华中科技大学崔树标博士塑料注射成形过程中的形态演化与制品性能

1、 投送一级学科： 材料科学与工程 二级学科： 材料加工工程原件¨复制件¨中国博士后科学基金资助金申请表申请人姓名 崔树标 编 号 设站单位 华中科技大学 流动站名称(一级学科) 机械工程 进 站日期 2005年7月1日 通讯地址 华中科技大学材料学院 邮政编码 430074 电 话2006 年 8 月 20 日填表9 请 须 知1、申请者必须认真阅读现时执行的中国博士后科学基金资助条例，并按该条例有关规定进行申请。2、申请者打字填写（如不具备打字条件时，请用钢笔或圆珠笔正楷书写，不要用铅笔填写）本表1至6页，并由二位推荐人在7和8页分别填写推荐意

2、见，报所在设站单位（含经批准招收博士后的非设站单位，下同）。经设站单位在9页填写审核意见后再用B5复印纸进行复制。3、每位申请者需向中国博士后科学基金会交纳评审资料费100元人民币，未交纳的，不予受理。4、各设站单位于每年三月十日至三月三十一日或八月十日至九月十日期间将本单位所有申请者的申请表（一式八份，必含原件）和评审资料费集中汇至中国博士后科学基金会。5、本表封面上的“原件”和“复印件”系指本份材料是原件或复印件，请在相应的方框内打“”；“编号”系指申请进站时，全国博士后管委会办公室或有关省、市对博士后研究人员的统一编号；“投送学科”系指申请资助项目所属的学科领域。若是交叉学科或跨学科，则

3、应填写所涉及的主要学科名称。学科须按国务院学位委员会公布的标准名称填写。6、填表必须实事求是，认真翔实，不得虚报或留空。有的栏目如无内容可填，请写上“无”、“未”等字；若填写不下，可另附纸。姓名崔树标性 别男出生年月1975年8月民 族汉博士后日常经费来源国家资助 口 单位自筹 口 企业提供（企业博士后）口来自重大科研项目经费（项目博士后）口学位情况学位获得年月攻读学位单位学位论文题目导师学士1998.7华中理工大学连接件注塑模设计李德群教授硕士2001.7华中科技大学三维注塑模CAD/CAE系统关键技术的研究张宜生教授博士2005.6华中科技大学注塑模冷却过程数值模拟技术研究李德群教授主要研

4、究工作经历起止年月单 位研 究 工 作职务1998.7 至 2001.6华中科技大学注塑模CAD系统的研究与开发，注塑模CAE前后置处理的研究与开发开发组组长2001.7 至 2005.6华中科技大学注塑模冷却过程数值模拟技术研究项目组组长2005.7 至 现在华中科技大学注塑成形CAD/CAE/CAM集成技术研究研究室副主任主要研究成果：已发表在国内外核心学术刊物上的论文题目、全部作者署名顺序、发表时间、刊登论文的刊物名称以及被SCI、EI、ISR、SSCI收录、引用的情况；获得专利的名称、内容和号码；有何发明创造、技术革新、工艺设计和过程等。请务必具体说明以上成果的科学价值、应用前景、经济

5、效益、社会效益以及本人在这些成果中的主要贡献及所获得奖励的名称、等级和获奖人员的排名顺序。作为主要技术骨干开发了三维真实感注射成形过程仿真系统，该系统为国内唯一的基于实体模型的注塑成形模拟系统，达到且部分超过当前的国际先进水平，已在包括海尔、科龙、康佳以及上海交通大学、澳门大学等100多家著名企业、大专院校和科研院所推广使用，产生了巨大的经济与社会效益。2005年被中国机械工程学会认定为中国机械设计工程师资格认证和继续教育的指定软件，并已正式投入使用。获奖情况(1)2001年“塑料注射成形过程仿真系统的开发和应用”获得中国高校科技进步一等奖，排名第七。(2)2002年“塑料注射成形过程仿真系统

6、的开发和应用”获得国家科技进步二等奖，排名第七。(3)2003年获得华中科技大学第二届“科技十佳”。(4)2006年“材料成形过程模拟技术及其应用”获得湖北省科技进步一等奖，排名第八。发表的主要论文列表1 CUI Shu-biao, ZHOU Hua-min, LI De-qun. Numerical simulation of injection molding cooling process based on 3D surface model. Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing, 2004, 14(2)2 崔树标，周华民，李

