少内应力和尺寸变形，提高制品的各方面性能 都是檄其重要的。 努终，精度懿均匀瞧魄楚溃台豹一个嚣椽。繁鼗鞠砖努子囊不瓣及澄菠不均匀鳇 造成了精度豹不丽，对藕璇不同豹嬉辩j 萝 施熊鹣剪切力氇不耱羼，瓣越在剪切力豹绍 用下，熔料的相当分子量和相当分子量分布之间的差距也会缩小。 1 4 2 混合要素 强藏，国内努学者美予备秘滢滚囊鍪孛彩旗混合静嚣素基爱窀翻之窝豹关系煮冤 统一的意见。有人认为毫骞憔流体的混合要素有剪切、分流和位置交捺。日本学者出翻 岸泰按分散体系的流变特性，把压缩、剪切和鼹换分配称之为“濑炼三要素”，混炼 三要素模型如l 一1 2 图所示，艇个混炼过程是由“压缩”、“剪切”和“鼹换分配”这 三个黉豢反复作用完成的。逐有文献认为混含怒一个动态平衡过穰。 鹅缀起来，我鬟不结鼍走为，在聚会魏兹滋念避程串，淫舍夔癸索主要骞夔韬、努 流誊羧、压缩和控律等雩箸斓，这些作用并非在混合过程中都同等程壤地出现，两与船 工的物料、温度、压力以及邀度等有关。 圈一出一嚆一圉、 唾呈丽 q 盯 整1 1 2 滗滚三荽繁模型 p 援缩，s 一剪切，d 。簧换 f i 参1 - 1 2m o d e lo f m i x i n gf a c t o r s p p r ，s - s h e ”，d 彤i s p l a c e 。3 螺纹混炼元昝的缝祷特焘 0 第一章概述 混炼元件结构设计的根本出发点是：通过混炼元件实现对熔料流速、流向的改变， 实现对物料有效地挤压、剥离、拉伸及剪切，不断在料层中构成新的界面。对此， r a u w 锄d a a l 曾经提出螺杆挤出机中的混炼元件应该满足以下基本原则f 2 7 l ： ( 1 ) 混炼元件应有较小的压力降，且最好有前泵送作用； ( 2 ) 在混炼元件中不应该有任何物料的障碍或死点，流动应为流线型： ( 3 ) 混炼元件应能够完全擦拭机筒表面； ( 4 ) 混炼元件应该容易拆卸、清洗和安装； ( 5 ) 制造容易，价格适中。 根据以上的理论和设计原则，笔者设计了螺纹混炼元件，其主要特点是在螺杆多 头螺纹相应部分的机筒上设计了螺纹槽，旋向和螺杆螺棱的旋向难好相反，其结构三 维图如图1 1 3 所示。 1 4 4 螺纹混炼元件的混合作用 图1 1 3 螺纹混炼元件 ( a ) 螺杆，( b ) 机筒 f i g 1 1 3s c r e wm i x 目 ( a ) s c r e w ，( b ) b a d 1 、剪切作用 在螺纹混炼元件中，螺轩的螺棱和机筒的螺纹槽旋向相反，呈交叉状。随着螺杆 的旋转，物料在螺杆螺棱和机筒的螺纹槽之间受到反复的剪切作用。螺纹混炼元件中 有多个高剪切区，物料通过高剪切区时受到较大的剪切作用。 2 、置换作用 在螺纹混炼元件中，螺杆螺棱分别与机筒内壁和机筒螺纹流道相对，如图l 一1 4 所 示。反向螺纹的主要作用就是产生回流，使部分熔融的物料经过机筒内壁和螺棱的剪 切后进入机筒螺纹槽内；然后这部分物料在螺杆旋转的作用下，再次经过螺杆和机筒 的剪切后回到螺杆螺槽内，如此实现物料的反复剪切、分流和回流，可以提高对物料 的混合作用。 。一望茎竺j ：查兰鳖盍耋堡垒兰： 图l 1 4 流道剖蕊燃 f i 垂l 1 4s e c 6 o f 婊a l l n 越 3 、压缩作用 如网l - 1 4 所示，当螺杆螺槽和机筒螺纹槽相对时，物料充实的空间较大；随着螺 杆的旋转，当螺杆螺梭和机筒内壁相对时，物料充实的空间急剧减小，这样就对物料 产生较大的压缩作用。 强扬辩象爨戆过摇串，獭螺耱臻援器疆筵蠹爨禳霹嚣，楚羁发鬟曼夔韬；当曝轻潦 援和税筒螺绞稽耱对曩于，秘籽发生压缩；当螺释蠛措秘瓿篱螺纹播褶辩的时候，两个 螺槽形成的空脏内物料发生溉换。另外，熔融的物料在受到剪切作厢的同时，在螺秆 螺槽和机筒螺纹槽之间还能实现拉伸作用。这样以来，物料在流经混炼元件时要受到 多次剪切、拉伸、置换和熙缩作用，混合效果得到了提高。 5 计算橇辅动工程技术( c a ) 1 5 1 c e 技术简介 e a 转( c 耀l 辨t 释a 莲砖势e s i g 国帮e a 嚣( e o 搬p u 溆矗i d 秘寥羲# 麟l n g 蹩最近二 卡年发碰起来酌诗算秘祷学和工程科学交叉的技术应用领域。