（化工过程机械专业论文）气辅共注成型工艺的数值模拟与实验研究.pdf

摘要 气辅共注成型是一种先进聚合物成型工艺，融合了共注成型和气辅成型的优点，是一种 生产高性能、低成本制品的环境友好成型技术，最有希望解决未来重大工程材料问题。然而 迄今为止，国内外有关气辅共注成型研究报道却相当罕见。基于气辅共注成型技术的先进性 与研究匮乏这一突出矛盾，本文对气辅共注成型工艺进行了数值模拟研究和实验研究，主要 取得如卜成果： 1 针对气辅共注成型工艺聚合物熔体充模流动特点，基于流体动力学、聚合物流变学 理论，经合理假设，建立了描述气辅共注成型聚合物熔体充模流动过程的全三维瞬 态等温粘弹性理论模型。 2 基 - m i n i e l e m e n t 法、罚函数法、g a l e r k i n 法、e v s s s u 法等混合有限元稳态离散 技术，建立了求解气辅共注成型熔体充模流动过程全三维粘弹性理论模型的稳态有 限元数值离散模型。并采用时间依赖l a g r a n g e 移动界面技术成功实现了气泡界 面的追踪、重构和更新。基于该研究的数值模拟程序，实现了气辅共注成型中气体 在粘弹性聚合物熔体内穿透的动力学行为的有限元数值模拟，并建立了气泡在粘弹 性聚合物熔体内穿透过程中的速度场、压力场和应力场等变量的分布规律。 3 通过对气体在粘弹性聚合物熔体内穿透的动力学行为全三维的数值模拟，研究了松 弛时间和熔体粘度对聚合物熔体残留在圆管壁面的剩余壁厚的影响规律，研究发 现，在低剪切速率卜，熔体的剩余壁厚分数随松弛时间增人而增火，但在较大剪切 速率f ，松弛时间对剩余壁厚分数的影响趋势刚好相反。这一结论- 与y i j i ew a n g 等 人对气泡在非牛顿流体中穿透实验研究的结论吻合。剩余壁厚分数随着聚合物熔体 粘度增人而增加。 4 通过气辅共注成型的实验研究，研究了熔体温度、气体压力、气体填充量和延迟时 间等j ：艺参数对气辅共注成型的影响规律。在此基础上，基于理论分析，揭示了。f 艺参数对气辅共注成型的影响机理。 关键词：气辅共注成型；数值模拟；试验研究：粘弹性；影响规律 a b s t r a c t g a s _ a s s i s t e dc o _ i n j e c t i o nm o l d i n g ( s h o r t e n e da sg a c i m ) i sa na d v a n c e dp o l y m e rm o l d i n g t e c h n i q u e t h i st e c h n i q u e h a st h e a d v a n t a g e so fb o t hc o - i n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n i q u ea n d g a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n i q u e ，a n di ti st h ee n v i r o n m e n t a lf r i e n d l ym o l d i n gt e c h n i q u e b yw h i c hh i g hp e r f o r m a n c e ，l o wc o s tg o o d sa r ep r o d u c e d s ot h et e c h n i q u ei sr e g a r d e da so n eo f t h em o s ta d v a n c e dp o l y m e rm o l d i n gt e c h n i q u e sb yw h i c ht h ef u t u r e i m p o r t a n tp r o b l e m so f e n g i n e e r i n gm a t e r i a lw i l lb er e s o l v e d u pt ot h ep r e s e n t ，f e wo fr e s e a r c h e so ng a c i mt e c h n i q u e h a v eb e e nr e p o r t e da th o m ea n da b r o a d b a s e do nt h ei n c o n s i s t e n c yb e t w e e nt h ea d v a n c ea n d r e s e a r c hs h o r t a g eo fg a c i m ，t h en u m e r i c a la n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e so ng a c i ma r e i m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c hy i e l dt h ef o l l o w i n gm a i na c h i e v e m e n t s ： t ot h ef