7、德群注塑模冷却过程模拟关键算法研究中国塑料，2005，19(4)3 崔树标，周华民，李德群注塑模冷却分析中特殊冷却结构的处理模具技术，2005，(2)4 崔树标，周华民，李德群基于表面模型的注塑模冷却过程模拟模具工业，2005，(5)5 崔树标，张宜生，梁书云，李德群STL面片中冗余顶点的快速滤除算法及其应用中国机械工程，2001，12(2)6 文劲松，崔树标，徐金榜，李德群塑料注塑模具三维设计系统的实现华南理工大学学报（自然科学版），2004，32(5) （EI收录）7 Feng Wei, Zhou Huamin, Cui Shubiao, Li Dequn. Intelligent Set

8、ting and Optimization of Process Parameters for Plastic Injection Molding. Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing, 2006, 16(1)8 Huamin Zhou, Dequn Li and Shubiao Cui. Three-dimensional optimum design of the cooling lines of injection moulds based on boundary element design sensitivity ana

9、lysis. Journal of Engineering Manufacture, 2002, 216(7) （SCI、EI收录）9 文劲松，崔树标，徐金榜，李德群三维注塑模结构设计CAD原型系统的研究中国塑料，2003，17(10)10 成学文，李德群，周华民，崔树标基于哈希表的STL面片冗余顶点快速滤除算法华中科技大学学报（自然科学版），2004，32(6) （EI收录）11 张宜生，崔树标，梁书云STL面片邻接拓扑关系重构及其应用计算机应用与软件，2001，18(3): 47-50主要研究成果的科学价值、应用前景、经济效益、社会效益作为主要技术骨干参与开发了三维真实感塑料注射成形过程仿

10、真系统HsCAE3D，已成为具有知名度的商品化软件。2003年经湖北省科技厅组织专家鉴定认为，所开发的模拟软件覆盖范围广、分析精度高、总体水平处于当前国际先进水平。在塑料注射成形流动、保压、冷却和翘曲全过程模拟、容错数据交换接口、全自动非均匀网格剖分、网格剖分结果智能化检查与修补、智能化生成模拟结果的分析报告等方面均具有创新性，主要表现在以下方面：(1)解决了用实体模型取代传统的中心层模型的关键性技术难题，用户不需要二次建模，突破了模拟软件的使用瓶颈，为其在塑料工业和模具行业的大面积推广应用创造了良好的条件；(2)采用有限元/有限差分/控制体积法解决了具有移动边界的三维数值模拟问题；(3)提出

11、了边界元容错处理算法和边界元矩阵稀疏化方法，在保证数值模拟精度的条件下，大大提高了注塑模冷却过程模拟的稳定性和实用性；(4)采用了平面膜元和弯曲板元组成的改进平板型壳元有限元模型，实现了基于实体模型的翘曲分析；(5)将智能技术与数值计算技术紧密结合，将模拟软件由传统的“被动式”计算工具提升为新一代的“主动式”优化系统；到目前为止，所开发的模拟软件已在100多家用户中推广应用，装机数达450多套，包括海尔、科龙、康佳、TCL以及上海交通大学、浙江大学、澳门大学等著名企业和高等院校，已产生显著的经济和社会效益。本系统在海尔应用后年新增产值2358万，年新增利税302万，年增收节支总额 274万，仅

12、根据十家主要用户财务证明已产生15000万元以上经济效益。所开发的模拟软件还具有很好的培训功能，不仅能够有效地辅助模具工程师熟悉和了解注塑成形过程的特点和规律，全面地提高我国模具工作者的水平和素质，促进我国模具设计与制造水平的全面提高，而且已作为大专院校的辅助教学工具，创办了网上模具CAE培训班，目前共有2000多名学员在网上培训学习，培养了大批掌握模具CAD/CAE的专门人才。2005年被中国机械工程学会认定为中国机械设计工程师资格认证和继续教育的指定软件，并已正式投入使用。围绕塑料注射成形模拟技术的研究开发，近五年来在国内外共发表学术论文80余篇。研究成果多次获省部级科技进步奖，其中“塑料

13、注射成形过程仿真系统的开发和应用”获2001 年中国高校科技进步一等奖和2002 年国家科技进步二等奖，同时该研究成果还被评为2002 年度中国机械工业科学技术五项重大进展之一，“材料成形过程模拟技术及其应用”获得2006年湖北省科技进步一等奖。申 请 资 助 项 目 情 况名称中 文塑料注射成形过程中的形态演化与制品性能的数值模拟英 文Numerical Simulation on Morphology Evolvement and Product Properties of Plastic Injection Molding研究类别 基础研究 口 应用研究 口 技术开发 口项目来源 国家重

