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北京化工大学硕士学位论文 开槽注射螺杆计量段螺纹元件的混合机理研究 摘要 本文对注塑螺杆计量段常规螺纹元件与开槽螺纹元件的流动进 行了全三维非牛顿等温模拟 通过模拟计算 研究开槽螺纹元件的混 合能力及产量 并通过实验检验了所设计螺纹元件的实用效果 考虑了两种不同的开槽方式及不同的开槽尺寸 分别建立了几何 模型 物理模型 数学模型及有限元模型 针对不同模型 采用了瞬 态分析和稳态分析两种分析方法 通过专业c f d 计算流体动力学 软件p o l y f l o w 进行了模拟计算 得出各个不同模型的速度场 剪 切速率场 压力场 粘度场 采用稳态方法对注塑螺杆计量段常规螺纹元件流场进行了分析 得出了注塑螺杆计量段常规螺纹元件流场的一般性规律 针对注塑螺 杆工作的特点 采用瞬态方法以时间为参数 对各种注塑螺杆计量段 开槽螺纹元件流场进行了模拟分析 通过对速度场计算结果的分析并 处理 得出了开槽螺纹元件流量变化曲线 表征了螺纹元件的分布混 合能力 通过对粘度场和剪切速率场计算结果的分析和处理 得出了 剪切应力的变化曲线 表征了螺纹元件的分散混合能力 以分布混合 能力与分 x 北京化工大学硕士学位论文 证了所设计螺纹元件的实际使用效果 关键词 注塑螺杆 计量段 开槽 混合 产量 计算流体动力学 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文 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担 作者签名 叠鱼整 日期 2 翌 么 夕 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京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间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 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全 部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存 汇编 学位论文 保密论文注释 本学位论文属于保密范围 在土年解密后适用 本授权书 非保密论文注释 本学位论文不属于保密范围 适用本授 权书 作者签名 导师签名 日期 日期 北京化工大学硕士学位论文 脚雠 l 一固体输送 l 一一 3 一熔膜形成 5 一熔化进行过程6 一完全熔化 图l l 嫘杆旋转并后退过程中的塑化过程 在螺杆静止时 虽然没有发生输送 熔体也无剪切而产生的熔化 但熔体仍然 受到外加热 在机简与聚合物之间引起了额外的熔融 增加了熔膜厚度 使注塑螺杆 的熔融机理变得复杂化 1 1 2 注塑充模过程 螺杆从机筒内的计量位置开始 在注射油缸施加的高速高压推动作用下 将塑化 好的聚合物熔体经机筒前端的喷嘴和模具的浇注系统注入模腔的过程即为注射充模 过程 注射充模过程是聚合物从熔融状态转变为固态的过程 可以具体分为以下四个 阶段 流动充模 充满压实 保压补缩 倒流 冷却 流动充模是指注塑机由注塑螺杆将塑化好的熔体注射入模腔的过程 充满压实过 程是指熔体充满模腔并继续压实增密的过程 保压补缩是指从熔体充满模腔并压实后 北京化工大学硕士学位论文 至螺杆在机筒内开始旋转后退为止 倒流冷却是指螺杆在机筒中向后倒退时 保压压 力撤销后模腔内熔体朝着浇口和流道进行反向流动并逐渐冷却定型的过程 1 1 3 注塑成型制品的质量评价 1 注塑成型制品的质量评价 随着塑料工业的蓬勃发展 注塑制品被越来越广泛的应用到各个领域 注塑制品 的质量包括两方面的内容 即内部质量 性质质量 和外部质量 表观质量 内部 质量是指 与聚合物结构形态有关的结晶 取向 变形 翘曲及内应力分布 与力学 性质有关的拉伸 弯曲 冲击和熔合缝强度 与变形 收缩有关的尺寸精度等等 外部质量是指 制品表观质量又称表面质量 是首先和使用者见面的影响价值的 最直接因素 特别对塑料制品而言 它的外观质量和内部质量有十分密切的内在联系 注塑制品的表观质量是内部质量的必然反映 2 影响注塑成型制品质量的因素 注塑成型制品的质量主要取决于三个方面 模具的设计与加工技术 材料的性能和结构 成型工艺过程 在模具 材料性能一定的条件下 为保证制品具有较好的外部质量与内部质量 在塑化过程中 物料的组分 温度 密度的均一性对注塑成型的质量有着重要影响 这就要使物料在塑化过程中经过较为充分的混合过程 由此 混合是注塑成型制品质 量的重要影响因素之一 1 1 4 注塑成型设备 1 1 4 1 注塑成型设备的基本组成 注塑成型设备主要包括 前期设备 注塑机 成型模具 辅助设备 机械手 模温控制器 抽芯装置等 北京化工大学硕士学位论文 塑料机械工业和生产塑料注塑机的专业机械厂 1 9 5 8 年生产出我国第一台液压驱动 的全自动柱塞式注塑成型机 我国自行设计制造的注塑量为3 2 0 0 0 立方厘米 合模 力为3 5 0 0 吨的大型注塑成型机于1 9 7 7 年获得成功1 w 1 9 7 0 年以后 随着科学技术的进步 塑料制品从民用向工业 农业 国防 交 通等行业发展 