l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c so fg a c i ma n do nt h eb a s i so fp o l y m e rr h e o l o g ya n df l u i d d y n a m i c s ，r e a s o n a b l ea s s u m p t i o n sw e r ep u tf o r w a r d ，a n d3 du n s t e a d yi s o t h e r m a lv i s c o e l a s t i c t h e o r e t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e dt od e s c r i b et h eg a c i m p o l y m e rm e l tf i l l i n gp r o c e s s b a s e do nt h eo ft h em i x e df i n i t ee l e m e n ts t a b l ed i s c r e t et e c h n i q u e so fm i n i e l e m e n tm e t h o d ， p e n a l t yf u n c t i o nm e t h o d ，g a l e r k i nm e t h o da n dd e v s s s um e t h o de t c ，s t a b l ef i n i t ee l e m e n t n u m e r i c a lm o d e l si se s t a b l i s h e df o r3 dg a c i mv i s c o e l a s t i cp o l y m e rm e l tf i l l i n gp r o c e s s a n db y m e a n so ft i m e d e p e n d e n tm o v i n gl a g r a n g ei n t e r f a c et e c h n i q u e ，t h et r a c i n g ，r e g e n e r a t i n ga n d u p d a t eo fg a sm o v i n gf r o n ti n t e r f a c ew e r ei m p l e m e n t e ds u c c e s s f u l l y b a s e do nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nc o d eo ft h er e s e a r c h ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fg a sp e n e t r a t i o nd u r i n gv i s c o e l a s t i c p o l y m e rm e l tw e r ei m p l e m e n t e d t h ed i s t r i b u t e dr u l e so fv a r i a b l ef i e l d sf o rv e l o c i t y ，p r e s s u r ea n d s t r e s so fg a sp e n e t r a t i o nd u r i n gv i s c o e l a s t i cp o l y m e rw e r eg i v e n b ym e a n so f3dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fg a sp e n e t r a t i o nd u r i n gv i s c o e l a s t i cp o l y m e rm e l t ， t h ei n f l u e n c i n gr u l e so fr e l a x a t i o nt i m ea n dp o l y m e rm e l tv i s c o s i t yo nc o m i n gl a y e rt h i c k n e s so f t h ep o l y m e rl e f to nt h ew a l lw e r es t u d i e d t h ef r a c t i o n a l c o v e r a g ew a sf o u n dt ob es t r o n g d e p e n d e n to fs h e a rr a t ea n dp o l y m e rm e l tv i s c o s i t y a tl o ws h e a rr a t er e g i o n ，r e l a x a t i o nt i m e i n c r e a s e d ，t h ef r a c t i o n a lc o v e r a g ei n c r e a s e d b u