14、点项目 口 省市或部门重大项目 口 自选项目 口 863高技术研究项目 口 国家自然科学基金项目 口 其他项目 口 研究经费 来 源 及 数 额国家自然科学基金及企业合作项目，计40万元项目的具体内容、预期目标及国内外在这方面研究的现状：1研究内容在具体分析现有塑料注射成形过程宏观模拟不足的基础上，拟分两步实现考虑聚合物形态演化的制品性能数值模拟，最终建立起材料特性加工条件形态结构制品性能的关联模型，实现在可成形性分析基础上的制品性能预测，达到优选成形工艺参数、优化模具结构和提高塑料制品质量的目的。在数值模拟方面，基于申请人所在的课题组已经取得的塑料注射成形三维模拟研究成果，本项目拟分如下两步

15、实现塑料注射成形制品的性能预测。1) 塑料注射成形过程中聚合物形态演化的模拟通过聚合物形态（结晶、取向、分散相等）的宏观表征描述其平均化效应，鉴于外场（流场、能量场）与聚合物形态之间的相互影响，需要建立外场作用下的聚合物形态表征及其演化方程，而考虑到聚合物形态对流变本构关系和能量场的影响，流场的流变本构关系和能量场模型也需要做相应的修正。通过力场、能量场与聚合物形态的耦合计算得到最终制品的聚合物形态结构分布。2) 基于均匀化方法的制品性能预测得到聚合物形态结构分布之后，将宏观制品结构中任意一点的应力、应变等物理量展开为与介观尺度聚合物形态结构相关联的小参数的渐近级数形式，采用摄动技术建立宏、介

16、观集成的控制方程，依据所获得的介观控制方程，通过介观模拟求解宏观模拟所需要的等效材料参数。得到等效材料参数之后，则通过宏观模拟可以计算宏观物理量场以及进一步模拟所需要的介观模拟边界条件。这样就实现了以集成控制方程为桥梁的介观和宏观尺度模拟的集成。在物理模拟方面，本项目拟进行制品性能的实验研究。通过上述两步的数值模拟可以预测成形制品的性能，主要包括结晶度、取向度、分散相、翘曲度、收缩率和机械性能沿不同方位的变化。为了实现实验对比，必须准确地对以上特征进行测试，本项目将开发用于在线测量的注射成形过程计算机辅助测试系统，包括信号发生器（注射成形机和实验模具）、信号感应器、信号处理器、信号采集器和数据

17、处理机。将实验测定的参数与介观和宏观模拟结果进行分析对比，用以验证和提高介观与宏观模拟的精度。2预期目标1) 建立考虑到聚合物形态的注射成形过程宏观模拟本构模型，包括分散相、结晶、取向、收缩等的宏观表征及其在成形中的演化。2) 采用宏观有限元方法实现聚合物形态的成形过程模拟，在可成形性分析基础上预测聚合物形态及分布。3) 推导出用于介观与宏观模拟集成的控制方程，实现相应的制品性能预测数值计算方法。4) 基于上述的模型与方法，开发相应的模拟软件。5) 以聚烯烃共混物体系（如聚丙烯系列）为研究对象，通过实验分析，验证所提出的模型及所开发软件的合理性和可靠性。3国内外研究现状近年来，国外已有不少研究

18、涉及到成形过程外场对聚合物形态的影响，对一些局部问题进行了初步探讨。如Papathanasiou1提出了考虑结晶过程的塑料注射成形模型，但该模型并未对成形中的分子结晶动力学进行详细建模。Isayev及其合作者2-4对成形中的聚合物形态及结晶模拟展开了更为深入的研究，提出了不同类型晶体生长竞争机制，但局限于对简单一维模型的分析。Wang5、Sousa6等采用实验方法研究了成形工艺、聚合物形态、制品性能之间的关系，得到了一些定性的结论，但尚未建立具有普遍意义的数学模型。以上研究虽然在不同程度上考虑到成形过程中的聚合物形态演化，但往往局限于对比较简单的加工条件下简单形状制品成形的分析，对聚合物形态考

19、虑不全面（只涉及取向或者结晶），并且借助于聚合物形态的经验模型获得平均化的材料参数，无法比较完整的描述聚合物分子链在成形中复杂外场作用下的构象动力学、成形中聚合物形态的形貌演化及其对制品性能的影响，因此对成形制品性能的分析只能定性而不能定量，简单而不深刻。基于成形过程中所产生的聚合物形态结构对制品性能进行定量分析的前提是建立介观尺度聚合物形态结构与宏观尺度制品模拟的有机衔接，人们也已经开始了一些理论和模拟手段上的尝试。如日本东京大学的COGNAC7系统初步建立了从介观到宏观模拟的桥梁，Swaminarayan等8,9针对聚合物熔体的结晶问题建立了多尺度模型，并通过在制品上划分粗细双重网格的方法