因此 对制品质量的要求越来越高 对注塑设备及技术提出了更高的 要求 注塑设备及技术开始向高速化 高效化 自动化 专门化方面发展 8 i l3 1 在高速化方面 以尽量缩短成型周期为目标 主要体现为以下几个方面 提高启 闭模速度 提高注射速度 提高冷却效率 提高塑化能力 适合于高速化注塑机结构 的设计与优化是采用合理的液压系统 优化合模装置的设计等 在高效化方面 主要体现为高成品率而低能耗 成型过程热量的合理使用 做到 热损失小 效率高 主要体现为实现低温塑化 动力源和冷却源的合理使用 如液压 系统使用蓄能器等 使用先进的控制技术 提高控制精度 减少废品率 在自动化方面 主要体现为以下几个方面 加速应用计算机技术和高精度元件 替代传统的继电器控制 以提高注塑机的控 多色注塑机 发泡注塑机 气 体辅助注塑机 反应注塑机等 随着塑料工业的蓬勃发展 出现了多种性能优异的新型塑料 以塑代钢 以塑代木将是工程塑件更大的发展方向 从飞机制造业和汽车工业 兴起的模块化设计将广泛地应用于注塑机行业 为实现多品种 中小批量混流生 产 适应市场变化 缩短产品开发周期 提高产品质量 在注塑机制造行业引入柔性 韭塞些三盔堂堡主兰垡丝奎 1 1 5 注塑成型螺杆 螺杆 机筒及传动装置组成塑化系统 螺杆在机筒中由传动装置驱动而转动 将 物料从螺杆的加料段输送到计量段 从而达到塑化的目的 物料在被转动螺杆的连续推进过程中 实现物理状态的变化 由固态转变为熔融 状态 在计量室被定量计量 最后被螺杆注入模腔 因此 螺杆是完成均匀塑化 定 量注塑的核心部件 1 1 5 1 螺杆概述 1 螺杆的基本分类 1 叼 最早出现的螺杆是不分段的 随着生产的发展 从实践和理论都证明了将螺秆分 成加料段 压缩段和计量段是比较合理的 因此 目前使用的普通螺杆又称为三段式 螺杆 如图1 2 所示 它们分成渐变型螺杆 压缩段较长 根径渐变 突变型螺杆 压缩段较短 根径突变 以及介于二者之间的通用型螺杆三大类 a 渐变型螺杆b 突变型螺杆 图l 2 渐变型螺杆与突变型螺杆 渐变型螺杆 特征是塑化时能量转换较缓和 主要用于加工聚氯乙稀类 具有较 宽的软化温度范围 高粘度非结晶型塑料 突变型螺杆 特征是塑化时能量转化较剧烈 主要用来加工聚酰胺 聚烯烃类的 结晶型塑料 通用型螺杆 注塑成型机的使用过程中 由于经常需要更换塑料品种 所以拆换 螺杆也就比较频繁 停机调整螺杆不仅劳动强度大 同时又会影响机器的生产 因此 在一般情况下不更换螺杆 而通过调整工艺条件的办法 来满足不同塑料制品的加工 要求 所以 设计一种适应性比较强的通用型螺杆既必要而且也是可能的 通用型螺 杆的结构特点是 压缩段的长度介于渐变和突变之间 约3 5 个螺距 这样分段 既考虑到一些非结晶型塑料 经受不了突变型螺杆在压缩段的高剪切塑化作用 同时 又注意到一些结晶型塑料未经足够的预热是不能软化熔融和难以压缩的特点 但是 6 北京化工大学硕士学位论文 通用型螺杆并不是万能的 它相对专用螺杆也有其缺点 应该在不同的条件下合理的 使用不同类型的螺杆 才能达到满意的效果 2 螺杆的几何参数 1 5 1 6 螺杆的几何参数可以分为三大类 1 一般情况下 在螺杆全长上保持不变的参数 螺杆直径d 导程t 螺距s 法向棱宽e 机筒内径d b 和间隙6 在特殊情况下 t 和s 可能在螺杆全长上 发生变化 例如变距螺杆 但并不常见 2 在螺杆轴向长度上发生变化的参数 螺纹深度h 3 1 在径向方向上变化的参数 螺棱之间的法向距离w 螺棱轴向宽度b 和螺 旋升角西 1 1 5 2 注塑螺杆的特点 1 注塑螺杆的工作特点 1 7 1 螺杆具有塑化和注塑两种功能 2 螺杆在塑化时 与制品不发生直接联系 仅起预塑作用 3 塑料在塑化过程中 所经历的热历程要比挤出成型长 4 螺杆在塑化和注塑时 均要发生轴向位移 同时螺杆又处于时停时转的间歇 式工作状态 因此形成了螺杆塑化过程中的非稳定性 2 注塑螺杆与挤出螺杆相比的不同之处 1 7 l 1 注塑螺杆的长径比和压缩比较小 2 注塑螺杆计量段的螺槽较深 3 注塑螺杆的加料段较长 而计量段较短 4 注塑螺杆的头部结构具有特殊形式 此外 注塑螺杆在工作时 其有效工作长度 塑化能力和熔料温度将随螺杆的轴 向位移而改变 1 1 5 3 注塑螺杆的塑化能力和混合能力 如1 1 5 2 中所述 从塑化角度看 注塑螺杆在塑化过程中 除了转动之外还发生 轴向位移 减少了螺杆的有效工作长度 增加了注塑螺杆塑化的不稳定性与轴向温差 北京化工大学硕士学位论文 计量段较短 导致注塑螺杆塑化能力不强 塑化不均匀 从混合角度看 由于注塑螺杆长径比较小 所以在螺杆转动过程中 物料在螺槽 内的运动时间较短 导致注塑螺杆分布混合能力较差 而计量段较短 计量段螺槽较 深 塑化时螺杆头部压力很低 导致注塑螺杆剪切作用相对较弱 不利于分散混合 而且螺杆具有后退速度 使注塑螺杆流场的回流和反流减小 也影响了其混合效果 所以 注塑螺杆总体上塑化能力与混合能力较挤出螺杆弱 为了满足各种注塑成 型制品对塑化组分均匀性的质量要求 需要对其参数和构形进行研究 设计新的螺杆 构形 以提高塑化和混合能力 1 1 6 新型注塑螺杆的研究进展 随着螺杆式注塑机的发展 螺杆本身也经历了许多的变革和发展 出现了各种专 用螺杆及新型混炼元件 1 8 由于注塑机的螺杆是间歇和往复运动的 所以物料在螺 槽的流动中会产生横流和反流 