（化工过程机械专业论文）注射成型止逆环的数值模拟和实验研究.pdf

摘要 注射成型止逆环的数值模拟和实验研究 摘要 随着人们对注射制品质量要求的不断提高和新的注射成型物料 的不断出现，注射制品的质量控制越来越引起人们的重视。过去人们 把重点放在了两个方面。一是在注射成型机中采用精密的控制系统。 二是提高和发展流动模拟，对注射熔料进入模腔的过程进行三维计算 机模拟。而关于聚合物熔体在注射螺杆和止逆环之间的流动过程以及 止逆环的设计对制品质量的影响等的研究涉及较少。 针对这一情况，本课题对注射成型止逆环中的非牛顿流体等温流 动进行了三维模拟分析，运用s 0 1 i d w o r k s 及g a m b i t 软件建立流道的 几何模型和有限元模型，应用f 1 u e n t 软件对模型进行了模拟，得到 了熔体在止逆环流道中流动的速度场、压力场、剪切速率场及粘度场 的分布，对不同止逆环结构模拟结果进行比较，并用正交实验研究了 三小件螺杆头、止逆环、密封环的不同参数与成型制品质量之间的关 系，主要得到以下结论： l 、在注射成型的塑化阶段，流过止逆环所产生的压力降首先迅 速增加并很快会达到一个峰值，随后压力降会开始缓慢下降，在达到 稳态后，压力降将基本趋于一个恒定的值。而在注射成型的注射阶段， 流过止逆环所产生的压力降首先增加，随后压力降开始逐渐下降。注 北京化r 人学颂t 。、i 1 口论文 射结束后压力降为零。 2 、三种螺杆转速下，塑化和注射阶段的速度变化趋势基本相【刊。 在塑化开始时，在止逆环的入【i 处，随着止逆环入口截面积的增加， 熔体的流动速度逐渐减小，当止逆环完全打开后，达到稳态，速度将 达到稳定值。 3 、三种螺杆转速下的整体剪切速率和粘度场分布基本相同，各 种情况f 的粘度分布是与其剪切速率分布相对应的，剪切速率大的地 方，粘度小，反之，粘度大。熔体剑达止逆环入口位置后，所受的剪 切应力急剧增大，粘度突然减小，粘度的最小值出现在止逆环入口处。 4 、在塑化阶段，作用在止逆环各个面上的力都较小，只有止逆 环完全开启时，这个作用力达到最大值。在注射阶段，当止逆环完全 关闭埘止逆环上受到的力最大，它比塑化阶段的最大力要大得多。 5 、通过对四种不同止逆环结构在塑化和注射阶段流场模拟结果 的比较，认为对于注射成型过程，第二种l 二逆环结构更好。 6 、对正交实验的结果进行分析后可以看出，制品质量的主要影 响因子是a ，a ，即止逆环与密封环之间的流道截面积和密封环与料筒 之间的流道截面积之比，其次是( 止逆环及密封环倾角) ，再次是s ( 止逆环与料筒间的间隙) ，v ( 螺杆头角度) 影响最小。 关键词：注射成型止逆环数值模拟f l u e n t 正交实验 摘要 s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo f a ni n j e c t i o nm o l d i n gn o n - r e t u r nv a l v e a b s t r a c t i i 】j e c t i o nm o l d i n gi so n eo f t h ei m p o n a m tm e t h o d sf o rp o l y m c r p m c e s s i n g i np a s t ，m o s ta t t e n t i o nh a sb e e np l a c e do ni i n p r o 、r i n gt h e q u a l i t yo f i 巧e c 石o nm o l d c dp a n s t w oa r e a sh a v er e c e j v e dm o s to f t l l i s a t t e n t i o n o n ei st h ei m p l e m e n t a t i o no fs o p h i s t i c a t e dc o n 缸d l st o 蝎e c t i o n m o l d i n gm a c h i n e s t h es e c o n di st h ei l p r o v e m e n ta n dd e v e l o p n l e n to f q u a s i m r e ed i m e n s i o n a lc o m p u t e rs i m u l a t i o n sf o rt h ei n j e c t i o no f m o l t e n p 0 1 y m e ri n t o 也em o l d o n ea s p e c tt h a th a sn o tr e c e i v e dat h o r o u g h i n v e s t i g a t i o ni st h ep m c c s s i n go f m ep o l y m e rb e t w e e n 删e c t i o na n dm e n o n f e n l l v a l v e t bt h eq u e s t i o n ，i nt 圭l i sp a p e ri s o t h e n n a