20、实现了介观与宏观尺度的初步关联。但目前的研究仅限于原理和方法上的探索，在工程实践中尚未进入实用阶段，主要原因是需要在宏观尺度的制品上划分介观尺度（晶粒尺寸）的网格，所生成的网格数量过于庞大，目前计算机的计算速度和存储容量尚力所不能及。均匀化方法（Homogenization Method）提供了解决从介观到宏观尺度无缝衔接问题的崭新途径。均匀化方法于二十世纪七十年代由法国科学家提出，后来由Sanchez-Palencia等10给出了严谨的数学表达，该方法对具有小尺度异质材料的宏观问题表现出了良好的适应性，已经在夹杂分析、复合材料等方面获得了成功应用。介观与宏观尺度的衔接问题本质上是要解决存在复

21、杂界面、各向异性、异质材料的宏观模拟问题。基于均质化理论，可以推导出宏观结构中求取任意一点诸如应变、应力等物理量的介观与宏观双尺度集成的控制方程，通过介观尺度模拟求解控制方程中的介观项，据此获得宏观模拟所需的平均化材料参数，反过来，通过宏观模拟又可获得介观模拟所需的边界条件。这样，既能从介观尺度计算材料的等效参数和变形，又能从宏观尺度分析异质材料的成形及响应，从而实现本构方程的自适应建立及介观与宏观模拟的无缝衔接。主要参考文献：1 T. D. Papathanasiou. Modelling of injection mold filling: effect of under- cooling

22、 on polymer crystallization. Chemical Engineering Science, 50(21): 3433-3442, 19952 X. Guo, A. I Isayev, L. Guo. Crystallinity and microstructure in injection moldings of isotactic polypropylenes. Part 1: a new approach to modeling and model parameters. Polymer Engineering and Science, 39(10): 2096-

23、2114, 19993 X. Guo, A. I Isayev, M. Demiray. Crystallinity and microstructure in injection moldings of isotactic polypropylenes. Part II: Simulation and experiment. Polymer Engineering and Science, 39(11): 2132-2149, 19994 K. H. Kim, A. I. Isayev, K. Kwon. Flow-induced crystallization in the injecti

24、on molding of polymers: A thermodynamic approach. Journal of Applied Polymer Science, 95(3): 502-523, 20055 Y. L. Wang, C. Y. Yue, K. C. Tam, X. Hu. Relationship between processing, microstructure, and mechanical properties of injection molded thermotropic LCP. Journal of Applied Polymer Science, 88

25、(7): 1713-1718, 20036 R. A. Sousa, R. L. Reis, A. M. Cunha, M. T. Bevis. Structural development of HDPE in injection molding. Journal of Applied Polymer Science, 89(8): 2079-2087, 20037 Masao Doi. Material modeling platform. Journal of Computational and Applied Mathematics, 149(1): 13-25, 20028 Srir

26、am Swaminarayan, Christian Charbon. Multiscale model for polymer crystallization. I: Growth of individual spherulites. Polymer Engineering and Science, 38(4): 634-643, 19989 Christian Charbon, Sriram Swaminarayan. Multiscale model for polymer crystallization. II: Solidification of a macroscopic part

27、. Polymer Engineering and Science, 38(4): 644-656, 199810 E. Sanchez-Palencia, A. Zaoui. Homogenization Techniques for Composite Media: Lectures Delivered at the CISM international Center for Mechanical Science, Springer-Verlag, 1986项目的科学意义、学术价值、应用前景、解决什么前人尚未解决的问题并务必说明本人的创新之处及主要特色：1立论依据塑料由于其优良的加工和使用

28、性能在国民经济的各个领域得到了广泛的应用，目前我国塑料制品总产量已达年产3000 万吨并以8%10%的速度增长，注射成形是塑料工业特别是高性能塑料制品生产的最主要手段。据统计，世界塑料成形模具中约半数以上为注射成形模具，因此，研究并优化塑料注射成形过程以获得优质塑料制品具有十分重要的意义。塑料注射成形过程模拟属于机械、力学、化学、材料和计算机相交叉的新兴研究领域，它采用高分子聚合物注射成形的数学模型，借助于相应的数值计算方法，以计算机为工具，并通过实验验证模拟结果，分析模具型腔中塑料的流动、保压和冷却过程，预测制品的翘曲变形以及工艺条件、材料参数和模具结构对制品质量的影响，达到优化成形工艺参数