这就使物料处于不稳定的流动状态 再加上注塑机的 螺杆长径比相对较小 所以使塑化和混合难以达到较好的效果 为解决这一问题 螺 杆的设计发生了许多变化 7 0 年代 a n k e r w e r k 公司生产的a 1 7 6 5 型注塑机在其螺杆的头部设计了多排 的混炼元件 使物料在计量段被分流置换 提高了螺杆的混合效果 由于该混炼元件 亦助于提高剪切 所以此种螺杆的塑化能力也有所提高 可以实现树脂的低温熔融 并对粉料和粒料都适用 但是这种螺枰是使用一种元件来同时提高混合和塑化能力 所以提高并不突出 而在b e l o i t 公司所开发的均 熔融螺杆中 则是将混合元件和塑化部件分开 研制出阶式混炼螺杆 即在螺杆不同的位置安装不同的元件 分另 j 实现不同的功能 使各部分的功能更加独立化 当然 也有许多注重于单一功能的螺杆产生 美国f a r r e l 公司与日本神户制钢 所生产的高效能熔融注塑螺杆则主要偏重于塑化能力的提高 此种螺杆采用沿料流方 向排列的由大到小 由疏到密的销钉来提高剪切能力 进而提高塑化能力 在上游部 分的销钉较大 容易将未熔的固体打碎 并由于销钉排列比较稀疏 使物料进入下 具有更密集销钉的区域 在销钉相对密集的下游部分对物料进行进一步的剪切 混合 从而达到较好的塑化效果 北京化工大学硕士学位论文 而英国的p e c o 公司所生产的p e c o 螺杆和日本塑料研究所研制的d i s 螺杆则注 重于螺杆的混合能力 他们的设计目标在于使物料在计量段被充分的分流置换 实现 了非常好的分布混合髓力 并且 这两种螺杆的剪切很小 可适用于热敏性塑料 在现今的螺杆设计中 对螺杆的要求归纳起来可分为如下几点 好的混炼分散效果 轴向温差小 并且比较稳定 为了保持产量 可以适应较高转速 可实现低温塑化 减少热分解 缩短成型周期以及降低能耗 保证计量的精度 1 2 课题研究的内容 1 2 1 注塑螺杆在注塑成型中的地位 1 注塑螺杆研究的必要性 螺杆是注塑机的主要工作部件 在整个注塑成型过程中 螺杆对最终制品质量有 着巨大的影响 随着对注塑成型制品质量的要求日益提高 为了得到更高质量的制品 有必要对注塑螺杆进行专门的研究 2 注塑螺杆研究的重要性 在注塑成型中 注塑螺杆的工作过程较为复杂 即有旋转运动 又有往复运动 在以往的生产实践中 注塑螺杆大多是以挤出螺杆作为基础 采用相似设计的方法进 行设计 忽略了注塑螺杆本身特有的工作状态 随着注塑成型技术的发展 对注塑螺 杆设计提出了更高的要求 突显出注塑螺杆的专门研究尤为重要 3 注塑螺杆研究对注塑成型技术发展的影响 随着成型周期的缩短和制品质量与精度要求的提高 使得螺杆设计越来越重要 要缩短成型周期 则需要提高螺杆的塑化能力 在保证塑化质量的条件下 减少塑化 所需的时间 而塑化质量又与制品质量有着密切的关系 主要体现在温度均一 组分 均一及密度均一等方面 改善注塑螺杆的塑化质量 是提高最终制品质量的重要途径 之一 在注塑成型技术飞速发展的今天 注塑螺杆的发展是其中的重要环节 因此 注塑螺杆的专门研究对注塑成型技术的整体发展 具有很大的推动作用 9 北京化工大学硕士学位论文 图1 3 研究过程的流程图 1 2 5 新型注塑螺杆计量段螺纹构形的实验研究 1 产量实验 考察开槽后的新型螺纹元件相对于常规螺纹元件产量的变化 判断是否满足实际 生产的需要 来表征塑化能力的变化 2 混合效果实验 在实验所选用的物料中加入碳黑 对塑化后的产物进行冷却 切片 用显微镜观 察并拍摄照片 直观地考察薪型螺纹元件相对于常规螺纹元件混合效果的改善 1 3 课题研究的意义 综上所述 注塑螺杆作为注塑机中塑化过程的核心部件 无论是从产量还是从混 合及塑化的效果 都对整个注塑机的性能起着至关重要的作用 我们的研究的目的就 是在保证较高产量的同时提高螺杆的混合能力 以获得高质量的制品 北京化工大学硕士学位论文 2 1 混合理论 第二章注塑螺杆研究的理论基础及方法 2 1 1 混合的必要性 在高分子材料加工成制品的过程中 般不是单一的聚合物 或多或少都加有各 种填料和助剂或其他种类的聚合物 这样做的目的是为了改善聚合物的加工性 改进 制品的使用性能或为了降低成本 聚合物和加入的添加物或其它聚合物形成一种均一 的复合物的过程就是混合 所以 在高分子材料加工过程中 混合是不可缺少的一个 环节 不同组分的混合 分子量分布不均的聚合物的均化 温度的均化都是一种混合 过程 在注塑成型加工中 由于所生产的产品即为最终制品 所以 所加工物料各组分 的均匀性及温度的均匀性都是影响最终制品质量的重要因素 2 1 2 混合的基本概念 混合是一种操作 是一个过程 是一种趋向于减少混合物非均匀性的操作过程 按混合的形式主要可分为分散混合及非分散混合 非分散混合是通过重复排列少组分 在原理上可把非均匀性减少到分子水平 在 非分散混合中 各粒子只有相互位置的变化 而无粒度的变化 其最主要的形式是分 布性混合 这种混合的运动基本形式是通过对流来实现的 可以通过包括塞形流动和 不需要物料连续变形的简单体积排列和置换来达到 分散混合中粒子有粒度的减小 也有位置的变化 分散混合把少组分的固体颗粒 和液相滴分散开来 成为最终粒子或允许的更小颗粒或液滴 并均匀地分布到多组分 中 这种现象涉及到少组分在变形粘性流体中的破裂问题 经典理论认为物料的破碎 分散主要是靠物料通过窄间隙而形成的高剪切区来完 