ta th i g hs h e a rr a t e ，i n c r e a s i n go fr e l a x a t i o nt i m e r e s u l t e di nar e v e r s et r e n do ff r a c t i o n a lc o v e r a g e i tw a si na c c o r d a n c ew i t hy i j i ew a n g sw o r ki n w h i c he x p e r i m e n t so ng a sp e n e t r a t i o nd u r i n gn o n n e w t o n i a nf l u i d sw a sc o n d u c t e d m o r e o v e r , p o l y m e rm e l tv i s c o s i t yi n c r e a s e d ，f r a c t i o n a lc o v e r a g ei n c r e a s e d b ym e a n so fe x p e r i m e n t so fg a c i m ，t h ei n f l u e n c i n gr u l e so fp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha s p o l y m e rm e l tt e m p e r a t u r e ，g a sp r e s s u r e ，g a sf i l l i n gv o l u m ea n dd e l a yt i m ee t c o ng a c i mw e r e s t u d i e d t h ei n f l u e n c i n gm e c h a n i s m sw e r ed i s c l o s u r e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i s k e y w o r d s ：g a s - a s s i s t e dc o i n j e c t i o nm o l d i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；v i s c o e l a s t i c ； e x p e r i m e n t a ls t u d y ；i n f l u e n c i n gr u l e 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得一直昌太堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：劫诒办 签字日期：易毛年6 月扣日 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定， 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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：叫净杉 签字同期：五一b 年6 月i1 7 同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 同，司更 签字日期：枷多年i ；月，护日 电话： 邮编： 第一章绪论 现代工业技术的发展迅猛，塑料制品以其密度小、质量轻、绝缘性好、耐磨性强、生产 周期短和低成本等优点，在各行各业中的运用比重越来越大。同时，人们对塑料制品的要求 也越来越高，比如高强度性能、耐腐蚀、耐摩擦等等。塑料制品将向高性能、高参数、多功 能方向发展，而成型工艺将向清洁加工、绿色环保和低能耗方向发展，因此传统的注射成型 技术由于自身工艺特点的局限性在很多场合已很难满足生产要求。这样，人们纷纷寻求先进 新型聚合物成型技术。 聚合物多组分成型技术发展非常迅速。近年来，该技术在汽车、电子、包装、光学、机 械、家具等各行业的应用日趋广泛。其理论和工程应用研究在国外日益受到重视，而国内有 关共注成型技术、气辅共注成型技术和气辅共挤成型技术的理论和试验研究相当罕见，而且 仅有的研究成果仅限于纯粘性熔体流动，基于粘弹性熔体流动的研究尚未见公开报道。气辅 共注成型技术结合了气辅成型和共注成型的优点，具有广阔的市场前景。南昌大学周国发教 授和孙懋等人已经展开研究，但气辅共注成型过程十分复杂，有必要在此基础上进一步探索， 揭示其成型机理，推r 。气辅共注成型技术的应用。 1 1 聚合物多组分成型技术简介 1 1 1 气体辅助注射成型技术 气体辅助注射成型( 气辅成型，g a i m ) 技术是基于传统注塑成型技术和结构发泡成型 技术发展起来的一种新型的注塑成型工艺。该工艺起源于美国，在2 0 世纪7 0 年代，人们就已 经对气辅注射成型的原理有所了解【2 】：将一种惰性气体有选择地注入到型腔的熔融区域， 取代部分物料形成空腔制品。 气辅成型的原理是朋高压气体( 一般为氮气) 充入熔体，并充当保压压力。