lf l o wa n a l y s i so f n o n n e 、矾o n i a nf l u i di nc h a n n e lo fn o n 一“加mv a l v ei sc o n c e m e d u s es o a w a r e o fs 0 1 i d w o r k s 锄dg a l 】曲i tt ob u i l da ng e o m e t r i cm o d e la n df i n i t ee l e m e n t m o d e l ，t 1 1 e n l r e e - d i m e n s i o n a ln o ws i l l l u l a t i o n so f 也en o n 一腻mv a l v ei n i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ea r ep e r f o r m e dw i maf i n i t ev 0 1 u m ep a c k a g e ， f u j e n tt h ed i s t 曲u 妇go f v e l o c 时，p r e s s u r e ，m ec u t t i n gm t ea n d v i s c o s i 够i sr e c e i v e d w - ca l s os t t l d yt h er e l a t i o nb e t w e e nt l l ep 撇m e t e ro f i i ! 室些三查堂堡堂垡堡壅 t h en o n 。r e t u r nv a l v ea n dt h eq u a l i t yo ft h ep a n s t h em a i nc o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w i n g 1 d u r i n gt h er e c o v e r ys t a g e ，t h ef a l lo fp r e s s u r ea c r o s st h e n o n r e t u r nv a l v ei si n c r e a s er a p i dt oam a x i m u m ，a n dt h e nt h e f a l lo f p r e s s u r ei sb e g i nt od r o p ，i tw i l lr e a c ht oas t e a d yw h e nt h en o n r e t u r n v a l v ei so p e n e da b s o l u t e l gd u r i n gt h ei n j e c t i o ns t a g e t h ef a l lo f p r e s s u r e i si n c r e a s ef i r s t l y , a n di tw i l la tas t e a d yw h e nt h en o n r e t u r nv a l v ei s c l o s e da b s o l u t e l y i tw i l lt oz e r ow h e nt h ei n j e c t i o ni so v e l 2 a tb e g i n n i n go ft h er e c o v e r y s t a g e ，t h es p e e do fl i q u i dh a sa a b r u p t l yd e c r e a s ea st h ei n c r e a s i n go ft h ec r o s sa r e aa tt h ei n l e to f n o n r e t u r nv a l v e ，a n dt h e ni tw i l lt oas t a b i l i z a t i o n 3 t h ed i s t r i b u t i o no ft h es h e a rr a t ea n dv i s c o s i t ya r es i m i l a ra t d i f f e r e n ts c r e ws p e e d i ne a c hd i s t r i b u t i o n ，t h ev i s c o s i t ya n dt h es h e a rr a t e i sc o r r e s p o n d i n g ，w h e nt h e r eh a sab i gs h e a rr a t e ，t h ev i s c o s i t yw i l lb e l i t t l e t h em i n i m u mo ft h ev i s c o s i t yi sa tt h ee n t r a n c eo ft h en o n r e t u r n v a l v e 4 d u r i n gt h er e c o v e r ys t a g e ，t h ef o r c e sa c