成的a 当剪切对其形成的粘性拖曳在结块内产生的应力超过某个临界值时 结块就破 裂 1 4 北京化工大学硕士学位论文 这种理论认为 分散混合主要是通过剪切应力起作用 因此为了获得大的剪应力 混合机的设计应当引入高剪切i 爰 e p 设置窄的间隙 并保证所有固体颗粒重复地通过 高剪切区 最终达到的分散度取决于混合机内最大有效剪切速率和通过次数 剪切速 率越高 越有利于分散 通过次数越多 分散越好 但这只是问题的一半 因为局部 高剪切区的存在并不能保证良好的分散混合 实现良好分散混合的其他条件是经过高 剪切区的高流率 即必须使所有流体元素都多次通过高剪切区 才能最终保证良好的 分散混合 剪切应力的大小与粒子或结块的尺寸有关 分散能力随粒子或结块的大小而变 化 因而可以预料各种粒度的粒子或结块会以各自不同的速度分散 在混合初期 由 于粒子或结块较大 受到的剪切应力大 易于破裂 故初始分散速度将取决于大粒子 或结块的数量 而小粒子或结块的分散速度对总的分散速度起的作用是很小的 随着 大粒子或结块粒度的降低 小粒子或结块对分散速度越来越起主导作用 但由于小粒 子或结块受的剪应力变小 分散变得困难 分散速度下降 当粒子或结块的粒度达到 某个临界值分散就完全停止了 3 9 2 2 注塑螺杆熔体输送理论发展 在塑化过程中 注塑螺杆的工作状态是旋转并后退 塑化了的塑料熔体在螺杆的作 用下沿螺槽向前输送 当螺杆后退至设定距离 即计量行程或注塑行程 时 螺杆便停 止转动 此时螺杆头部存料区的熔体体积即为注塑量 这一过程螺杆的熔体输送能力 即为注塑螺杆的塑化能力 它表征单位时间内螺杆可能提供塑料熔体的最大能力 螺 杆塑化能力的大小直接影响注塑周期 也影响着注塑机的生产效率 近年来 注塑螺杆设计方面有了显著的改进 但是对注塑螺杆的熔体输送理论缺 乏研究 通常 只借助于挤出螺杆的熔体输送理论来指导注塑螺杼的设计 王喜顺 颜家华等人考虑到后退速度及背压等因素的影响 采用把机筒和注塑螺杆螺槽展开的 方法 从二维上对注塑螺杆熔体输送理论进行了修正 4 0 北京化工大学硕士学位论文 2 3 1c f i 分析软件简介 计算流体动力学 c f d 是近代流体力学 数值数学和计算机科学结合的产物 是一门具有强大生命力的边缘科学 它以电子计算机为工具 应用各种离散化的数学 方法 对流体力学的各类问题进行数值实验 计算机模拟和分析研究 以解决各种实 际问题 计算流体动力学是通过计算机数值计算和图像显示 对包含有流体流动和热传导 等相关物理现象的系统所做的分析 c f d 的基本思想可以归结为 把在时间域及空问 域上连续的物理量的场如速度场 压力场等 用一系列有限个离散点上的变量值的集 合来代替 通过一定的原则和方式 建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数 方程组 然后求解代数方程组获得场变量的近似值 c f d 可以看作是流动基本方程 质量守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程 控 制下对流动的数值模拟 通过这种数值模拟 可以得到极其复杂问题的流场内各个位 置上的基本物理量 如速度 压力 温度 浓度 的分布 以及这些物理量随时间变化 的情况 进一步计算其他物理量 与c a d 方法相结合 还可以进行结构优化设计 目前比较好的c f d 软件有 f l u e n t c f x p h o e n i c s s t a r c d 等 2 3 2c f d 软件的结构及工作流程 c f d 软件一般包括三个基本环节 前处理 求解和后处理 与之对应的程序模块 通常称为 前处理器 求解器和后处理器 前处理器用于完成前处理工作 前处理环节是向c f d 软件输入所求问题的相关 数据 在前处理阶段需要进行如下弗美芦衙 x 北京化工大学硕士学位论文 第三章模拟熔体流动的有限元模型的建立 本文所采用的流场求解器为p o u f r f l o w 在建立有限元模型所采用的前处理软 件的选择上 应选择与之具有数据接口的前处理软件 与p o l y f l o r 具有数据接口 的软件众多 对于简单结构的元件 各类前处理软件区别不大 但由于螺杆结构的特 殊性 导致 般的建模软件在建模完成后导入p o l y f l o w 进行计算时 有可能出现 模型失真现象 所以本文选择了p o l y f l 0 1 所集成的g a m b i t 软件作为前处理器 及c 编程生成模型的方法来进行有限元模型的建立 3 1 前处理软件g 龇 暇i t 简介 1 完全非结构化的网格能力 g a m b r r 之所以被认为是商用c f d 软件最优秀的前置处理器 完全得益于其突 出的非结构化的网格生成能力 蝤m r r 能够针对极其复杂的几何外形生成三维四面 体 六面体的非结构化网格及混合网格 且有数十种网格生成方法 生成网格过程又 具有很强的自动化能力 因而大大减少了工程师的工作量 2 网格的自适应技术 f l u 酚盯采用网格自适应技术 可根据计算中得到的流场结果反过来调整和优化 网格 从而使得计算结果更加准确 这是目前在c f d 技术中提高计算精度的最重要 的技术之 尤其对于有波系干扰 分离等复杂物理现象的流动问题 采用自适应技 术能够有效地捕捉到流场中的细微的物理现象 大大提高计算精度 