麓麓辩技和现代工 业文明的高速发展，传统的机械产品对其设计方法和手段提出了越激越高的要求， 主要袭现在速度快、质蹙好、低成本三个方砸。以往一直采用的溅似设计、类比 设计、以及经验设计等方法避远无法达到这些鹱求，这就促使人们去寻求一种更 毅、燹抉、更好的竣诗方法，e a 搿e 矗e 援零蒸楚逶痤这一要求嚣产袋瓣。与羲统 豹没诗方法籀兆，c a d 忿a 嚣技术具有驻下咒方瑟的优势： 1 、能够显著提高工作效攀，缩短设计周期，降低成本并提高设计质量。据统 计，在机械产品设计中，利用c a d c a e 技术w 提高设计速度3 5 倍。 2 、对产品进行精确的计算分析，通过应用c a d ，c a e 软件的强大数据处理功 能不颧敬遴产瑟设计，逐步这烈茯证设计豹要求。 第章概述 3 、够提供三维结构分析和仿真功能，运用形象化设计手段对参数设定、运动 现象予以分析，并能对运动系统的不同状态进行模拟，从而为设计者提供直观的、 i _ i j 仿真的交互式设计技术。 c a e 技术的发展动力是c a d 计算机辅助制造( c a m ) 技术水平和应用水平的 提高，c a e 技术的发展条件是计算机及图形显示设备的推出，c a e 技术的理论基 础是有限元、边界元法等现代计算力学方法，c a e 技术的核心内容是计算机模拟 与仿真。 c a e 技术始于1 9 4 3 年，随着有限元理论的逐步成熟以及计算机硬件的迅速 发展，使c a e 技术经历了6 0 年代的探索发展，7 0 8 0 年代的蓬勃发展，以及9 0 年代的成熟壮大三个阶段。 总之，现行的c a e 技术已经成熟，c a e 软件的可用性、可靠性和计算效率 问题已基本解决。c a e 是c a d 技术的深化与发展，c a d 、c a m 等技术实现了数 字化，c a e 技术则是信息化的核心，是现代工程和制造业创新的关键手段，且 c a e 技术在实现创新的同时，可提高设计质量，降低研究开发成本，缩短研究开 发周期。当今的c a e 软件已处于商品化时代，与c a d 、c a m 、c a p p 、p d m 、 e r p 等软件一起，逐步形成一个包括研究、开发、营销、培堋服务等在内的应用 软件产业，是信息产业的一个重要组成部分，对工程和制造业的技术创新有重大 影响，对国民经济的发展有积极的作用。 1 5 2c a e 技术的发展现状及趋势 现在，计算机模拟技术广泛地使用在塑料成型加工领域中。f l u e n t 公司开 发的三维流体软件包能够模拟多层共挤、畋塑、口模及流道内熔体流动及离模膨 胀；i m i c n r c 公司、c o m p u p l a s t 公司、c m 0 1 d 公司等也开发出了类似的软件。 这些c a e 软件对正确设计混炼元件的结构、合理选择工艺条件、提高产品质量和 生产率等都会有很大的帮助。 l 、c a e 技术的发展现状1 2 8 】 c a e 技术主要是利用高分子材料学、流变学、传热学、计算力学和计算机图 形学等基本理论，建立塑料成型过程的数学和物理模型，构造有效的数值计算方 法，实现成型过程的动态仿真分析，使人们对塑料成型过程的认识从宏观进入微 观、从定性进入定量、从静态进入动态，为优化结构设计帮控制制品成型过程， 获得理想的最终产品，提供科学依据和设计分析手段。 c a e 技术的运用是塑料成型加工及模具设计发展过程中的一个重要里程碑。 它可使设计人员避免设计中的盲目性，使工程技术人员在模具加工前完成试模工 作，也可使生产操作人员预测工艺参数对制品外观和性能的影响。总之，设计、 乾哀耗l = 天学疆0 学谴论= 叠= 生产人员可利用c a e 技术有目的地修正设计方案和工艺条件，克服因经验少、工 作疏漏丽造成的不良后果，多快好省地进行新产品、新工艺的研究开发，以适应 | 1 益激烈的竞争环境。霞戴，近年来模具及塑辩加工领域发展最快的是c a e 援术， 逶过瓣成型鸯羹王蓬疆送行数穰模掇，磅褒掇王条耱戆交建巍箨，鞭浏裁晶豹缝稼 和性髓，选择制品、结鞫设计及工艺条传闻韵最佳方案，使成蘩加工从一项实用 技术变为一门应用科学。 