t e do nt h en o n r e t u m v a l v ea r ea l l v e r yl i t t l e ，o n l yw h e nt h en o n r e t u r nv a l v ei so p e n e d a b s o l u t e l y ；t h ef o r c ei sr e a c h e dt om a x d u r i n gt h ei n j e c t i o ns t a g e ，w h e n t h en o n r e t u r nv a l v ei sc l o s e da b s o l u t e l y ，t h ef o r c ei sr e a c ht om a xw h i c h i sb i g g e rt h a nr e c o v e r ys t a g e 摘要 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ ，一 5 c o m p a r ew i t hf o u rd i f f e r e n tn o n r e t u r nv a l v e ss i m u l a t i o nr e s u l t s a tt h er e c o v e r ya n di n j e c t i o ns t a g e ，t h es e c o n ds t r u c t u r ei s g o o dt ot h e i n j e c t i o nm o l d i n g 6 t h r o u g ht h er e s u l t so f t h ec r o s se x p e r i m e n t ，t h ec o n c l u s i o ni st h a t t h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o rt ot h eq u a l i t yo f p a r t si s 一2 彳l ，i e ，t h er a t i o b e t w e e nt h ec r o s s s e c t i o no ft h en o n r e t u r nv a l v ea n dt h es e a lw i t ht h e c r o s s - s e c t i o n o ft h es e a la n db a r r e l ；t h es e c o n di n f l u e n c i n gf a c t o r i s 仪， t h ea n g l eb e t w e e nt h en o n r e t u r nv a l v ea n dt h e s e a l ；t h et h i r di ss ，t h e c l e a r a n c eb e t w e e nt h en o n - r e t u mv a l v ea n dt h eb a r r e l ；丫，t h ea n g l eo f t h e s c r e wt i pi st h el e a s t k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ，n o n - r e t u r nv a l v e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，f l u e n t ，c r o s se x p e r i m e n t v 第一章文献综述及本课题的研究工作 第一章文献综述及本课题的研究工作 1 1 注射成型及注射成型机介绍 在当今四大材料体系( 木材、硅酸盐、金属和聚合物) 中，金属和聚合物是应 用最广泛、最重要的两种材料，以聚合物树脂为例，目前，其年产量超过一亿吨。 而塑料是聚合物材料中最多、应用最广泛的“1 。塑料注射成型是塑料加工的重要 方法之一，它是一种以高速高压将塑料熔体注入到已闭合的模具型腔内，经过冷 却定型，得到与模腔相一致的塑料制件的成型方法，因此，它具有如下特点：能 一次成型出外形复杂、尺寸精确或带有嵌件的塑料制件；对各种塑料加工的适应 性强；机器生产率高以及易于实现自动化生产等。由于其具有这些独特的优越性， 在塑料加工中起着十分重要的作用。从小到螺丝、螺母、精密齿轮等机器零件、 大到超大容器、帆扳等；从日常生活用品、家电产品、汽车部件到航空航天等军 用尖端科技产品，注塑制品日益改变着人们的生活。据统计：目前，每年占塑料 机械总台数6 0 以上的塑料注射成型机消耗了3 0 左右的塑料原料0 1 。 早在1 8 4 9 年，德国的s t u r g i s s 就发明了赛璐璐注射成型机。最初主要用来加 工纤维素硝酸脂和醋酸纤维一类的塑料。1 9 2 2 年德国正式用热塑性塑料为原料生 产注射制品。1 9 3 2 年德国f r a n z b r a u n 工厂制造了第一台现代型注射机一全自动 柱塞式卧式注射成型机。4 0 年代以后，由于石油化学工业的发展，促进了塑料工 业的发展。