如采用自适应网 格后可以有效地分析汽车后视镜附近的气流分离现象 汽车尾部的旋涡区域及发动机 水套的温度场等复杂问题 f l u d 汀软件具有多种自适应选项 可以对物理量值 物 理量的空间微分值 如压力梯度 网格容积变化率 壁面y 岛件值等进行自适应 3 丰富的c a d 接口 g a m b i t 包含全面的几何建模能力 既可以在g a m b i t 内直接建立点 线 面 体的几何模型 也可以从p r o e u g i i i d e a s c a t i a s 0 l i d w o r k s a n s y s 2 0 北京化工大学硕士学位论文 p a t r a n 等主流的c a d c a e 系统导入几何和网格 g a m b i t 与c a d 软件之间的直 接接口和强大的布尔运算能力为建立复杂的几何模型提供了极大的方便 4 混合网格与附面层内的网格功能 g a m b i t 提供了对复杂的几何形体生成附面层内网格的重要功能 附面层是流 动变化最为剧烈的区域 因而附面层网格对计算的精度有很大影响 而且附面层内的 贴体网格能很好地与主流区域的网格自动衔接 大大提高了网格的质量 另外 g a m b i t 能自动将四面体 六面体 三角柱和金字塔形网格自动混合起来 这对复杂 几何外形来说尤为重要 5 网格检查 g a m b i t 拥有多种方便简捷的网格检查技术 使工程师能快捷的检查已生成的网 格的质量 该模块包括对网格单元的体积 扭曲率 长细比等影响收敛和稳定的参数 进行报告 工程师可以直观而方便地定位质量较差的网格单元从而进一步优化网格 3 2 有限元模型的建立 在研究过程中 根据往复式注塑机螺杆运动方式 结合前处理器g a m b r r 和求 解器p o l y f l o w 的特点 本文使用了两种建模方法 按熔体区实际形状建立的静态有限元模型 以网格重叠技术为基础建立的瞬态有限元模型 以下分别对两种建模方法和分析思路进行讨论 3 2 1 稳态有限元模型的建立 稳态有限元模型根据熔体流道的实际形状采用c 变成生产计算模型 3 2 1 1 物理模型 1 几何模型的建立 本文所讨论对象为往复式注塑螺杆的计量段螺纹元件 其螺纹流道几何形状如图 3 1 所示 模型由一段长度为8 0 i n m 导程为4 0 m m 的螺纹及机筒内壁组成 螺杆外径 为4 0m m 机筒内径为4 0 3 n h n 螺杆与机筒的间隙j 为0 1 5m m 在第四章中 将对 此模型的计算结果进行分析 图3 1 流道几何模型 2 边界条件的确定 在模拟计算时 本模型分为四个边界 即入口 边界条件分压力边界和速度边界条件两种 在进料和出口边界处设定压力边晃 其压力为 l 号 l 式中 只一计算域进料处压力值 出口 机筒内壁以及螺杆表面 3 1 只一计算域出口处压力值 在实际计算中 流场变化取决于模型两端的压差 p p 只一只 3 2 速度边界条件包括物料与螺杆 物料与机筒内壁面接触处的速度 根据往复式注 塑机的实际工作状态f 机筒静止 螺杆旋转并 x 北京化工大学硕士学位论文 点的坐标 3 2 1 2 数学模型 1 基本假设删 删 在进行三维流场计算时 考虑流场的几何形状 物料性质 流动状态 加工条件 等因素造成的流场复杂性 为了简化模型便于研究作以下假设 流场为等温定常流场 即场量不随时间变化 且流场中各点温度相等 流动为稳态流动 物料粘度大 惯性力 重力等体积力远小于粘滞力 忽略不计 流体为不可压缩流体 物料在螺杆表面及机筒内壁面无滑移 2 基本方程1 4 3 州 在直角坐标系下 连续性方程为 等 妄饥 嘉h 鲁沁 3 4 运动方程为 p c 鲁q 善 b 等 匕鲁 一芸 c 警 等 警 昭 p 岛也芸 等 匕鲁卜爹 c 誓 鲁 争 户c 鲁也善 等 匕警 一箬 c 誓 等 鲁 昭 根据以上假设 上述方程可简化为 誓 誓 誓 o 苏却出 罢 冬 睾 盘 咖 砂 勿 挲 堡 堡 堡 咖 锄 咖 出7 等 冬 睾 冬 应 斑 却瑟 3 5 3 6 北京化工大学硕士学位论文 在以上各式中 匕 v 叱分别为x y 和z b i 甸的速度 p 为压力 乃为剪切应 力 瓦为法向应力 p 为流体的密度 3 本构方程h 3 伽 聚合物熔体是一类具有粘弹性的特殊熔体 为了更好地描述聚合物熔体流动的 性质 在做理论研究中往往采用粘弹性模型如 m a x w e l l 模型 o l d r o y d b 模型 w h i t e m e t z n e r 模型和p t t 模型等 但是 粘弹性模型会使所求问题的非线性大大 增加 数值求解异常困难 对计算机硬件及软件求解器都是严峻的考验 在注塑机螺杆塑化过程中 螺杆旋转并后退 聚合物熔体主要表现出的是粘性 行为 在现有的计算机硬件和软件条件下 本文主要考虑聚合物的粘性行为 选择 幂律模型作为流动模型 其本构方程为 一l 仉 叩 3 7 式中 叩一粘度 p a s 仉一表观粘度 p a s 一剪切速率 s 1 一幂律指数 幂律本构方程的突出优点是简单 且易于应用 在聚合物加工成型分析中 幂 律流体模型使用的最为广泛 3 2 1 3 有限元模型 根据c f d 的工作流程 物理模型 数学模型建立后 接下来的任务是求解方程 组 只有几何形状规则 边界条件严格 方程组简化程度较高的情况时才可能求得解 析解 在一般情况下 不能用解析法求解 