高分子材料加工计算机模拟第一章 前言.ppt

高分子材料加工计算机模拟 第一章前言1 1数值分析计及算机模拟的重要性实验和理论一直是人类创造知识 认识未知世界的两种传统方法 随着当代计算机技术的飞速发展 使得各个领域的科学家和工程人员运用科学计算的方法去解决各自学科领域中的问题 今天 科学计算不仅推动了实验科学和理论科学的发展 而且已经成为单独的科学方法 称之为计算科学 与实验科学和理论科学一起给人类文明带来了新的繁荣 计算机模拟 computationalmodeling 作为计算科学的一个分支 自50年代以来已经形成了相当规模 它主要包括 1 微观尺度的原子 分子 模拟2 介观模拟3 宏观模拟 计算机模拟的重要性体现在以下几个方面 1 一般的科学研究目前无论从事科学研究项目 还是作学术论文 主要都包含三个方面 1 建立数学方程2 进行计算机模拟3 实验验证 2 科技尖端及成本很高的领域如 卫星 宇宙飞船 飞机3 自然界不能实验和不能重现的自然现象如 预测潮汐 地震 雾 天气预报 4 一些不能进行破坏性研究的工程项目如 高楼 1 2数值分析和计算机模拟在聚合物成型加工过程中的应用聚合物成型加工模拟属于宏观模拟 它是将聚合物熔体当作连续介质 以质量守恒 动量守恒和能量守恒定律等物理方程为基础 结合聚合物的各种材料行为模型来模拟聚合物成型加工中聚合物熔体发生的物理和化学的变化 优化成型加工过程 调控成型加工产品的结构和性质 帮助实现成型加工的自动化控制 提高劳动生产率 随着新型高分子材料的不断出现 高聚物制品的性能不断得到改善 在市场上不仅反映在需求量愈来愈大 而且种类也日趋多样化 为了适应市场的需要 提高产品的竞争能力 要求缩短新产品的试制周期 因此高聚物加工中的计算机模拟技术 在国际上日益得到重视 并且由于计算机技术的高度发展 使高聚物加工过程中的计算机模拟技术有可能从实验阶段走向实用阶段 在当前 主要的工业发达国家都相继集中了最优秀的学者和相关学科的专家 并借助政府和财团资助进行了一系列开拓性研究 计算机模拟发展历程 1 1974年z tadmor提出网格分析法对高聚物在成型过程中流动状态进行模拟和优化 2 1978年加拿大g e公司已能向世界各地提供名为mark 的moldflowsystem 3 美国cornell大学则花了巨额资金 经过17年研究开发成功caim系统 4 美国application公司和sdrc公司各自开发了noldfill软件5 美国和意大利塑料及计算机公司开发了fa软件 6 德国亚琛工业大学塑料加工研究所开发了mouldcad软件 7 加拿大mcfill和mcmaster大学 九州大学等分别用各种数值计算方法诸如粘弹性流体有限元法 fem 差分法 fdm 边界元法 bem 分支流动法 bfm 等独自开发新的软件 8 英国rappa 橡胶和塑料研究协会 已开发成功橡胶注射成型最佳流动状态和硫化条件的软件 并已向世界各地出售软件使用权 然而它的数学模型 求解方法及程序是严加保密的 目前世界上使用计算机对高聚物加工过程进行模拟和优化计算的厂家公司有1500家 在日本有500家 其中大部分用于塑料注射模的设计 国内从八十年代起开始引进模拟高聚物流动过程的仿真软件 仅购买注射模设计软件一项已达数十个厂家 每个软件约需5 7万美元 八十年代中期开始 我国部分院校和研究单位相继开展了这方面的研究工作 并取得了一些初步的成果 1 3聚合物加工过程数值分析及计算机模拟一般方法聚合物成型通常可能包含有传热 传质和化学反应等物理和化学的过程 在模拟这种复杂过程时 首先应对所要研究的问题进行分解 简化 建立对这些过程的数学描述 即数学建模 建立的数学模型要尽可能如实地反映实际情况 采用计算机求解数学模型得到的模拟结果还要通过各种可能的方式进行验证 其一般方法可概述如下 1 明确对象 定义问题 构造成型加工过程中的物理模型 建立的物理模型既要使问题简化到可以进行数学模拟和便于求解 又要尽可能完整地描述实际过程 尽可能真实地反映成型加工过程的实质和特征 2 基于物理模型 选用守恒定律 本构方程和各种物性定律 建立问题的数学模型 建立的数学模型应尽量简洁明确 既要包含主要影响因素 又要避免数学运算过于繁杂 初始和边界条件要根据具体情况慎重选择 因为它们在很大程度上决定了最终的计算结果 3 用解析或数值方法求解建立的数学模型 编写图形应用程序或采用绘图软件输出模拟结果 通常选择何种数值方法需根据问题的复杂程度决定 如求解域形状规则的线性问题 选用有限差分法简便快捷 求解形状复杂的模型方程选用边界元法可以减少网格剖分的工作量 求解非线性问题采用有限元法可以在短时间快速收敛 得到数值解 4 验证结果聚合物成型加工过程是复杂的 影响模拟结果的因素很多 如建模时依据的假定 初试值条件描述 计算程序是否正确等 模拟结果的验证大体上可分为两种 模拟得到的成型结果参数的实验证实 模拟得到的优化的成型加工结果的实验证实 后一种方法是将模拟得到的优化的成型加工结果与未优化的结果或其它途径得到的试验结果相比较 以判断模拟结果的正确与否 1 4模拟的步骤通过计算机对高聚物主要成型加工过程 诸如压延 密炼 挤出 注射 硫化 的模拟 可以预测高聚物在这些加工过程中速度场 压力场 温度场和流线的分布状况 从而为科学地制定工艺条件和合理选择成型加工设备的参数提供必要的理论依据 高聚物成型加工过程中的计算机模拟主要通过以下步骤进行 一 建立方程二 确定初