其中热塑性塑料无论在品种或是数量方面，增长都很突出，这要求发 展相适应的加工技术和机器设备。1 9 4 8 年将螺杆挤出机用作注射机的预塑化装 置，并于1 9 5 6 年出现了世界上第一台往复式螺杆注射成型机，其在本质上已经有 了今天的注射成型机的所有重要特征。在我国，塑料工业及其成型机械工业都是 新兴的工业部门，注射成型机又是塑料加工机械中属于比较复杂和精密的机器。 解放后不久，我国就建立了自己的塑料机械工业和生产注射成型机的专业机械 厂。1 9 5 8 年生产出我国第一台液压传动的全自动柱塞式注射成型机。1 9 6 5 年我国 自行设计的x s z y 螺杆式注射成型机问世，并出口外销。目前，我国己成为注射 成型机制造的大国，但集中于中、低端产品，还不是注射成型机生产的强国。 北京化工大学硕士学位论文 3 、实现在成型过程中所需能量的转换与传递的功能； 4 、对工作程序及工艺条件设定与控制的功能。 为此，一台典型的往复式螺杆注射成型机主要由四个部分组成：注射部件、 合模部件、液压部件和控制部件，各部分作用分别简述如下： 注射部件：完成物料的输送、熔融并将熔融的物料储存于螺杆头部，把熔融 的物料注入模腔并提供保压压力以防止模腔内的物料倒流，直至物料在模腔内冷 却成型，确保制品密实和尺寸稳定性。因此，注射部件应具有塑化良好、计量精 确的性能，并且能够在注射时对熔料提供足够的压力和速度。注射部件般由塑 化部件( 机筒、螺杆、喷嘴等) 、料斗、计量装置、螺杆传动装置、注射和移动 油缸等组成。 合模部件( 锁模装置) ：固定模具，提供合模力并完成模具的开合和制品的 顶出。因为在注射时，进入模腔中的熔料还具有一定的压力，这就要求合模装置 给予模具以足够的合模力，以防止在熔料的压力作用下模具被打开，从而导致制 品溢边或制品的精度下降。合模部件主要由模板、拉杆、合模机构、制品顶出装 置和安全门等组成。 液压和控制部件：液压和控制部件可以保证注射成型机按工艺过程预定的要 求( 压力、速度、温度、时间) 和程序动作，为了准确无误地工作而设置了动力 和控制系统。液压部分主要由有动力油泵、油马达、方向阀、流量阀以及压力控 制阀等部分组成。控制部分主要有动作程序和加热等控制部件所组成。 1 2 注射成型止逆环“2 1 4 1 为了满足注塑的要求，使用粘度较低的塑料注射时需要防止由于熔料的回泄 造成注射效率低、压力损失大和保压困难的问题；而对于粘度较高的热敏性塑料 主要解决由于注射排料不净而造成滞料分解的问题，所以一般在螺杆头处设置止 逆环，保证制品所需的熔料量。随着人们对注射制品质量要求的提高，对包括螺 杆、止逆环、螺杆头等注射成型塑化系统的研 究越来越引起人们的重视。 1 2 1 止逆环的类型及特征 一般来说止逆环可以分成如下几类： l 止逆环 图卜2 环形止逆环结梅简圈 f i g 1 2d i a g r a mo fr i “gn o n 咖mv a l v e 第一章文献综述及本课题的研究工作 1 环形 主要特征：止逆环与螺杆有相对转动。 主要用途：中、低粘度的塑料。 环形止逆环的结构如图l 一2 所示。 2 ，爪形 主要特征：止逆环与螺杆无相对转动，可避免 螺杆与环之间的熔料剪切过热。 主要用途：中、低粘度的塑料。 爪形止逆环的结构如图卜3 所示。 3 滚动球形 l 爪形止逆环 图l 一3 爪形止逆环结柯简图 f i g 1 - 3d i a g m mo f c l a w n o n r e “l mv 8 l v e 1 滚动球2 止逆环 图卜4 滚动球形止遵环结梅简图 f i 吕1 - 4 d i a g r a m o f l l i n g b a l i n o n 啪t i l l _ 1 1 砌v e 主要特征：环与螺杆间为滚动摩擦。使用滚动球， 可起到升压快、注射量精确，延长使用寿命等作 用。 主要用途：中、低粘度的塑料。 l 止逆球 图卜5 球形止逆环结构简图 滚动球形的结构如图卜4 所示。 f i g 1 5 d i a g r a l o f b a l ln o n r e t i l mv a l v e 4 止逆球形 主要特征：止逆由钢球实现，止逆件无附加剪 切效果，启闭迅速。 主要用途：中、低粘度的塑料。 图，一e i 鬻毫孟i ：蜜0 简图 止逆球的结构如图l 一5 所示。 f i g 1 6 d i a 鲫mo f p i n n o n _ 咖v a l v e 5 销钉形 主要特征：螺杆头部带有混炼销。 主要用途：中、低粘度的塑料。销钉型的结构如图卜6 所示。 1 2 2 止逆环的工作原理及主要功能 止逆环的工作原理与液压单向阀相似，螺杆转动塑化时，由螺槽输送到螺杆 头部的熔料具有一定的压力，把止逆环3 往前推移，形成图1 7 中下半部分的工 作状态，螺槽输送来的熔料可以通过止逆环内孔的通道，流经头部的沟槽进入螺 杆头的前端。在注射时，螺杆往前移动对前端的熔料施加压力，同时止逆环也受 到前端熔料的压力作用往后移动形成图卜7 中所示的上半部分的工作状态，即止 北京化_ l 人学硕+ 学位论文 1 蛾杆2 机筒3 止逆环 图卜t 止逆环工作原理简图 逆环右端锥面与螺杆体的锥台 l l ! 乌于 贴合，形成了熔料的回泄密封， t 刖健使螺杆头前端的熔料不能回 流。