现在c a e 技术已经在聚合物加工的挤出、注射的流道和模舆设计等领域得到 了广泛应用，并且已经取德了一定的成果。 旱麓，m g 毽露a 、￥j a l 珏f i 2 甥等运瘸三维鸯袋元，霹蓬彩羧绻滚遂及繇形 收缩濂邋中酌流动情嚣避静了模羧诗算，并粥鬟验验诞了采蔫举阏豹单元形式掰 求得的计算结果。1 9 9 3 年和1 9 9 5 年，l a w a l 以l y a p u n o v 指数作为评价分布混合效 率的指桥，分别对牛顿流体谯捏合盘和螺纹元粹中的分布混合情况谶行了动力学分 析。c h e n g 模拟了z s k 5 3 冈向旋转双螺杆挤出桃内的三维等温流动，并以长度拉伸 比、甏羧控 枣魄羰及应交分毒等终荛分毒混会稷疫懿篱量豢耘，使鲻艇子示踪技拳j l 雪 其分露混会演援送行了数德磷究。强。探讨了疆及起藤缓赣送元律鲍不强组合对魏籽 在l c m ) ( 4 0 机中盼分数性溉会情况。2 0 0 4 年，魏新利等册应用f l u e n t 软件对销 钉机筒挤出机内物料流动与濑含进行了模拟，分别研究销钉数嚣、销钳播间距、螺槽 宽度、拖曳速度对螺杆圆周麟开面内物料流动与濑食效果的影响。2 0 0 s 年，李翱等 p u 傻粥a n s y s 对串联式麟盘螺穰= 揍出捉三缳滚动遴瑟了攘攒诗髯，分餐了瘗盘绣聋孽 参数、工蕊条终霹藏凌豹逮发、压力彝旗覆分蠢麓影夔。2 0 游年，豢中华等1 3 2 ；癍蘑 p o l y f l o w 软件对双螺杼挤出机不嗣导程螺纹元件中的流动和混合过程进行了数 值模拟，井用示踪粒子法研巍了不同颜色粒子流线、流迹和停留时间、翦切速率、剪 切应力、拉伸速率的分布。 从以往的磅究成果中霹l ； 看出，三维煮隈嚣是对复杂湿炼元 譬遴褥流动移潼 合分辑戆蠢力工曩。 聚合物熔体分析豹基本方法是联立质量、渤蟹、能量方程帮率构方程进行求 解。不同点主要是针对各个研究对象采用不同的本构方程、应用不同的假设条件。 联立方糕求解的方法已被诚明在工业生产中具旃足够的精度，大多数模拟分析过 程采用露隈元素法或有限麓分法。研究的重点粼集中在对篷力、速度、温度、应 力等方溪豹疆变主。漫炼嚣穆建嚣参数懿交纯会囊接影臻这些戆懑爨分毒凌猿， 丽这些物理量与混炼的瘊鬃商直接的关系。豳此，分析几何参数躺交纯能够实现 指导设计的目的】。 2 、c a e 技术的发展趋势 为了对各种成型加工j 遘程进行更精确的模羧，鼹前各国学者鄂在研究新模型、 囊算法及鞭豹残型攘裂系缓，劳蒋搂叛较箨与裁瑟莰诗、穰吴竣诗及魏造紧密结 第一章概述 合，开发一体化的集成技术，与c a d 、c a m 、c a p p 、p d m 、e r p 等技术软件的 渗透、协调能力加强，使计算机模拟技术呈现智能化、集成化的趋势。可以预见， c a e 技术将被广泛采用，成为解决塑料成型加工结构设计中各类问题的标准工具 和手段【34 1 。 随若科学技术的迅速发展，互联网技术的普及和全球信息化，c a e 技术的功 能进一步扩充，性能也进一步提高，呈现出如下的发展趋势3 5 1 ： ( 1 ) 数学模型、数值算法逐步完善，理论向纵深方向发展； ( 2 ) 人工智能、知识工程的运用，使用户界面更加友好； ( 3 ) 优化理论及算法，使c a e 技术“主动”地优化设计； ( 4 ) c a e 技术的集成化与网络化发展。 在现代工程设计中，模拟、优化的设计方法已经得到广泛应用，它对于提高 设计水平、完善设计方案起到非常重要的作用。随着计算技术的迅速发展，模拟、 优化设计方法已经成为计算机辅助设计的技术基础。本文正是结合工程应用中的 这一需要，对螺纹混炼元件流道内的流动情况进行分析，讨论了混炼元件参数的 变化对熔体流动的影响。 