标准成型过 程如图1 1 所示，它可分为以下几个阶段：( 1 ) 熔体注射：聚合物熔体首先由浇口注入型腔， 如图1 1 ( a ) 所示。一般熔体填至型腔体积的7 0 9 5 。该过程与传统注射成型相同，称为 “欠料过程”。生产中熔体具体的注射量应由经验或模拟填充来决定。 ( 2 ) 气体注射：在 熔体未完全充满型腔之前，停止熔体注射，经过一段延迟时间后，将定值或定量体积的惰性 气体( 通常为氮气具有成本低且不易与熔体发生反应等特点) ，通过附加的气道由特殊 喷嘴注入熔体芯部，见图1 - l ( b ) 。熔体流动前沿在高压气体的驱动下继续向前流动，气体 在型腔内沿着阻力最小的方向流动，推动着熔体向前流动直至充满整个型腔，形成从进气口 到气道末端中空结构。( 3 ) 气体保压及冷却：气体填入熔体后，继续保持高压，充当保压 压力，制占矗在保持压力情况下冷却。在冷却过程中，气体由内向外对熔体施压，迫使塑料熔 体外表面紧贴型腔模壁，并通过气体二次穿透从内部补偿因熔体冷却凝固带来的收缩，减少 变形。见图1 1 ( c ) 。( 4 ) 气体回收及开模：保压一定时间后，把气体排出，回收的气体 可以继续使用。打开模具，把制品由模腔顶出，如图1 1 ( d ) 所示。 除了标准成型法之外，根据具体的工艺过程的不同，生产中还有副腔成型法、熔体回流 法和活动型芯法等1 3 1 。 寨 ， 蘸 多 ， ， ， 多 ， ， 蘖 ， ， ，匿萨 ( a ) 注入塑料熔体( b ) 注入气体( c ) 保压冷却( d ) 开模顶出 图1 一l 气体辅助注射成型过程示意图 由丁在型腔中注入了气体，与传统注射成型技术相比之下，g a i m 技术具有一系列明显 的优势1 4 9 】，具体如下： 1 降低了注塑机的锁模力。保压压力要小于传统注塑的保压压力【l o 】，锁模力可以降低2 5 9 0 。设备吨位要求人幅度降低，投资成本下降。模腔压力降低还可以减少模具损伤并 减小模具鼙厚的要求，从而降低模具费片j 【1 2 1 等。 2 减小制品p j 部残余应力，减轻翘曲和变形i l l l 【1 3 】。在g a i m q b ，由于有气体充入，保压压 力大火减小，而且比传统单相注射成型时的保压压力均匀，可以减小制品内部的残余应力， 减小了制晶的翘曲变形。 3 拓宽制品形状设计范围，提高制品表面质量。由于气体的引入，可以避免制品壁厚不均。 另一方面，在加强或加厚部位设置气道，制品在保持气体压力情况下冷却，气体由内l h 夕l - 对熔体施压，减少变形，使成型的制品表面不会出现凹陷，提高了制品表面质量。 4 缩短了制品的生产周期。气体的穿透速度很快，熔体冷却加快，所以缩短了制品的成型 周期。但有时由丁附加的气道和加强筋等，又有可能增加制品的冷去i j b - j - 间。但总体生产周期 要比传统注射成型周期要短。 5 简化模具浇注系统。g a i m q b ，模具可将浇注系统( 不包括主流道) 设计在制品内部， 从而对复杂人型制品采用从主流道单点直接浇注，省略了流道，还可消除浇口造成的熔接纹， 简化模具的浇注系统。 基于以上各种优点，g a i m 技术主要应用于家电、日用品、汽车和玩具等领域。成型的 制品形状有管状和棒状制品( 如把手、吊环、扶手、导轨和衣架等) 、大型平板类零件( 如 桌面、车门板和仪表盘等) 以及形状复杂、厚度不均等复杂零件( 如汽车车身、保险杆、家 电外壳等) 。 1 1 2 共注射成型技术 共注成型( c o i n j e c t i o nm o l d i n g ) 技术义称为夹心注射成型。它是同时或按次序将多种 不同但是化学成分和流变性能兼容的聚合物熔体注入模腔，先注入的熔体遇到模壁冷却并部 分【司化形成壳层，后注入的熔体推动壳层熔体沿着流道前沿流动，并穿进壳层熔体，形成芯 层。共注成型按熔体注射次序可分为顺序共注成型和同时共注成型两种。共注成型的制品可 以形成壳层熔体完全包裹芯层熔体的结构，这样在外表面上只有一种熔体可见。把制品切开， 横截面呈三层结构：壳层一芯层一壳层，这就是有时候把共注成型称为“夹心注射成型”的 原因”1 7 】o 共注成型j t ：艺最初是在1 9 7 1 年由英国i c i 公司的o x l e g 和g a m e r 【1 8 2 2 1 首先发明，但是该技 术一直没有得至0 重视。直剑共注成型技术问世1 5 年以后，共注成型技术才逐渐被人们所认识。 国外共注成型技术的理论和应用研究实际启步于2 0 世纪八十年代末、九十年代初。 共注成型的设备目前主要分为二大类，一类仅采用单台注塑机，该装置的成型过程是在 壳层熔体注入注嘴时，芯层熔体在注塑机中塑化。这种装置的特点是仅要一台注塑机，其不 足之处是注塑l ：艺仅限丁先注壳层后注芯层的顺序共注成型：i ：艺；另一类装置采用多台注塑 机，分别注塑壳层和芯层聚合物熔体，该装置即适用于顺序共注成型j f 艺又适用于同时共注 成型1 ：艺。共注成型设备的发展较为成熟，著名提供商有f e r r o m a t i c 、m i l a c r o i n 和富 强鑫股份有限公司等。 由丁共注成型的特殊成型过程，共注成型相对于传统注射成型有着不可比拟的优点，具 体如。卜： 1 可同收利用部分废i f i 塑料，减轻环境污染，有利于可持续发展。