这类问题的解决通常有两种途径 一是引 入简化假设 将方程和几何边界简化为能够解析处理的情况 这种方法只在有限情况 下可行 因为过多的简化可能导致求解结果误差很大甚至错误 二是数值解法 在数 值求解方法中 有限元法是其中的主要方法之一 本文所选择的计算核心p o l y f l o w 即是一种基于有限元解法的求解器 在对流场进行适当简化后 对简化的方程组进行 求解 得出较为精确的数值解 北京化工大学硕士学位论文 1 确定坐标系 在本模型中选用直角坐标系 如图3 2 所示 取计算模型入口处中心点为坐标原 点 x y z 的正向遵循右手法则 其中z 向表示螺杆的轴向输送方向 z 图3 2 直角坐标系简图 2 划分网格 在进行有限元计算中 单元类型的选择对计算结果有着直接的影响 一般可供选择的有四面体单元与六面体单元 如图3 3 所示 四面体单元对于模型 的几何结构适应性较强 针对复杂结构的模型 采用四面体单元划分网格 可以保证 较为顺利地对模型划分网格 生成的模型具有较高的可用性 缺点是网格数量相对较 多 计算时间较长 结果不易收敛 计算精度较差 图3 3 四面体单元与六面体单元 采用六面体单元划分网格 由于其在网格数量 收敛性及计算精度等方面的优势 可以在一定程度上弥补四面体单元网格的不足 但是由于螺杆结构较为复杂 在通过 g a m b i t 软件对模型生成六面体单元网格时 往往会发生错误 导致网格划分失败 因此 在这里采用编程的方法生成六面体单元网格的有限元模型 如图3 4 所示 北京化 t 大学硕士学位论文 图3 4 编程法六面体单元网格的有限元模型 此模型网格采用六面体单元 由c 编程直接生成 由于模型几何形状在计算中 不发生变化 适用于计算与时间无关的稳态问题 所以 当螺杆垂直于轴向方向的截 面相同 并且螺杆工作过程与时间无关时 该模型适用 其计算结果及分析 将在第 四章中予以讨论 3 2 2 网格重叠技术建立的瞬态有限元模型 在注塑螺杆的流场计算中 由于注塑机的工作的间歇性 所以 考虑时间做为计 算的参数更加具备合理性 往复注塑螺杆在塑化过程中的运动方式有两类 一是螺杆 旋转运动 二是螺杆后退运动 特别是当计算模型垂直于螺杆轴线方向截面形状发生 变化时 导致了计算模型的几何形状随时间发生变化 因此 对于本文所研究的开槽 注塑螺杆的流场模拟 采用在不同时刻与螺杆所处位置对应的计算模型显得尤为重 要 但是 如果使用3 2 1 中编程的方法来生成有限元模型 那么就需要在多个时刻 建立不同的模型 工作量将是单独计算稳态问题的数倍 使用p o l y f l o w 特有的网 格重叠技术 将计算模型分为熔体区与运动部件 并设置时间任务 可以实现在同一 组模型中模拟不同时刻的流场的目的 在建立模型时 本文在这一部分将计算模型分为熔体区和螺杆两部分 其中熔体 区为计算域 螺杆为运动部件 主要来确定具体的流道形状及计算域与螺杆接触部分 的边界条件 熔体区为求解区域 采用收敛性及精度较好的六面体单元划分网格 螺 北京化工大学硕士学位论文 杆区域由于并不参与计算 考虑到螺杆结构的复杂性 采用四面体单元划分网格 以 保证网格划分的可用性 采用螺杆中空的办法可减少计算量 常规螺纹螺杆模型如图3 4 及图3 5 所示 图3 4 熔体区有限元模型 图3 5 常规螺纹元件有限元模型 采用网格重叠技术所建立的有限元模型时 基本假设 边界条件及数学模型与 3 2 1 中介绍的相同 在3 3 节中 将介绍基于网格重叠技术 针对各种开槽方式及尺 寸所建立的具体模型 3 3 瞬态模型的建立及具体参数 基于网格重叠技术 分别对熔体区和螺纹元件建模 组成瞬态计算模型 3 3 1 熔体模型 熔体计算域的网格由六面体单元构成 数量为1 3 6 0 8 个 圈3 6 熔体计算域有限元模型 北京化工大学硕士学位论文 3 3 2 螺纹元件模型 螺纹元件网格由四面体单元构成 各模型具体开槽方式及几何尺寸如表3 1 所示 各模型三维图如图3 7 所示 表3 1 各模型具体开槽方式及几何尺寸 螺杆模型编号开槽方向数量开槽尺寸模型长度 m o d e l l1 6 0 m m m o d e l 2 垂直于螺棱 3 个 导程 槽宽 2 m m 1 6 0 r a m m o d e l 3 垂直于螺棱3 个 导程槽宽 4 m m 1 6 0 m m m o d e l 4 垂直于螺杆轴线3 个 导程槽宽 l m m 1 6 0 m m m o d e l 5 垂直于螺杆轴线3 个 导程槽宽 2 m m 1 6 0 r a m m o d e l 6 垂真于螺杆轴线 3 个 导程槽宽 3 r a m1 6 0 r a m 北京化工大学硕士学位论文 图3 7 螺纹元件的网格划分 北京化工大学硕士学位论文 表4 2 螺杆转速变化的计算参数 粘度幂律指数螺杆转速螺杆后退速度压差 3 8 0 0 p a s0 49 0 咖n i no 0 2 m s0 5 m p a 3 8 0 0 p a s0 41 1 0 m i no 0 2 m so 5 m p a 3 8 0 0 p a s0 41 3 0 i 蛐o 0 2 m s0 5 m p a 3 8 0 0 p a so 41 5 0 i 岫o 0 2 m s 0 5 m p a 3 8 0 0 p a s0 41 7 0 i 岫o 0 2 m s0 5 m p a 圈4 5 