29、和模具结构的目的。近十年来，塑料注射成形过程模拟在模具和塑料加工中发挥出越来越大的作用，并取得了较大进展，其典型代表国外为澳大利亚Moldflow公司的模拟软件MF，它主要包括流动、冷却、应力和翘曲等分析模块，国内为华中科技大学模具技术国家重点实验室申请人所在的课题组开发的模拟软件HSCAE3D。尽管MF 和HSCAE3D 目前都能进行三维成形分析，但仅限于各向同性的均质聚合物材料，并且对成形中的一些重要特征和复杂现象，如分子的取向和松弛、结晶的形成和发展、制品的收缩和翘曲等聚合物形态及其引起的各向异性都无法进行有效的分析和预测。因此，现有的注射成形分析还只是制品/模具的可成形性分析，尚不能实

30、现成形制品的性能预测，而提高产品工作性能、控制制品收缩、减小翘曲变形等已成为当前提高成形质量的必然要求和关键问题。因此，如何形成能够对塑料制品性能进行定性及定量分析的高效数值计算方法并加以实验验证，是当前塑料注射成形领域中的一项艰巨而迫切的任务。一般而言，在材料选定之后，其在加工中形成并最后“冻结”在制品中的聚合物形态结构将是决定塑料注射制品使用性能的主要因素，因此研究外场条件下从塑料熔体开始的聚合物形态结构的形成、演化规律，及其对最终制品性能的影响关系，是实现有目的地经由成形加工设计、控制聚合物形态演化，充分发挥材料的潜在物理性能的必要条件，而合理构造聚合物形态的表征方法及其演化方程，是实现

31、成形制品性能预测的基本前提。同时，采用数值模拟手段能有效节约大量的人力物力和实验费用，特别是复杂加工条件下，通过实验手段预测和优化工艺条件难度太大，因此采用数值模拟手段研究聚合物形态演化以及成形制品的材料性能、发展塑料注射成形加工基础理论、开发高性能、复合、多功能、低成本及清洁塑料注射成形制品具有十分重要的意义。综上所述，聚合物成形过程模拟虽然已有相对成熟的方法，但着重于一般聚合物流、固体的分析，尚未全面考虑成形过程中聚合物形态演化及其对成形本身尤其是制品性能的影响。同时，对注射成形过程的介观与宏观尺度的模拟之间仍存在断层，缺乏行之有效的理论模型与衔接手段，还没有形成具有工程实用价值的模拟手段

32、。针对上述不足，本项目旨在建立聚合物形态演化模型及介观和宏观尺度无缝衔接的塑料注射成形过程数学模型，全面预测聚合物形态分布，基于均匀化方法，定量模拟注射成形制品性能，并通过实验予以验证，从而实现材料特性加工条件制品性能的关联。2主要特色及创新之处1) 将聚合物形态的影响因素结合到一般的固、流体本构方程中有利于充分利用本课题组在模拟方面已取得的研究成果，实现基于聚合物形态演化的注射过程三维模拟。2) 以均匀化方法为基本思路，充分考虑聚合物形态结构特征，实现宏观和介观尺度的无缝衔接研究塑料注射制品性能是一条崭新的思路，其实现方法在塑料成形研究领域中具有创新性。3) 以计算机模拟和物理模拟相结合所建

33、立的材料特性加工条件形态结构制品性能的全新关联模型有望推动聚合物加工学科的技术进步。拟采用的研究方法、实验方案、技术路线：1研究方法1) 注射成形过程中聚合物形态演化的模拟(1) 建立聚合物形态的表征模型。聚合物及其共混体系在成形中的形态主要包括分子的取向与松弛、结晶的成核与长大、分散相分布等。要在注塑成形模拟中考虑这些聚合物形态的演化，必须忽略这些形态结构的形貌细节，而着眼于其平均化效应。通过结晶度来表征聚合物结晶的程度，用诱导时间来表征其结晶成核过程，以取向度和取向张量来表征分子取向的程度和方位，分散相则通过第二相尺寸与分布函数来表征。通过这些表征参数（包括结晶度、诱导时间、取向度、取向张