由于共注成型的制品是 由壳层熔体包裹芯层熔体的结构，可见的只是壳层熔体，因此，实际生产中，在不影响制品 性能的情况卜，就可以利川废i f l 塑料当作芯层熔体充入型腔，而将优质材料作为壳层【2 3 】【2 4 】。 这样既可以合理利川废旧塑料，义可以1 ，省材料，降低成本。 2 共注成型可以成璎多功能性能制品，满足i ：程对制品高性能的要求。由丁共注成型的制 晶是多层的，此因，可以综合利用各层熔体塑料的特性。比如表层熔体为色彩及表面质量好 的表观层，芯层为电磁屏蔽材料或导电树脂的电磁波屏蔽材料，可以成型具有电磁屏蔽功能 的塑料制品 2 5 棚 ：还可以选用特种材料，成型出同时具有隔光、隔氧、隔水蒸汽等多功能 的保鲜食品容器1 2 9 - 3 2 】。 3 共注成型可以成型出低成本高性能表面的制品。工程上往往需要具有如高强度、耐高温、 耐摩擦和耐腐蚀等物理化学性能，或表面装饰美观和软接触的感观性能，材料价格极其昂贵， 采_ l j j 0 注成型技术，可以川高性能材料作为壳层，而用普通材料填充芯层，这样成型出的产 品性能不会减弱，而成本却大大降低，而且还拓宽了普通材料的使用范围。 4 减轻制品重量，降低注射压力，提高表面质量。用发泡材料填充芯层时，一方面可以减 轻制品重量；另一方面，可以减少注射压力，而且由丁芯部发泡材料所产生的内压，在成型 j 宁肇1 _ ，i = 时，可以减轻制品的收缩、内应力，消除或减轻翘曲破裂等，提高制品的表面质量。 共注成型有着传统注射成型技术不可比拟的优点，它可广泛运用于汽车、电子、包装、 家电、轻i ：、机械等行业。 1 1 3 气体辅助共注成型技术 气体辅助共注成型技术( 气辅共注 成型) 是将共注成型【：艺和气辅成型工 艺结合起米的一种新型成型技术。其工 艺是先由共注成裂机在模腔内填充部分 熔体，再由气辅装置注入高压氮气，使 熔体充满整个模腔并保压，最终制成壳 层一芯层一中空的多层空心复合结构制 品。图1 2 采用气辅共注成型技术生产的空心伞柄 气辅共注成型是近年来才发展起来的塑料成型技术。国内外在这方面的研究颇为有限， 仅有台湾i ：研院材料所等机构进行应用研究。2 0 0 1 年，台湾富强鑫公司与【：研院成功研发 气辅共注成五4 装置1 33 1 。图1 - 2 是富强鑫公司采用气辅共注成型技术生产的空心伞柄。 气辅共注成型技术几乎整合了气辅成型和共注成型的所有特性，既具有减轻制品重量， d 减少注射压力，缩短冷却时间，1 ，约能源等气辅成型的优点；义具有提升质量、触感、外观、 色彩，降低成本、增进功能( 电磁遮蔽、防霉菌) ，以及减少翘曲、防止凹陷、减重、零件简 化、缩短成型周期、降低射出机吨数等共注成型的优点。因此气辅共注成型在汽车、电子、 包装、家具等行业具有巨火的发展前景。 1 2 气辅共注成型技术研究进展 1 2 1 气体在牛顿和非牛顿流体中穿透的动力学研究 气体在流体中的穿透现象不仅在气辅成型中存在，而且在炼油、生产厚壁薄膜、血液流 动和溶岩等【3 4 】j 艮多场合都存在。气体在流体中的穿透过程很简单，目前主要研究模型是 h e l e s h a w 模型和毛细管模型，如图1 3 所示。有几个重要的参数来描述其穿透效果。在 h e l e s h a w 模型中，_ l _ j 兄米表示气泡的宽度分数；在毛细管中则定义m ( 剩余壁厚分数) ， 即横截面上存留液体面积和整个横截面的比值，它们用公式表达如下： 旯：磐， ：壁二墅 l = 一， = _ - 型e , 0 2 其中，形t 泡为气泡的宽度，型为h e l e - s h a w 模型的宽度；r 为气泡半径，r b 为毛细管 的半径。 图1 3 气体在粘性流体中的流动，h e l e s h a w 模型和毛细管模型 另外一个重要的参数是毛细管数c a ，它表示为粘性力和表面张力的比值，可用公式表 达： c d ：幽 仃 式中，“为气泡速度，刁为熔体的粘度，仃为两种介质之间的表面张力。由上式可以看出， c a 是熔体粘度的函数，对丁牛顿流体而言，粘度为常数，很容易计算c a ；对于非牛顿流 体而言，粘度与剪切速率有关，通常是选用远离气泡前端模壁附近的熔体的剪切速率来计算 毛细管数。 在气辅共注成型中，对气体在熔体中的穿透现象进行研究是十分必要的。最早是 f a i r b r o t h e r 和s t u b b s l 3 5 1 进行的试验研究。得到在牛顿流体中剩余壁厚分数经验性的公式： 。 m = 1 0 4 c a 从式中可以看出，若c a 趋于无穷大，剩余壁厚会趋向于无限大，在较高的c a 值下，这显 然与事实不相吻合。在他们的实验中最大的c a 值为0 0 1 4 ，也就是说表面张力远比液体的 粘性力人。g o l d s m i t h 利m a s o n 3 6 l 考虑气体穿透中流体的重力，第一次用可视化技术研究了 气泡形状和气泡前端的流场，他们发现气泡前端成半球形；在固定的表面张力下，气泡的变 形与气泡速率和流体的粘度无关：在气泡的前端到末尾，熔层壁厚为一常数。c o x 3 7 】【3 8 1 的研 究1 ：作将剩余肇厚分数m 达到0 6 0 。