止逆环有两个主要的功能： 一是在注射循环的开始时刻当 f i g1 7d i a g f a mo f w o d d n gp 曲c j p l eo f n o n - f d u r n v 咖e 热塑性熔体注射进入模腔时， 止逆环要关闭。另外一个功能是在螺杆后退，聚合物塑化时，止逆环应该开启以 给聚合物提供流道。止逆环快速、可靠的关闭能力直接影响最终制品的质量。而 在螺杆后退阶段，止逆环要能有效地工作就要求它不影响熔体的流动和通过止逆 环后产生很小的压力降，使循环时间尽可能短。此外，止逆环快速关闭将使物料 倒流回螺槽的量最小。 1 2 3 止逆环的设计 一个良好的止逆环应该是启闭灵活，注射时熔料回泄量及在止逆环动作区域 内发热量保持在最低程度。因此，设计时需要注意以下各点： 1 、止逆环与料筒的配合要合适。过松容易造成大的回泄，随之而产生高剪 切流动和热解现象。反之，过紧又会影响到止逆动作的效果。其环隙一般取 0 0 5 0 1 5 m m 为宜，止逆环的宽度大约为止逆环直径的o 6 0 8 倍； 2 、螺杆头处的流通截面要适当。熔料的流通面积小( 或止逆环的位移量小) ， 限流作用大。这会降低螺杆的塑化能力，同时熔料在环滑区也易发热，形成热量 积聚，使工艺不稳定。但是也不能过大，过大了会使止逆环动作过迟，降低止逆 效果，从而影响到注出量的精度。止逆环的位移量大约取螺杆均化段的螺槽深度， 螺槽的横截面与止逆环密封端处的流通截面之比约为0 2 o 3 ； 3 、止逆环是易于磨损的零件。因它容易更换，故硬度选择要低于料筒。使 用中已严重磨损的止逆螺杆头，应及时更换。否则使用这种止逆失效的螺杆头， 将会导致熔料严重回泄，从而引起制品欠压，充料不足、尺寸不稳定、内应力和 缩孔等弊病。 1 3 前人在本课题研究领域的成果筒述 从1 9 世纪6 0 年代以来，人们越来越注意提高注射成型制品的质量。他们把 第一章文献综述及本课题的研究工作 重点放在了两个方面。一是在注射成型机中采用精密的控制系统。今天的控制系 统几乎可以让注射成型机实现无人操作。二是提高和发展数值模拟，对注射熔料 进入模腔的过程进行三维计算机模拟。然而关于聚合物熔体在注射螺杆和止逆环 之间的流动过程以及止逆环的设计对制品质量的影响等的研究涉及较少。但从上 世纪9 0 年代开始，这个问题逐渐引起了人们的重视。下面对前人在本课题相关 领域内的研究成果做一简述： 在国内，目前人们对于注射成型的研究主要集中在模腔内的充模过 程、保压过程和冷却过程的流动和热分析，利用数值分析方法研究塑料熔体 在模腔内的充模、保压和冷却过程，从而指导模具的设计和成型加工工艺条 件的设定。目前模具c a d c a e 技术的开发、研究方兴未艾。华中理工大学是 国内最早( 1 9 8 5 年) 自行开发研究注塑模具c a d c a e 系统的单位，1 9 8 8 年 实现了注塑模具c a o c a e 一体化的h s c _ 1 0 系统，1 9 9 0 年版本升级为 h s c 1 1 ，目前最新版本为h s c 一3 o 。该系统是基于微机和a u t 0 c a d l 0 o ， f o r t r a n 语言编程，全菜单驱动，可有效地完成注塑模具三维图形输入及处 理、注塑流动和冷却模拟、模具强度和刚度校核、模具结构设计和绘图等功 能。从h s c 一1 1 版本起，该系统建立了一个注塑模缺陷诊断专家系统k b d d e s ， 该软件智能化系统的实现使国产化软件整体性能大为提高。郑州工业大学模 具研究所从1 9 8 7 年开始研制橡塑模具成型过程模拟及模县优化设计软件 z m o l d ，该系统是目前国内处于领先水平的实用化、商品化的橡塑模c a e 系 统。此软件的国产化程度高，除图形系统是基于a u f r o c a d l 2 o 外，其余软件 部分基本实现了国产化，可较准确地预测温度场、应力场、熔接线及气泡位 置等。上海交通大学从1 9 8 3 年起开始对注塑模具的计算机应用进行了多层 次的研究，并在国内首次把人工智能技术引入注塑模具的c a d 系统中。1 9 8 7 年开发了实用化的注塑模具c a d 系统，并应用于洗衣机内缸体等大型塑料件 设计上，取得了实用化的应用。1 9 8 9 年开发了一套集成化注塑模具智能c a d 系统。中国科技大学1 9 9 5 年开发了一个在微机运行的注塑模c a d 系统，该 系统是以a u t 0 c a d l o 0 和s a p 有限元计算模块为支撑，使该系统成为广义的 c a d 系统即具有c a d c a e 的功能。它较好地解决了浇注系统设计、冷却系统 设计、型腔型芯的曲面造型设计和零件工作图的设计四个难点。浙江大学从 北京化 ：大学硕士学位论文 1 9 9 4 年起开发了一套精密注塑模c a d c a e 系统，该系统主要针对录像带盒塑 料模具的国产化而解决精密注塑模具设计和制造问题，它是基于工作站 u g 9 0 为图形支撑平台，以m o l d f l o w 实现c a e 过程，其特点是主要以特征造 型来构造产品模型，从而解决了j l 何造型系统不能表达工艺信息等问题。