34、量、二相尺寸及其分布函数等）在宏观有限元网格上的取值变化便能反映形态结构本身的特征及其宏观效应。(2) 建立聚合物形态演化方程及其对材料流变性能的影响模型。在塑料熔体阶段（充模和保压），非均匀瞬态温度场、流场与聚合物各形态结构之间相互作用，各形态结构经历形成、发展和演化的过程，同时也影响了塑料熔体的流变性能。拟采用高分子链取向与解取向双重过程的唯象方程来描述取向程度的演化；在非等温静态结晶的Nakamura模型的基础上，建立分子取向对缩短诱导时间的影响模型来考虑剪切诱导结晶；以经典的Cox理论、剪切形变理论、Tomotika理论等为基础，构造分散相液滴的形变、破裂和凝聚的唯象模型；通过改进传统

35、的Cross-WLF 粘度模型建立材料流变性能与结晶、分散相及取向度的关系；通过在能量方程中引入结晶热考虑结晶对能量分布的影响。(3) 成形过程中流场与形态演化的耦合计算。对于成形过程中的每一时间步，在宏观有限元计算获得流场的基础上，首先根据熔体温度分布和流动剪切应力计算各点处结晶诱导时间，同时由剪切应力的分布和非平衡热力学来计算各点处的取向度与取向张量、分散相演变，然后计算结晶度及其增长速度。而上述计算所得的形态分布反过来又影响到流场计算，需要根据形态分布修正材料的流变参数和能量方程，从而实现二者的耦合计算。(4) 有限元数值计算方法。根据塑料注射成形的特点获得成形过程的控制方程。在动量方程

36、中，由于应力和压力的导数阶数不一样，若速度、压力采用同次插值的Galerkin有限元方法计算时，会产生震荡，导致计算的不稳定，采用Pressure-Stabilizing/Petrov-Galerkin（PSPG）方法来抑制震荡。同样，在能量方程中，对流项的存在也容易导致计算的震荡，采用Streamline-Upwind/ Petrov-Galerkin（SUPG）格式来抑制震荡，提高计算精度。PSPG/SUPG 方法可以有效地提高计算效率、精度和稳定性。该方法为首次应用于塑料成形过程的模拟。2) 注射成形制品性能模拟(1) 均匀化方法。在成形模拟获得微结构分布的基础上，考虑到聚合物形态结构所

37、具有的局部近似周期性分布的特点，在宏观制品某一位置可认为材料是由包含有该形态结构的单胞在局部空间中周期性重复堆积而成的。单胞的尺度（介观尺度）相对于制品的宏观尺度来讲是很小的量，将基本的响应物理量（如应力、热流密度）进行宏、介观两种尺度的渐进展开，并将渐进展开式代入控制方程，针对控制方程采用摄动技术与匹配渐近展开法，就可以获得宏观与介观两种尺度集成的积分控制方程。在此基础上，首先通过单胞的介观尺度模拟来求解非均匀材料的局部等效物性参数，然后根据该等效物性参数求解相应宏观问题。这样，就将整个制品范围内的介观尺度模拟转化为若干个单胞范围内的介观尺度模拟问题，从而显著地节省了计算时间和存储容量，使现

38、有计算条件下的介观与宏观尺度集成模拟成为可能。(2) 单胞的介观尺度模拟模型的建立。塑料注射成形制品冷却后，聚合物形态结构“冻结”在制品中，介观尺度聚合物形态结构的表征包括较多的细节，如表征晶粒大小、晶体分布、相的取向等，这些“冻结”的聚合物形态结构决定了制品的力学性能和材料性能。本项目借助于单胞将介观尺度和宏观尺度的研究联系起来，用以预测塑料注射制品的性能，单胞应尽可能地反映聚合物形态结构的细节，同时，考虑到计算效率，也需要对聚合物形态结构进行适当的简化。(3) 数值分析方法的加速策略。在全局宏观有限元分析之前，先构造一系列具有不同介观尺度特征的单胞，这些单胞包含了可能形成的主要聚合物形态。

39、通过所构造单胞的介观尺度模拟，可以预先计算等效材料参数并存储在数据库中。这样，在已知聚合物形态参数的情况下（由初始条件来获得其初值），便可以通过插值来获得全局空间每一点处的等效材料参数，这种方法可以避免同时进行全局局域计算，因此不必在全局划分介观尺度的网格，从而显著地节省计算内存和时间。(4) 宏、介观集成模拟。在获得全局每一个单胞等效材料参数的基础上，通过全局的宏观有限元分析可以获得宏观物理场量分布，预测成形制品性能。2实验方案1) 塑料熔体流变特性的实验测试塑料注射过程模拟的预测精度除了数学模型和算法外，还取决于塑料熔体流变数据的准确性。为了开展塑料制品性能的研究，我们在2005 年12