他描述了边界条件：在模壁处，流体切向和法向速 度为0 m s ，即壁面非滑移边界条件；在流体、气体界面处切向应力可以忽略；在界面 处，法向应力差为界面应力；不考虑界面的扩散问题。 k o l b 和c e r r o 3 9 1 采用三维可视化技术，观测到气泡在方形截面内穿透时气泡半径逐渐变 得圆滑。f o n g 和d ek e e 4 0 1 研究了表面张力对粘弹性流体中气体穿透的影响。通过在毛细管 上施加温度场可以获得表面张力梯度。他们发现气泡形状与表面张力梯度无关。对丁小气泡 来说，表面张力可能对气泡穿透有影响。h u z y a k 和k o e l l i n 9 1 4 1 】也研究了气体在粘弹性流体 中的穿透情况。他们采用了两种b o g e r 流体，提出了新的系数d e b o r a h 数d e ，它用来 描述流体的弹性： d p ：o f , ，臼：掣 z ，7 其中口为材料的特征松弛时间，夕。是模壁处的剪切速率，沙l 为第一法向应力差系数，当d e 值小时( d e 1 时，剩余壁厚随d e 值的增人而增人，且当d e 5 时，剩余壁厚分数达到0 4 8 。他们还发现，对于牛顿流体而 言，剩余壁厚与毛细管的直径无关；对于粘弹性流体而言，剩余壁厚取决于毛细管数雨1 管径： 在相同的毛细管数下，随着d e 的增加，粘弹流体的剩余壁厚要大于牛顿流体的剩余壁厚。 g a u r i 和k e o l l i n g 4 2 1 对粘弹流体中长气泡的穿透实验研究结果表明，在相同的c 白下， 剩余壁厚随着流体弹性的增强而增大，随着管径的增大而减小。他们用g i e s e k u s 本构方程1 4 3 l 计算出了d e 值，得出结论的是，对于不同b o g e r 流体而言，拉伸流变性能是流体剩余壁厚 的一个土要影响冈素。2 0 0 3 年，y i j i ew a n g ，b s 3 4 1 等人采刚h e l e s h a w 装置，把空气充入 他们配置好的牛顿流体、b o g c r 流体和剪切变稀流体三种流体”中，比较气体的穿透情况。 他们把h e l e s h a w 模型引入几何形状因子，采用修正毛细管数c a ；为了便于与理论值比较， 还引入一个参数k 表面张力与粘性力的比值： 。= ( 掣 ( 铲扣面蒜 式中口= f 型2 ，b 为h e l e s h a w 模型的厚度。q 。= ( u 兄) 1 - “2 ，c a 越大，女就越小。 牛顿流体 b o g e r 流体 剪切变稀流体 幽1 4 牛顿流体、b o g e r 流体和剪切变稀流体中的气体指进现象 通过大量数据对比，他们得出结论，在h e l e s h a w 模型中，气泡的尺寸和外形与c a 和k 有 关。在较低的k 值( 较高c a ) 下，会出现气泡的指进现象，但是他们并没有给出k 的临界 值。流体的弹性行为会增人气泡的指进，而剪切流变性能则能稳定气泡的流动。他们得到的 指进现象如图i - 4 所示。b o g e r 流体中指进最复杂，分支也最多，其次是牛顿流体中的指进。 1 2 2 流变性能及工艺参数对熔体流动的影响 在气辅共注成型中，衡量产品的指标主要有制品的界面形貌、层厚分布和机械性能。影 响他们的冈素有很多，如芯层熔体填充量、芯壳层熔体填充速度、。i ：艺参数和模具形状等， 其中，人们就材料的流变性能和过程工艺参数研究得较多。 w h i t e l 4 5 卅1 等人在等温条f l ：- 卜的研究表明，熔体的粘度比对熔体层厚分布十分敏感；当 壳层熔体粘度低丁芯层熔体粘度时，会出现壳层包裹芯层的结构，而且芯层壳层的粘度比 在1 5 2 0 之间时，这种包裹结构的层厚才比较均匀。他们认为，两种熔体流入模腔，法向 应力与压力和压力梯度有关，而压力梯度又与粘度和界面的粘性阻力成正比，而流动过程中 界面两边的法向戍力和剪切应力必须相等，这样高粘度熔体就流入流道中间的低剪切区，低 粘度熔体则流入到模壁处的高剪切区。a k a y l 4 8 1 在非等温条件下研究了顺序共注成型中壳层 芯层结构分布、熔体界面黏着和界面不稳定性的影响规律，得出结论，在较高的注射速度下， 选j i _ j 高粘度的壳层熔体时，界面不稳定性趋势更明显。s o m n u k 和s m i t h t 4 9 1 在研究同时共注 成刑时，发现熔体获得较好层厚分布的最佳粘度比在0 8 2 1 8 3 之间，芯层熔体的填充量可 以达到5 5 6 0 。e i g l 和l a g e c k e r t 5 0 】的试验结果表明：芯层壳层粘度比较低时，熔体流 动过程的流动不稳定会导致芯层熔体分布不平坦，出现指进现象。 d e r d o u r i l 5 1 1 【5 2 1 等人认为，对于芯层熔体前沿突破，除了粘度比影响之外，壳层芯层体 积比存在一个临界值( 在3 5 4 0 之间) ，低丁这个临界值，就会造成芯层熔体突破壳层 熔体。在同样的环境卜，与熔体温度相比，模壁温度对芯层熔体突破的影响更敏感。他们5 7 1 利用可视化技术，发现由于芯壳层两种熔体粘度差引起的指进现象更容易造成芯层熔体突破 和壳层熔体层厚的不均匀。 