东 南大学于1 9 9 5 年开发了一套微机环境下运行的注塑模具s e i m c a d 系统，该 系统是基于微机和a u t 0 c a d l o o 开发三维线框图形软件，可以实现产品输入、 模腔设计、常规设计、注塑过程模拟分析及前后处理和提高c a m 的界面接口 等功能，较好地解决了线框模型到面模型的转换、成型过程模拟和流道系统 设计等一些关键技术，是c a d c a e 技术的全面实现，并为c a m 的实现准备好 了基础。各科研院所经过十多年的不懈努力，在注塑模c a d c a e 领域取得了 长足的进步，软件的国产化比重在不断增加。但应该看到不足，目前国内自 行开发的注塑模c a d c a e 系统都是基于一定的平台基础上，自行开发的图形 系统和c a e 软件较少 1 5 。因而，上述系统真正成为普及型软件还不成熟， 有待进一步技术研究和通过实践检验。目前对塑化系统的重要部件一止逆环 的理论和实验研究很少。1 9 9 1 年，杨于光等研究了止逆环在h p v c 注射成型 中的应用“。该项研究打破了h p v c 注射成型中不宜采用止逆环的传统观点， 根据h p v c 的成型特点，研制了一种适宜加工h p v c 的止逆环和螺杆及螺杆头 注射系统。随着人们对注射制品要求的提高，注射制品的质量控制越来越引 起人们的重视。止逆环的优化设计已越来越引起人们的关注。 在国外，1 9 6 7 年m o r s e 写了一系列描述环形止逆环和球形止逆环的论文。 在他的第一篇论文中主要讲述了往复式螺杆的历史、环形止逆环的设计理论和机 械问题“”。在他的第二篇论文中m o r s e 提出球形止逆环在某些场合可以代替环形 止逆环并介绍了几种环形止逆环的设计“。在接下来的时间里，只有很少的关于 止逆环作用的研究。而这一类型的研究也只是集中在对于不同的热塑性塑料制品 的质量与采用不同止逆环之间的相互关系。关于这方面的研究m a r t i n 做出了重 要的贡献。1 9 9 3 年他采用几种几何尺寸不同的止逆环来研究熔融温度、螺杆产 量和制品质量变化之间的相互影响，所使用的聚合物包括a b s ，p c a b s ，t p v a b s 和r t p v 。这一研究结果表明：没有一种止逆环可以用在所有的场合、在止逆环 处将产生大量的粘性耗散热、螺杆的设计对止逆环的选择有重要的影响“。1 9 9 3 第一章文献综述及本课题的研究工作 年l a i 和s a n g h v i 发表了一篇关于采用带有内、外活塞的止逆环和可滑动的环形 止逆环时制品质量变化的文章汹1 。1 9 9 4 年w o m e r 和d u r i n a 测定了对于球型止逆 环、可滑移环型止逆环和弹性加载止逆环这三种不同止逆环时，几种不同材料的 熔体流动情况。他们的研究结果表明在所有的止逆环中采用自动关闭型的止逆环 时，制品质量变化最小。”。1 9 9 5 年e n g l e m a n n 和k o o i 的研究表明对于不同的树 脂采用d r a y 型止逆环时可以减少制品质量的变化。“。k a n e o k a 等利用测定熔体 流过止逆环时产生的压力差来测量注射时在止逆环关闭前，止逆环的运动时间和 距离。实验结果表明在止逆环和机筒壁之间产生的回流发生在注射结束后的保压 阶段。实验中，k a n e o k a 等采用的是环形、球形、机械式三种止逆环o 。此后， i s a y e v 在k a n e o k a 等研究的基础上利用压力降评估了对于h d p e 、p c 和n y l o n 一 6 6 三种材料在1 2 种不同的止逆环下的运动状态。这项研究按注射阶段的关闭时 间和塑化阶段经过止逆环时产生的压力降将止逆环进行了分类。研究的结果发现 没有哪个止逆环可用于所有的聚合物注射成型哪! 。2 0 0 0 年，c h r i sz o o k 和a i i s a y e v 采用广义牛顿流体模型并利用f l u e n t 软件模拟注射成型周期的塑化和注 射阶段止逆环的动力学行为；将模拟的结果与采用h d p e 的实验结果进行了比较： 还计算了塑化阶段止逆环的应力及止逆环和螺杆之间的相对速度。他们得到的结 论是数值模拟结果应与塑化阶段通过止逆环和螺杆产生的压力降的实验结果一 致。结果的差异可能与忽略熔体的弹性和非等温流动有关，他们可能影响止逆环 的瞬时恢复瞄1 。r a u w e n d a a l 等分别2 0 0 2 年和2 0 0 3 年研究了不同止逆环的混合 性能。 我们可以看出国外关于注射成型止逆环的研究主要集中在止逆环对注射成 型制品的质量的影响方面。他们大多采用实验的方法来确定哪种止逆环更适合于 某种聚合物材料的加工。从他们的研究可以看出：加工不同的聚合物时应选用不 同的止逆环，没有哪种止逆环可适用于加工各种材料。 1 4 本课题研究的主要内容和意义 1 4 1 本课题研究的目的和意义 止逆环快速、可靠的关闭能力直接影响最终制品的质量。由于目前对注射 螺杆前端的止逆环的研究很少。通过对止逆环的理论和实验研究，充分了解止逆 北京化工大学硕士学位论文 环的工作机理，并进一步揭示熔体在止逆环内的流动特性以及动作过程的压力、 速度、剪切速率和粘度分布；同时为了研究止逆环的设计和密封情况之间的关系， 为最终进行止逆环的优化设计提供理论和实验依据。 