1 6 课题研究的内容、目的和意义 1 6 1 课题研究内容 本课题的主要研究内容是设计新型的螺纹混炼元件，并使用p o l y f l o w 对混炼元 件进行流动模拟，分析几何参数对混炼元件的影响，同时对元件进行优化，最后通过 实验进行了初步的验证，具体内容包括下面五个方面： ( 1 ) 设计新型单螺杆螺纹混炼元件，用g a m b i t 或s o l i d w o r k s 等造型软件 建立几何模型，并参数化； ( 2 ) 利用p o l y f l o w 求解不同参数下的速度场、压力场、剪切速率场和粘度 场的分布以及停留时间分布和最大剪切速率分布； ( 3 ) 对计算出的各种流场结果进行分析，并根据分析结果重新选择参数，建 立模型，进行模拟，来优化混炼流道设计，找出最佳的几何结构参数； ( 4 ) 通过模拟比较螺纹混炼元件和c 可m 、销钉元件等其他混炼元件的流场分布 特点和混合性能。 ( 5 ) 通过实验和模拟的结果相比较，进一步对混炼元件进行改进。 采用p o l y f l o w 软件的分析过程如1 1 5 所示： 北京化t 人学硕士学位论文 1 6 2 课题研究目的和意义 图1 1 5 分析过税 f i 垂1 l sa n a l y t i cp r o c e s s 1 、研究目的 ( 1 ) 分析新型螺纹混炼元件的结构特点和合理性。 ( 2 ) 分析混炼元件流道中压力场、速度场、剪切应力场及粘度场的分布情况， 及结构参数对流场分布的影响，找出合理的结构参数。 ( 3 ) 将以上得出的结论应用于螺纹混炼元件的设计，提高单螺杼的混炼质量， 从而可以获得优怠的产品。 2 、研究意义 聚合物加工的方向之一是a b c ，即a 一合金、b 一共混和c 复合，丽这都离不开混炼 元件。新型混炼元件的发展为提高单螺杆挤出机的混合性能提供了可能，装配有混炼 元件的单螺杆混炼挤出机具有优良的使用性能，与双螺杆挤出机以及多螺杆挤出机相 比较具有结构简单、成本低、易于加工、体积小等优点。单螺杆混炼挤出机广泛应用 于各种塑料的填充、共混、增强、交联、合金化、接技，以及色母粒、功能母粒、阻 燃材料、导电材料、降解材料及增强增韧塑料、电磁干扰屏蔽配混物、磁性塑料、热 塑性弹性体、电缆料等专用材料的生产。 本课题通过分析混炼流道中压力场、速度场、剪切应力场及粘度场的分布情 况，及混炼元件结构参数对流场分布的影响，找出合理的混炼元件结构参数，开 发出新型的螺纹混炼元件。通过新型混炼元件的几何结构和混合理论的研究，同时 解决普通单螺杆挤出机混炼效果不好和双螺杆挤出机加工成本高的难题。因此，本课 题对节约制造加工成本，节约能源，提高制品质量，为螺纹混炼元件的工业化生产提 供了理论和经验，促进单螺杆混炼挤出机在我国的发展有相当重要的意义。 第二章分析方法与软件的选择 第二章分析方法与软件的选择 2 1 混炼元件模拟的求解方法 聚合物挤出加工过程中，聚合物熔体本身具有复杂的流变行为，且多数流道的截 面形状不规则，所以在模拟时很难得到精确的解析解，因此多采用数值方法来求解。 目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法主要是有限元法( f e m ) 和有限差分法 ( f d m ) 。 有限元法的基本思想是把连续的求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互 联结在一起的单元组合体，由于单元能够按不同的联结方式进行组合，且单元本身又 可以有不同的形状，因此使用有限单元法可以对几何形状复杂的求解区域进行建模。 有限差分法首先将求解域划分为规则网格，然后在网络的节点上用差分方程来近似微 分方程。当采用较多的节点时，近似解的精度可以得到改进。但有限差分法在用于几 何形状复杂的流动区域问题时，由于其划分网格的规则性，无法准确地模拟流场边界， 它的精度将大幅度降低。这两种方法的特点与解析法的详细比较情况可参见表2 。l 。 表2 1 解析法、有限元法及有限差分法的特点比较 解析法有限差分法( f d m )有限元法( f 删) 几何形状规划而简单矩形边界曲线边界 结果控制体内所有点值只有节点值区域内任意点值 精度低一般高 负作用叠加否是是 几何尺寸直接计算反复计算反复计算 所需硬件条件计算器或p cp cp c 或大型计算机 所需时间少一般长 当遇到曲线边界的不规则区域时，往往采用有限元法，它允许单元边界相互不垂 直，并且允许边界为曲线。因为该方法可以采用不同类型的形函数去近似不同类型的