劈切速率峰值曲线图 剪切速率峰值曲线如图4 5 所示 该图采用点扫描方法 即在熔体入口面上取一 点使其沿一条平行于螺杆轴线的直线从熔体入口面扫描至出口面 这样 就得出剪切 速率随螺杆轴线方向变化的趋势 可以看出 螺棱处的剪切速率远远高于其他部分 与理论分析结果相符 螺杆转速对于剪切速率的峰值有显著的影响 剪切速率随螺杆 转速上升而增大 由于螺杆的塑化能力随剪切速率增加而提高 所以 增加螺杆转速 可提高螺杆的塑化能力 北京化工大学硕士学位论文 通过计算结果云图可以看出压力在螺槽内的分布情况 压力在每个导程上沿注塑 方向逐渐减小 在经过螺棱处发生突变 从压力值上看 在螺棱推力面压力较高 高于 物料入口压力 而螺棱推力面的背面压力较低 低于物料入口压力 图4 7 不同粘度下的压力场云图 p a 物料粘度变化对压力场影响的曲线如图4 8 所示 从图4 8 中可以看出 在其他 工艺参数相同的条件下 物料粘度的变化会对压力场产生明显的影响 随着物料粘度 的增大 熔体区的压力变化会逐渐变得剧烈 螺棱推力面的压力也随之上升 螺杆转 动时所消耗的功率增加 北京化工火学硕士学位论文 1 2 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 日6 0 0 0 0 0 妄4 0 0 0 0 0 山2 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 轴向位置 m 一2 0 0 0 p a s 一3 0 0 0 p a s4 0 0 0 p a s 一5 0 0 0 p a s 一6 0 0 0 p a s 图4 8 物料粘度变化对压力场的影响 4 1 2 3 螺杆后退速度变化对速度场的影响 螺杆后退速度变化对流场z 向速度的影响如图4 9 所示 通过图中可以得出 物 料的z 向速度随螺杆后退速度的增加而减小 从而使其横过螺槽的分速度减小 说明 塑化条件和螺杆尺寸相同的条件下 注塑螺杆螺槽内物料的横流速度比挤出要小 也 就是说注塑螺秆的混合 搅拌 均化等作用比挤出螺杆差 为了提高混合效果和均化 作用 应在计量段增加混合元件或安排提高混合效果的螺杆结构 g 螂 删 赠 幢 皂 馨 0 0 8 0 0 6 o 0 4 0 0 2 0r 一0 0 2r 一0 0 4f 一0 0 6 一 一0 0 8 o 径向位置 m v 2 0 0 2 m s v 一o 0 3 m sv 一0 0 4 m 8 一v 一0 0 5 m s v 一o 0 6 m s 图4 9 螺杆后退速度变化对流场z 向速度的影响 北京化工大学硕士学位论文 4 2 1 1 垂直于蝶棱开槽对流量的影响 通过模拟计算 可以得到流场的z 向速度场 面上进行积分 便可得到该截面上的流量 q n z d s 式中 q 一流量 z 向速度在垂直于螺杆轴线方向截 4 1 v 一z 向速度 常规螺纹元件平行于轴线方向的z 向速度场矢量图及云图如图4 1 0 所示 图4 1 0 常规螺纹兀件z 向速度场矢量图及云图 n 以 从图4 1 0 中可以看出 只有在螺棱与机筒之间的间隙处 z 向负速度较大 引起 了一定的漏流 螺杆的分布混合能力有限 垂直于螺棱开槽 槽宽为2 衄的螺纹元件在开槽部分的z 向速度场的矢量图及 云图如图4 1 l 所示 从该图中可以看出 在开槽处 z 向具有负速度的区域明显增大 负向速度的绝对值也大于螺棱与机筒的间隙处 说明在开槽部分产生较大的漏流 提 高了分布混合能力 接下来 通过计算 绘制曲线 对具体流量的变化进行进一步分 析 图4 1 1 槽宽为2 m m 的垂直于螺棱开槽螺纹元件 开槽部分z 向速度场的矢量图及云图 伽 s 3 8 北京化工大学硕士学位论文 m o d e l 2 m o d e l 3 两种垂直于螺棱开槽螺纹元件与常规螺纹元件m o d e l 1 各截 面的平均流量对比如图4 1 2 所示 可以看出 垂直于螺棱开槽对流量影响较大 随着 开槽尺寸的增大 流量迅速减小 当开槽宽度为4 m m 时 流量为负值 如图中m o d e l 3 所示 也就是说物料整体的运动趋势向后 通过插值计算得出 当垂直于螺棱开槽宽度为3 5 m m 时 流量基本降至0 螺杆 完全丧失正向输送能力 另外 此类开槽螺纹元件的各截面流量相对稳定 波动不大 4 o o e 一0 6 3 o o e 一0 6 m2 o o e 一0 6 孟1 0 0 e 0 6 爆0 o o e 0 0 一1 o o e 0 6 竹吕 删 蜷 r l 中gg 窖窖兽昌苫苫誉害兽兽鲁罟兽 4 e 0 6 4 e 0 6 3 e 一0 6 3 e 0 6 2 e 一0 6 2 e 一0 6 1e 一0 6 5 e 一0 7 0 e 0 0 5 e 一0 7 1 e 0 6 2 e 一0 6 oooooooooooooo o 轴向位置m 一常规螺纹元件 一垂直于螺棱开槽螺纹元件 槽宽 2 m m 垂直于螵棱开槽螺纹元件 槽宽 4 m m 图4 1 2 垂直于螺棱开槽螺纹元件与常规 螺纹元件各截面的平均流量对比 l2 时间s 常规螺纹元件 一垂直于螺棱开槽元件 槽宽 2 m m 垂直于螵棱开槽元件 槽宽 2 i m 图4 1 3 垂直于螺棱开槽螺纹元件与常规 螺纹元件在不同时刻的流量比较 北京化工大学硕士学位论文 m o d e l 一2 m o d