压片机头流道的速度场

1、压片机头流道的速度场、压力场和剪切率的分布研究吕柏源，刘尧（青岛科技大学 山东青岛 ）摘要：本文在充分分析前人研究成果的基础上，通过应用适合对粘性和粘弹性的流体进行流动问题模拟的POLYFLOW软件，以短纤维橡胶压片机头为例，对其挤出机头流道进行了三维建模，对流道中熔体的压力、速度温度进行模拟计算，研究了熔体流动的特点，得出了一些规律性的结论。 最后，本文还通过改变流道的几何参数和入口流量，讨论了几何参数和流量因素对短纤维橡胶压片机头流道内压力场、速度场及温度场的影响1。关键词：压片机头；POLYFLOW；速度场；压力场；剪切率中图分类号：前言随着人们对高分子制品需求的增加以及对其质量要求的提

2、高，相应的对挤出设备、机头的要求也越来越苛刻。然而，传统的依靠经验设计的方法会造成成本的增加和制造周期的延长。近些年来，随着机头设计的CAE技术的快速发展，人们能够对口模中熔体的流动情况进行数值模拟，预测几何参数、工艺条件以及挤出结果之间的规律性关系，再结合一些经验性的设计手段，可以大大提高机头设计的效率与品质。 1 有限元思想概述有限元方法的基本思想是：将整体结构离散化，单元之间通过有限个节点相互连接，然后通过对这些容易分析的单元来表示复杂的对象，然后根据变形条件综合求解 2 3。2 建立几何模型及其有限元网格划分 POLYFLOW所需要建立的有限元网格,通常用其前处理器 GAMBIT建立，

3、 对于几何形状简单的模型可以直接在 GAMBIT中建立其几何模型并对其进行网格划分。对于几何形状复杂的模型可以先用CAD建模软件( 如UG,Proe等，本次模拟采用Inventor建模) 来建立几何模型, 然后将其存为一定格式的文件( 如 IGES文件) ，最后将其导入属于Ansys12.1 Workbench中的fluent polyflow对其进行修改和网格划分。尺寸和形状见图1，网格划分5如图2所示：图1 模型Fig.1 Mode3 建立数学模型 该制品选用低密度聚乙烯，由于聚合物熔体流动状态的复杂性，因此难以精确描述其流动行为，现做如下简化和假定： ( 1 )聚合物熔体是不可压缩的非牛

4、顿流体； ( 2 )聚合物熔体在捏合块流道中是稳定的层流流动 ； 图2 网格Fig.2 Mesh( 3 )由于聚合物熔体的高粘性，忽略惯性力和重力； ( 4 )聚合物熔体在流道中全充满。 描述流场的连续性方程、运动方程和能量方程为4：在以上假设条件下， 描述流场的连续性方程、 运幂律模型通常用来描述高剪切速率聚合物流体，因此本文采用幂律本构模型Power模型： =k ( )n-1 其中，为黏度；k为黏度系数；为松弛时间；为剪切速率;n为非牛顿指数。4 建立分析任务 4.1 构建任务 渐变模型应用于流动参数导致非线性而存在收敛问题的模型， 它通过一种连续设置功能使得流动参数从一个初值向满意的值逐

5、渐接近。逆向挤出功能中， 因为设置口模壁面的滑动边界条件时，动态方程引入的非线性使得模拟过程难以收敛，所以要对滑动系数采用渐变法，以促使模拟过程的收敛。故采用三维渐变有限元模型。 4.2 选择任务模型 POLYDATA子任务模型包括Generalized Newtonian isothermal flow problem、Heat conduction problem、Darcy isothermal flow problem、Potential problem等，根据不同流体选择相应的模型。本文主要分析广义牛顿流体， 因而采用等温广义牛顿流动模型Generalized Newtonian i

6、sothermal flow problem。43选定任务区域计算区域如图3所示。4.4设置材料参数 图3 计算区域Fig.3 Selection of calculation zone常用的材料参数包括黏度对剪切速率和温度的依赖关系、多孔介质和流动黏度、 微分和积分黏弹性模型、密度、惯性项、热膨胀系数、热传导、单位质量热容、 黏性发热、重力和平均温度等。本文采用黏度对剪切速率依赖性模型(幂律本构模型)，设定零剪切黏度系数 k为 30PaS，松弛时间A为1S，非牛顿指数 n为0.75。4.5定义边界条件 常用的边界类型包括接触面、 施加法向速度和切向速度、 施加法向力和切向力、 施加法向力和切

7、向速度、施加法向速度和切向力、滑动边界、对称面、流动入口、流动出口、自由表面、 施加体积力、施加迪卡尔速度等.本文的边界条件如图3所示，各边界条件说明如下。Boundary 1：流动入口Inflow。流动为 Fully developed形式，设体积流速Q=1ms。Boundary 2：口模壁面，选取vn=0,vs=0。Boundary 3 ： 流动出口Outflow。 完成以上各项设置后， 选择输出格式为 Fluent和iges files保存退出。 生成解决问题所需data文件。然后运行POLYFLOW对所设置的问题进行求解，并察看分析过程的列表文件，确定分析是否收敛和达到预定的精度要求。

8、若不收敛或者未达到预定的精度要求，分析其原因，同时可以参考专家系统所提建议，重新打开data文件对所定义的问题进行修改，然后再次运行 POLYFLOW进行求解。5 结果分析 运行 POLYFLOW的后处理模块CFD post来显示POLYFLOW计算生成的分析结果。5.1 流体速度分布 图4 速度矢量及部分截面速度分布Fig.4 Velocities vector & Cross-section speed distribution显示流体速度矢量图如图4所示。可以看出， 分流梭的作用相当明显， 并且在口模入口处， 速度是完全发展的， 从口模流出后， 速度逐渐均匀。但是口模出口处速度仍不理想如

9、图5所示。因此可以根据口模处的速度分布以作为进行口模修改的重要依据。 图5 口模处速度Fig.5 Velocities of outlet5.2 流体压力分布机头内部流道压力如图6所示，从入口进入机头后压力递减，在出口处最低。从图中分流梭位置可以看出分流梭部分压力降差较大，因此可以通过绘图软件Inventor对其高度和大小进行调节。5.3 流体剪切率分布从图7得知分流梭对物料具有强烈的剪切作用，这在设计分流梭时可以用来进行参考。 图6压力分布 图7剪切率分布 Fig.6 Pressure distribution Fig.7 Shear rate distribution6 结语 本文 以一种简单片型材为例，详细描述了POLYFLOW模拟压片机头流道的速度场、压力场和剪切速率场的分布， 展示POLYFLOW在聚合物挤出口模设计过程中的作用， 能够为口模形状设计提供科学依据口。利用该软件可以减少凭经验修模的次数， 缩短开发周期，降低成本，并且提高了口模设计一次性成功率。参考文献：1杨佳黎，黄兴元，蒋发梅.POLYFLOW逆向挤出功能在挤出方型物口模设计中的应用. 南昌大学学报(工科版), Vo,1,32 No.4，De c.20102钱欣，许王定，金杨福. POLYFL