k u h m a n n 利e h r e n s t e i n t 5 3 】川掺有导电介质质量分数为4 5 的p e s ( 聚醚砜) 作壳层材料， 而用纯p e s 作芯层材料进行共注成型试验，结果表明，p e s 这种组合制成的制品具有很好 的防静电性能：实验结果还表明，熔体的注射速率是影响芯层熔体分布的主要因素。 2 0 0 1 年，w a t a n a b e 等人5 4 1 利用螺旋状模型，研究了芯层熔体的流动过程和前沿突破现 象。他们得出结论，芯层熔体前沿突破不仅与壳层熔体同化层强度有关，还与壳层熔体前沿 的流动速率有关。壳层同化层越厚、壳层熔体温度越高，其粘度变低，就更不容易发生芯层 熔体突破现象。c h e n 等人【5 5 1 【5 6 】还用可视化技术观察到了顺序共注成型过程。 c h e n g t a ol i t 5 7 】【5 8 】等人进行的数值模拟结果与试验结果吻合得很好，结果表明，在材料 的流变性能中，芯壳层熔体粘度比在等温条件下是影响熔体界面形貌的主要因素，用高粘度 熔体作芯层，会发生反流现象，用低粘度熔体作芯层，得到厚度分布较稳定的芯层熔体，但 是如果芯层熔体粘度过低，则容易出现芯层熔体突破现象。与顺序共注成型相比，壳层 熔体的层厚分布更加均匀，而且材料可用的粘度范围更广，这与s o m n u k 和s m i t h l 4 9 】等人的 结论相吻合。 他们还总结了工艺参数对同时共注成型过程的影响规律。增加芯壳层熔体的温度，芯层 熔体的层厚有轻微下降，各种熔体粘度对芯层熔体温度的依赖性主要取决于熔体本身成分和 粘性活化能，熔体温度的改变导致粘度的改变，从而产生不同的熔体界面和压力分布。熔体 的注射速率也极大地影响着芯壳层熔体的层厚分布，增大壳层芯层熔体速率比会大大地增 加芯层熔体的层厚，相应地芯层熔体的穿透深度则减小。另外，在同时共注成型过程中，要 获得最佳的夹心结构，很重要的一个因素是注完部分壳层熔体后开始同时注入芯壳层熔体， 这段延迟时间与材料组合利模型形状有关，延迟时间过短，容易出现芯层熔体突破现象，延 迟时间太长，则导致芯层熔体穿透不够深，大量壳层熔体堆积模腔前端。 1 2 3 气辅共注成型数值模拟研究 在塑料成型研究领域，传统做法是试验修模试验这样一个依靠经验的反复过 程，成本巨大，效率低下，极大地制约着塑料工艺成型技术的研究和发展，自从c a e ( 计 算机辅助工程) 技术发展以来，其在注塑领域的应用带来了一系列优势，使注塑工艺由过去 完全依靠经验逐渐走向了科学化。在气辅成型、共注成型和气辅共注成型领域，c a e 技术 显得更为重要。 聚合物加工成型c a e 技术是根据聚合物加工流变学和传热学的基本理论，建立塑料熔 体在模具型腔中的流动和传热的物理模型，利用数值计算理论构造其求解方法，并通过计算 机图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模拟出实际成型过程【5 9 1 1 6 0 】。 聚合物加1 ：过程数值模拟始于2 0 世纪5 0 年代末，美国人b e r n h a r d tec 总结了相关问 剧6 。7 0 年代后，随着流变学和计算机技术的发展，很多大学和企业的研究者们致力于注 射、挤出和其它的计算模拟的研究，并开发出了相应的数值模拟软件，相继推出了 m o l d f l o w 、c m o l d 。8 0 年代后，北美和欧洲的许多研究小组对聚合物熔体流经管道、 口模和成型设备等方面进行了深入研究，推出了关于聚合物流动的有限元分析软件f i d a p 、 p o l y f l o w 、n e k t o n 和p o l y c a d 等【5 9 】【6 0 】【6 2 1 1 6 3 1 。到了9 0 年代，人们已将研究重点转向 材料的粘弹性、复杂三维模拟以及取向、残余应力和固化现象。目前，各国学者都在研究新 模型、新算法及新的成型模拟系统，并将模拟软件与制品设计、模具设计和制造紧密结合， 开发一体化的集成技术，使c a d 、c a m 、c a p p 、p d m 、e r p 技术与软件渗透，使协调能 力加强，使计算机模拟技术呈现智能化、集成化的趋势m 1 。 具体说来，聚合物成型数值模拟经历了从一维到二维，再到三维的发展过程。一维数值 模拟主要是在2 0 世纪6 0 年代，k a m a l 和k e n i n g 等人1 6 5 1 研究了中心浇口圆盘一维发散充模 流动：l o r d 和w i l l i a m 等人【6 6 1 用一维模型分析了矩形模腔内的充模流动；m u m n 和f e n n e r 6 7 】 分析了圆管内的一维流动：h i e b e r 等人【6 8 】则模拟了在等温条件下非圆管的流动。1 9 7 5 年， d o n o v a n 等人【2 3 1 首先用一维模型模拟了共注成型充模流动。随后，s c h l a t t e r 和v i n c e n t 等人 6 9 1 在圆管内模拟了幂律流体的顺序共注成型一维流动，结果表明界面位置主要取决于两种 熔体的流变性能，还发现采用润滑近似的一维模型在一定的粘度比范围内能够较精确预测熔 体界面、压力场和温度场。l e e 等人【7 0 1 基于幂律模型采用有限差分法对非等温条件下的一维 同时共注进行了模拟和试验研究。 