e l 3 两种垂直于螺棱开槽螺纹元件与常规螺纹元件m o d e l 1 在螺杆 后退的不同时刻的流量比较如图4 1 3 所示 可以看出 此类螺纹元件在不同时刻流量 基本一致 波动较小 4 2 1 2 开槽方向对流曩影响 垂直于螺杆轴线方向开槽的螺纹元件 开槽处的z 向速度场矢量图与云图如图 4 1 4 所示 图4 垂直于螺杆轴线方向开槽的螺纹元件 开槽处的z 向速度场矢量图与云图 m s 由图4 1 4 可以看出 当采用垂直于螺杆轴线开槽方式 对开槽部分的流场引起 了较大的z 向负速度 分布混合能力得到了提高 对z 向j 速度在垂直于轴线截面上进行积分 可以得到各截面的平均流量 通过绘 制曲线图 来分析两种不同开槽方向对流量的影响 3 6 0 e 一0 6 3 4 0 e 一0 6 3 2 0 e 一0 6 3 o o e 一0 6 孟2 8 噼0 6 絮2 6 0 e 一0 6 2 4 0 e 0 6 2 2 0 e 一0 6 2 o o e 0 6 gggg 兽兽g 苫兽兽兽兽g 鲁兽 ddddddgdddg6ddd 轴向位置m 一常规螺纹元件 一垂直于螺棱开槽螺纹元件 槽宽 2 r m 一垂直于螺杆轴线开槽螺纹元件 槽宽 2 舢 图4 1 5 槽宽相等的不同的开槽螺纹元件流量对比 五 槽宽相等的垂直于螺棱方向开槽的螺纹元件与垂直于螺杆轴线方向开槽的螺纹 元件各截面的流量对比如图4 1 5 所示 经计算 两种开槽方式引起的流量减少差别不大 垂直于螺棱开槽的螺纹元件的 流量比常规螺纹元件的流量减少了3 0 6 垂直于嫘杆轴线方向开槽的螺纹元件流景 比常规螺纹元件的流量减少了2 5 6 3 但垂直于螺杆轴线方向开槽的螺纹元件流量在轴向上不稳定呈周期性变化 说明 垂直于螺杆轴线方向开槽的螺纹元件引起了流场内的z 向速度呈周期性的变化 而垂 真于螺棱开槽的螺纹元件流量在轴向上相对稳定 也就是说 使用垂直于螺杆轴线方 向开槽的螺纹元件时 物料在流场内部的流动速度变化较为明显 显然 对于分布混 合能力而言 垂直于螺杆轴线方向开槽的螺纹元件比垂直于螺棱方向开槽的螺纹元件 更强 由于网格重叠技术可以以时间为参数来进行模拟计算 所以在同一组计算结果 中 可以获得不同时刻的流场信息 针对往复式螺杆的工作原理 可得到后退过程中 不同时刻的流场 通过对同一种螺杆构形 在不同时刻的流场进行比较 可得到流场 变化与时间的关系 槽宽相等的垂直于螺棱方向开槽的螺纹元件与垂直于螺杆轴线方向开槽的螺纹 元件 在不同时刻计算域内的平均流量分布如图4 1 6 所示 4 e 0 6 4 e 0 6 3 e 0 6 3 e 一0 8 蠡 e o 1 e 0 6 5 e 一0 7 0 e 0 0 1 2 3 4 时间s 一常规螺纹元件 一垂直于螺棱开槽螺纹元件 槽宽一2 m m 一垂直于螺杆轴线开槽螺纹元件 槽宽 2 r a m 图4 1 6 不同的开槽螺纹元件在不同时刻平均流量分布 4 l 北京化工大学硕士学位论文 由图中可以看出 垂直于螺杆轴线方向开槽的螺纹元件流场中的流量随时问波 动 即z 向速度随时间发生变化 也就是说对于此类开槽螺纹元件 在螺杆后退过程 中 流道随时间变化 使流量呈周期性波动 更加有利于分布混合 4 2 1 3 垂赢于轴线方向开槽对流量的影响 不同开槽尺寸的垂直于轴线方向开槽的螺纹元件的流量比较如图4 1 7 所示 5 o o e 0 6 4 0 0 e 一0 6 3 0 0 e 一0 6 奄2 0 0 e 0 6 卿1 0 0 e 0 6 糍 0 0 0 e 0 0 一1 0 0 e 一0 6 2 0 0 e 一0 6 轴向位置m 一常规螺纹元件 一垂直于螺杆轴线开槽螺纹元件 槽宽 1 m m 一垂直于螺杆轴线开槽螺纹元件 槽宽 2 m 一垂直于螺杆轴线开槽螺纹元件 槽宽 3 m 图4 1 7 不同开槽宽度的垂直于轴线方向开槽的螺纹元件的流量对比 由图4 1 7 可以看出 随开槽尺寸变大 流量下降随之变大 槽宽为l m m 时 流 量与常规螺纹元件区别不大 基本上起不到提高分布混合能力的作用 槽宽为2 m m 时 流量下降为常规螺纹元件的7 4 3 7 具备了一定的回流量 槽宽为3 m m 时 流 量为负值 说明物料的整体运动趋势向后 无产量 经插值计算 当槽宽为2 7 m m 时 计算域总体流量基本接近于o 此时产量接近于o 如4 2 1 2 中所述 垂直于螺杆轴线方向开槽的螺杆具有流量随时间波动的特点 其波动曲线如图4 1 8 所示 4 2 北京化工大学硕士学位论文 目 删 遮 4 0 0 0 0 0 e 0 6 2 0 0 0 0 0 e 0 6 0 0 0 0 0 0 e 0 0 1 0 0 0 0 0 e 一0 6f 2 0 0 0 0 0 e 0 6 3 0 0 0 0 0 e 0 6 o 4 2 2 剪切应力分析 时间s 一常规螺纹元件 垂直于轴线开槽螺杆 槽宽 i m m 一垂直于轴线开槽螺杆 槽宽 2 m m 垂直于轴线开槽螺杆 槽宽 3 m m 图4 1 8 垂直于螺杆轴线开槽螺杆流量随时间变化图 剪切应力f 的强弱是表征螺纹元件分散混合能力的一项重要指标 4 5 f 叩 4 2 式中 f 一剪切应力 r 一表观粘度 y 一剪切速率 下面 根据模拟计算结果 针对以上三项进行分析讨论 分析剪切应力与螺杆构 形之间的关系 4 2 2 1 螺杆构形对表观粘度场的影响 同