1 4 2 本课题研究的主要内容 本课题的主要研究内容包括： ( 一) 注射成型止逆环的数值模拟 l 、 塑化阶段止逆环中聚合物流动情况的数值模拟 ( 1 ) 建立注射成型止逆环流道的三维模型 ( 2 ) 应用f l u e n t 软件前处理g a m b i t 建立有限元模型 ( 3 ) 塑化阶段，止逆环准稳态状态下压力降的模拟 ( 4 ) 止逆环速度场的数值模拟 ( 5 ) 止逆环流道的剪切速率及粘度场的模拟 ( 6 ) 止逆环应力状态的数值模拟 2 、 注射阶段止逆环中聚合物流动情况的数值模拟 ( 1 ) 注射阶段，止逆环准稳态状态下压力降的模拟 ( 2 ) 止逆环速度场的数值模拟 ( 3 ) 止逆环流道的剪切速率及粘度场的模拟 ( 4 ) 止逆环应力状态的数值模拟 ( 二) 不同止逆环结构下数值模拟比较 ( 三) 注射成型止逆环的实验研究 研究三小件螺杆头、止逆环、密封环等的不同结构参数与成型制品质量之间 的关系。 0 第二章数值分析方法简介与模拟软件的选择 第二章数值分析方法简介与模拟软件的选择 2 1c f d 理论的特点及发展 流体动力学是力学学科的重要分支。流体力学是研究液体和气态物质在各种 力作用下的动力学现象与规律，以达到定量测量和计算的目的。连续介质假说是 传统流体力学学科大厦的基础。流体力学是质量守恒、动量守恒、能量守恒等自 然界三大规律在流体运动现象中的集中反映。流体力学的研究对象可以是，大至 天体星云，小至毛细血管中的细微的血液流动，应用范围很广。而且，流体力学 的发展大大推动了航空、环境和化工等学科的发展，并与其他学科相结合产生了 一些新兴的边缘学科，如生物流体力学就是生物学与流体力学结合的产物，推动 了生物工程学的产生与发展。流体力学对整个自然科学的一些根本性的东西产生 过重要影响，如最新研究焦点，混沌理论的产生就源自流体力学的一篇论文。至 今，混沌理论已经成为了自然科学的重要的基础理论，成为本世纪科学研究的热 点之一。流体动力学研究主要包括：理论流体力学、计算流力学和实验流体力学。 计算流体力学简称c f d ，是c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c 的缩略形式，它基于数 值计算和计算机软件技术上。c f d 是采用数值方法直接求解描述流体运动基本规 律的非线性数值方程组，通过数值模拟方法研究流体运动的规律。相对于实验流 体力学和理论流体力学，c f d 有以下几个特点：1 扩大了研究范围，一些原来认为 难以解决的问题，采用c f d 可能得到解决：2 能给出较完整的定量结果。应当指 出，要建立正确的数学方程，特别是对于复杂的流动问题，如燃烧、多相流、湍 流等，还必须与实验研究和理论分析方法相结合。上世纪九十年代后期，c f d 技 术率先在北美取得了重大应用突破，其仿真能力和结果开始为工业界所承认。据 当时统计，1 9 9 4 年c f d 软件开发取得了近2 0 亿美元的产值，并以3 0 的速度逐年递 增，到1 9 9 6 年递增率高达5 0 ，至1 9 9 8 年c f d 技术以成熟和成功的姿态显现在工业 应用的多个领域，每年的递增率达到了8 0 以上。至今，欧美和日本的许多世界 级大公司，如通用汽车、福特公司、丰田公司和西门子公司等都竟相购置了多种 通用c f d 软件和求解器，从中进行全面的比较和验证，选择最符合流体动力学原 理和实际流动结果的c f d 软件应用于其新产品开发和仿真设计，获得了巨大的经 北京化j 大学硕士学位论文 济效益。因此，c f d 软件技术现已构成- - 1 7 新技术学科和新兴软件产业。目前， 基于流体动力学原理的c f d 软件十分丰富，女h f l u e n t ，c f x ，s t a r c d ，a n s y s 和 c f d r c 等，己可以提供从不可压缩到可压缩、层流到湍流、单相到多相和多组份 等很大范围的计算模拟能力。c f d 的发展与计算机技术的发展直接相关。这是因 为采用数值方法可能模拟物理问题的复杂程度，解决问题的广度、深度和所能给 出数值解的精度都与计算机的速度、内存、外围设备直接相关。在文献中c h a p m a n 将c f d 的发展进程分为四个阶段：1 、求解线性无粘流方程，如小扰动位势流方程； 2 、求解非线性无粘流方程，如全位势流方程，e u l e r 方程；3 、求解雷诺平均n s 方程；4 、求解非定常全n s 方程。这就是按求解的数学方程逐步逼近非定常全n s 方程的过程，也是从易到难的过程。随着计算技术的提高，巨型计算机的出现， 计算流体力学求解问题的广度和深度不断发展。 2 2 数值求解方法 数值方法是把计算域内的有限数量位置上的因变量值当作基本的未知量进 行处理，以提供关于这些未知量的代数方程组并求解的算法，即用离散的值替代 包含在微分方程精确解中的联系信息，所以也可称作离散化方法。根据实际物理 问题条件，寻求恰当的离散方式，并构造合理的离散化的近似方程，使所求的离 散解以一定精度逼近原微分方程问题的准确解。在计算流体力学中主要采用的方 法有：有限差分法、有限体积法、有限元法。简略介绍如下。