二维流动分析的数值模拟始于7 0 年代，它的难点就是运动界面的追踪。t a d m o r 7 1 1 提出 流动分析网格法f a n ( f l o wa n a l y s i sn e t w o r k ) 法对共注成型的填充进行模拟。h i e b e r 和s h e n 1 7 2 1 1 7 3 】将h e l e s h a w 流动推广到非牛顿流体的非等温流动分析，得到j “义h e l e s h a w 模型 7 4 - 8 3 1 。 e 适) - i - jt t t 等温、1 卜牛顿、非弹性薄壁型腔的充模过程。对于具有类似壳体几何形状 三维多层成型件，可以认为多相分层流动成型的各层熔体均遵循h e l e s h a w 流动模型的控制 方程。 w a n g 和1h i e b e r 等人【8 4 1 将流动分析模型发展到二维半。二维半模型是将型腔简化为一系 列具有一定厚度的中性面，每个中性面本身就是二维的，但其法向可指向三维空间的任意方 向，冈此组合起来的整个中性面可用于近似描述三维薄壁构件。这种模型的实质是将二二维面 在三维空间组合起来，是介于平面、柱面、参数曲面等单纯二维面模型和真正的二维实体模 型之间的一种组合模型，冈此称之为二维半模型。c h i a n g 等人【”1 基于h e l e s h a w 近似模型， 采h j 有限元有限筹分混合算法对注射成型的充填过程和保压过程进行了模拟。s c c h e n 等 人1 8 6 l 基t - h e l e s h a w 流动模型对带半圆形截面加强筋的平板的注射成型中的熔体前沿进行 了模拟。他们还对顺序共注成型中的熔体前沿进行了数值模拟和实验验证【盯1 ，采用基于控 制体积有限元法和双填充冈子技术的粒子跟踪算法来实现对壳层熔体和芯层熔体前沿推进 1 0 的数值预测。舣填充冈子界面跟踪算法实际上是对控制体积引入填充因子如和厶。， o 厶。 l 和o 厶。 1 分别表示壳层熔体和芯层熔体的前沿节点，由此来跟踪前沿界面的 推进。s c c h e n 等人1 8 8 - 9 2 1 采用h e l e s h a w 流动模型还对带半圆气道的薄壁平板、螺旋管型 制仆和角支架制什的气辅成型进行了数值模拟，研究了在气体的填充阶段和保压阶段的一 次、二次穿透现象。 t u r i n g 和w a n 9 1 9 3 1 、t u m g 9 钔、m e r j e rt 9 卯、p e t e r s 等人【9 6 j 基于h e l e s h a w 近似模型模拟了 顺序共注成型的填充过程。j a m et w a n g 9 7 1 利用c - m o l d 软件模拟了共注成型过程。m a n o g g 9 8 1 采j h j 有限元法对1 卜等温条件下的j 义牛顿流体在轴对称杯形模腔内的共注成型过程进行了 模拟。c t l i 等人采用广义h e l e s h a w 模型对圆盘在非等温条件下的同时共注成型中的 界面形貌以及界面包围现象进行了二维模拟，他们把流体视为非牛顿流体，研究了流变性能 和f ：艺参数对材料层厚分布、熔体穿透和突破现象的影响，模拟结果和实验测量吻合得很好。 t u r n g i 及w a n g 1 0 0 1 等人基丁j 。义h e w s h a w 流动模型采川了混合有限元有限差分控制体积 法对气辅成型填充过程进行了模拟。国内张华1 2 1 等人基于h e l e s h a w 模型进行了气辅注射 成型的充填过程模拟，推导出了气辅成型中气体穿透厚度比例的计算公式。 虽然二维的h e l e s h a w 模型被广泛运用于注塑成型的数值模拟，但它最人的缺陷就是不 能预洲怫0 i j ! 的残余肇厚。冈此近年来数值模拟研究热j 、j 主要集中在三维上，但是二维模型技 术难点多、数值算法复杂、计算量大，计算时间长，难以在普通计算机上演算。 k h a y a t 等人1 最早进行气辅成型三维模拟研究。他们采用边界有限元法，对等温、不 可压缩的牛顿流体的三维流动进行分析。h e t u 等人1 0 2 1 采用三维有限元法模拟了注射成型过 样。i l i n c a 和h e t u 1 0 3 1 0 7 1 提出了1 卜笛温条件卜j 义牛顿流体的顺序共注成型、气辅成型的二 维有限元模拟算法。2 0 0 5 年，m q n g u y e n 等人【1 0 8 1 用数值方法模拟研究了三维共注成型制 品的力学性能。 我国在三维数值模拟方面取得了巨人 壳 的进展，南吕人学周国发教授6 4 j 【| 0 9 川2 埔l 孑，j 、 剥“3 川4 1 等人用有限元法对气辅共注成型进 行了深入的数值模拟研究，较详细地研究了 熔体和气体在流动过程中的温度场、速度场 和压力场，具有重人的应用价值。他们针对 气辅共注成型充填流动过程，进行适当简化图i 5 气辅共注成型数值模拟全二维透视图 体 ，创新性地把气体近似认为拟流体。在界面追踪过程中，采用流体体积法( v o f ) 纯有限元 法，较准确地跟踪了气体和熔体前沿界面形貌，数值模拟结果如图1 5 所示。 1 3 气辅共注成型技术存在的问题及其展望 1 3 1 气辅共注成型技术存在的问题 1 材料流变性能和l ：艺参数对气辅共注成型过程的实