40、月斥资58 万元购买了德国HAKKE 高性能流变测试系统，为建立常用塑料流变数据库创造了良好的条件。2) 对计算机模拟结果的验证通过塑料注射过程模拟可以预测制品成形过程中的压力分布、温度变化、结晶度、取向度和分散相，并可计算制品各方位的翘曲变形程度。为了验证模拟结果的正确性，需要开展一系列的物理测试。在注射成形实验中采用压力传感器来测量不同压力的变化曲线、采用差动变换器来测注射过程中螺杆位置的变化。在各种不同的工艺条件下，对成形试样切片进行热分析与光学分析，通过差示扫描量热法确定厚度方向上的绝对结晶度，并计算相对结晶度。采用光学显微镜测量皮层厚度和晶粒大小，采用光学偏振显微镜测定双折射来计算取

41、向度。采用精密量具来测量制品出模后不同方位的变形。研究工作的总体计划及目前进展情况：1总体计划1) 2006.32006.10(1) 建立聚合物形态的表征模型。(2) 建立聚合物形态在外场作用下的演化方程及其对外场的影响模型。(3) 推导出具有形态分布的成形制品介观与宏观尺度成形过程模拟相互衔接的数学模型。2) 2006.112007.8(1) 在塑料注射成形有限元分析基础上引入聚合物形态演化方程及其相应的流变本构方程，开发相应的模拟软件。(2) 在获得成形中所形成的聚合物形态分布的基础上，开发相应的介观、宏观集成模拟系统。(3) 集成注射成形制品材料性能预测软件。3) 2007.92007.

42、12(1) 建立注射成形实验装置并进行实验研究。(2) 将实验结果与模拟结果进行对比分析，验证原理和方法的正确性以及所开发系统的实用性。2目前进展1) 建立了产品的数字化模型；2) 通过材料试验建立了主要的国产材料数据库；3) 实现了三维真实感流动、保压、冷却、应力和翘曲模拟，建立了基于实体模型的注射成形模拟系统。现有条件（参加该项目工作的科研人员简况、仪器设备、实验材料、图书资料等）与尚缺的条件：课题组简介申请者所在的课题组从1985 年便开始了塑料成形模拟技术的研究，19871989 年获得国家自然科学基金的资助，从事塑料注射成形过程的模拟研究。1988 年率先在国内完成了塑料注射成形仿真

43、软件的原型系统，打破了西方先进工业国在该技术领域上对我国的垄断。在此基础上，先后于1989年完成了国家“七五”重点攻关项目“彩电模具CAD/CAE/CAM 系统”，1990 年完成了上海市重点攻关项目“小型精密、多腔注塑模CAD/CAE 系统”，1995 年完成了国家“八五”重点攻关项目“塑料注射模设计制造技术的研究”中的第四子项“注射模流动仿真和交互计算”，1996 年完成了高等学校博士点基金项目“智能化注塑成形质量分析”的研究。2002 年承担了国家十五科技攻关重点项目子项“工程塑料精密注射成形模具智能化设计技术研究”，开展注射成形模拟技术的实用化研究。2002 年完成了国家自然科学基金“

44、面向装配的塑料注射模设计方法研究”，在三维注射成形模拟研究方面取得了突破性进展。在此期间的研究成果多次获省部级科技进步奖，其中“塑料注射成形过程仿真系统的开发和应用”获2001 年中国高校科技进步一等奖和2002 年国家科技进步二等奖，同时该研究成果还被评为2002 年度中国机械工业科学技术五项重大进展之一，“材料成形过程模拟技术及其应用”获得2006年湖北省科技进步一等奖。经过多年的塑料注射成形模拟的研究，课题组对具有自由移动边界、非牛顿、非等温的聚合物熔体流动、保压、冷却和翘曲问题的数值分析进行了深入的研究，为本项目的研究奠定了坚实的理论基础，积累了宝贵的研发经验。已有仪器设备实验室配备的

45、可用于本项目研究的仪器设备主要有：成套的精密注塑成形实验设备和仪器，包括注塑成形机、压力温度传感器、数据采集与处理系统、力学性能综合测试仪等；德国HAKKE 高性能流变测试系统；注塑成形综合测试模具1套；8台计算机工作站和40余台高性能微机。主要科研人员简况参加本项目研究工作的有教授3人、高级工程师1人、讲师1人、博士生6人、硕士生15人。学术带头人李德群教授（博导）现为中国模协技术委员会CAD/CAM分会主任。李德群：男，1945 年8 月生。1968 年毕业于北京清华大学机械系。1980 年获华中科技大学塑性加工专业硕士学位。1986 年至1987 年在美国康乃尔大学和美国AC-Tech