“： 2 2 1 有限差分法( f i n i r ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d 吣 有限差分法是数值方法中最早期的算法，也是最为经典且当前常用的方法。 其基本思想是建立离散方程的t a y l o r 展开式，将求解区域划分为差分网格，在网 格的每个节点上把控制方程的导数用差商代替，从而在每个节点上形成一个代数 方程，每个方程中包含了本节点及其附近节点上的未知值，得到含有有限未知数 的差分方程组，对这些方程组求解来获得所需的数值解。随着t a y l o r 展开式的不 同，差分格式可按逼近精度的阶别分 x 第二章数值分析方法简介与模拟软件的选择 2 2 2 有限体积法( f i l 3 i t ev o l u m 6m e t h o d f v m ) 有限体积法又称控制体积法，其基本思想是：将计算区域划分为一系列不重 复的控制体积，使每个网格点周围有一个控制体积：将待求解的微分方程对每一 个控制体积进行积分，便得到一组离散方程，其中的未知数是网格点上的因变量 的数值。为了求出控制体积的积分，要对界面上的被求函数本身以其一阶导数的 构成进行假定，这种构成即为有限体积法的离散格式。从积分区域的选取方式来 看，有限体积法属于加权剩余法中的子区域法；从未知解的近似方法看来，有限 体积法属于采用局部近似的离散方法。由有限体积法得出的离散方程，因变量的 积分守恒对任意一组控制体积都需要得到满足，对整个计算区域，自然也得到满 足。这是有限体积法很有优势的地方。相比其他离散方法，譬如有限差分法，仅 当差分网格非常细密时，离散方程才满足积分守恒。而有限体积法即使在粗网格 情况下，积分守恒性。也显示出良好的有限体积法可视作有限单元法和有限差分 法的中间物。有限单元法需要假定值在网格点之间的变化规律( 即插值函数) ，并 将其作为近似解。有限差分法只 x 一 j ! 塞些三奎堂堡主堂垡堡苎 通过c o r t e x 形后处理软件，可以得到二维和三维图像，包括速度矢量图、 等值线图( 流线图、等压线图) 、等值面图( 等温面和等马赫数面图) 、流动轨迹图、 并具有积分功能，可以求得力和流量等。对于用户关心的参数和计算中的误差可 以随时进行动态跟踪显示。 2 5 小结 数值分析法是将所求的区域划分成有限多的网格或单元，通过数学上的处 理，建立以网格或单元上各节点的求解函数值为未知量的代数方程组，通过计算 机解出这组庞大的代数方程组，从而得到各节点的函数值。随着大型计算机的出 现，数值计算方法开始高速发展，它的适用范围超过了所有的其他各种解法，并 且可以达到足够的精度。在目前的各种工程计算中，最常用的数值方法有有限元 法、有限体积法、有限差分法和积分方程法等。f l u e n t 是专用的c f d 软件，用来 模拟从不可压流到中等程度可压流乃至高度可压流范围内的复杂流场。f l u e n t 软件能够解决许多物理问题，如定常和非定常流动；层流( 包括各种非牛顿流模 型) ：紊流( 包括最先进的紊流模型) ；不可压缩和可压缩流动：传热、化学反应等 等。针对每一种物理问题的流动特点，有适合它的数值解法，用户可对显式或隐 式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。该软件 只需要填几个参数，读入一两个数据文件就可以实现对参数、初始、边界条件的 改变。不仅保证了结果的可靠性，也大大节省了研究的时间和精力。 第三章流动的基本计算及模型的建立 第三章流动的基本计算及模型的建立 3 1 流动模拟的理论基础 在高聚物加工流变学中，常把研究的对象看作是由一系列质点或微粒毫 无缝隙地堆积在一起的连续介质。这些质点或微粒在流动过程中具有连续性 和均匀性，而描述该体系的各种物理量( 如速度、压力等) 及材料本身也都 具有连续性和均匀性，从而使有限单元的性质与各种宏观性质相近。聚合物 的流动可以用两组方程来描述，一组是反映流体特性的方程，包括状态方程 和本构方程；另一组是反映流体流动应遵循的机械运动守恒定律，包括连续 方程、动量方程和能量方程“。因而，建立高聚物熔体在机头内流动过程 数学模型的首要任务是建立流场的控制方程，通过这些方程才能够进一步讨 论流变状态方程。 3 1 1 连续性方程 连续性方程是流动存在和发生的条件，对任何不包含多组分流体混合和化学 反应的流动问题的解都必须满足这一条件。考察流动场中的一个假想的流动控制 单元，其连续性方程的张量表达形式为： 害+ v ( p 垆o ( 3 一1 ) 连续性方程在直角坐标系下表达式为： ap+f，。ap融vxot+ 警+ 警 = 。 p z ， i 融却如j 其中，p 是熔体的密度，昏k 、圪分别为x 、y 、z 方向上的速度。 3 1 2 运动方程 聚合物流体的运动同样遵循牛顿第二定律，即流体质点系总动量随时间 的变化率等于作用于这些流体质点系上所有外力的和。牛顿第二定律在高聚 1 9 北京化工人学硕+ 学位论文 物加工过程中表现为运动方程。运动方程的张量表达式为： 一y p + v f + f = p a( 3 - 3 ) 其中p 是根据纯力学考虑定义的运动流体压力函数。它不等于静止流体的压 力函数，但当运动静止时，它趋于静止压力函数。所以大多数情况下