46、公司从事塑料注射模CAE技术的研究，为AC-Tech 公司开发出第一代商品化冷却分析软件。回国后一直从事塑料成形计算机模拟和模具CAD/CAM 方面的教学和研究，现为华中科技大学模具技术国家重点实验室教授、博士生导师、塑料模CAD/CAM 研究室主任、中国模协CAD/CAM 技术分会主任、国务院学位委员会材料学科评议组成员。出版译著1 部、专著3 部、教材10 本、发表论文200 余篇。曾多次获得省部级科技进步一、二、三等奖，2002 年获国家科技进步二等奖，2006年获湖北省科技进步一等奖。张宜生：男，1951 年7 月生。1974 年毕业于华中科技大学机械系，留校工作。1989 年获华中科

47、技大学塑性加工专业硕士学位。长期从事塑性成形设备自动控制及模具CAD/CAM 的研究。现为华中科技大学模具技术国家重点实验室教授、博士生导师。撰写专著1 部，发表论文40 余篇。2001 年获中国高校科技进步一等奖，2002 年获国家科技进步二等奖。周华民：男，1974年7月生。2001年获华中科技大学材料加工工程专业博士学位。现为华中科技大学模具技术国家重点实验室教授、博士生导师，塑料模CAD/CAM研究室副主任。主持开发了基于双向关联模型的注塑成形三维真实感模拟系统，该系统为国内唯一的基于实体模型的注塑成形模拟系统，达到且部分超过当前的国际先进水平。在国内外重要学术刊物上发表论文80余篇，

48、包括在国际上首次发表的三维真实感成形模拟仿真方面的文章。2002 年获国家科技进步二等奖，2006年获湖北省科技进步一等奖。申请资助等级与金额 二 等，人民币 30000 元使用资助金的计划及用途：资助金的使用预算如下表：支出项目金额用途1实验费13000实验数据处理、委托外单位的测试2耗材费2000计算机外设等耗材3材料费7000实验材料费4资料费3000查新有关资料、网络费用5学术交流费5000参加学术会议、发表学术论文推荐人意见（请对项目的意义、具体内容、创新点、主要特色和取得预期成果的可能性，申请人的学术水平及研究能力等进行评价）：该项目以均匀化方法为基本思路，充分考虑聚合物形态结构特

49、征，实现宏观和介观尺度的无缝衔接研究塑料注射制品性能是一条崭新的思路，以计算机模拟和物理模拟相结合所建立的材料特性加工条件形态结构制品性能的全新关联模型在塑料成形研究领域中具有创新性，是一个很好的博士后科研项目。该项目立论依据明确，拟采用的研究方法、技术路线切实可行，经费预算合理，项目的开发平台和所有参与集成的软件均具有自主版权，理论水平高，应用前景好。申请者所在的课题组长期从事注塑成形CAD/CAE/CAM技术的研究，科研成果获奖多次。申请者本人科研素质好、创新能力强，在攻读博士学位期间做出了创新性的研究成果，有能力在博士后研究期间完成该项目的研究，取得预期成果。建议资助。推荐人姓名： 李建

50、军 职称： 教授（博导） 专业： 材料加工工程推荐人单位： 华中科技大学 签字或盖章： 2006 年 09 月 06 日注：填写推荐人姓名时，请正楷书写推荐人意见（请对项目的意义、具体内容、创新点、主要特色和取得预期成果的可能性，申请人的学术水平及研究能力等进行评价）：注塑制品在汽车、机电、仪表、化工等支柱产业和人民日常生活的各个领域中得到了日益广泛的应用，对注塑模的需求量正在迅猛上升。二十一世纪世界制造业的竞争更加激烈，对注塑产品与模具的设计制造提出了新的挑战。现有的注射成形分析还只是仅限于各向同性的均质聚合物材料制品的可成形性分析，对成形中的一些重要特征和复杂现象，如分子的取向和松弛、结晶的形成和发展、制品的收缩和翘曲等聚合物形态及其引起的各向异性都无法进行有效的分析和预测。该项目旨在建立聚合物形态演化模型及介观和宏观尺度无缝衔接的塑料注射成形过程数学模型，全面预测聚合物形态分布，基于均匀化方法，定量模拟注射成形制品性能，是一项很有必要意义的研究课题。申请者所在的课题组长期从事塑料模CAD/CAE/