学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

三维粘弹性多层共挤成型过程数值模拟研究

作　者: 郭吉林
导　师: 周国发
学　校: 南昌大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 共挤成型气辅共挤成型挤出胀大粘弹性数值模拟机理
分类号: TQ320.663
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 124次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

在共挤成型中,聚合物粘弹特性与过程参数波动的耦合作用会产生波动的挤出胀大,使得生产尺寸精确或形状复杂的聚合物多层共挤型材在工程上仍是一项技术挑战。共挤成型的多相分层流动存在着各分层界面应力之间的相互耦合,使得共挤成型的多相分层共挤流动成型过程具有特殊的流动输运规律和动力学特征,从而造成共挤成型的挤出胀大机理极为复杂。迄今为止,国内外有关共挤成型挤出胀大机理的研究报道却相当罕见。为此,本文基于粘弹性流体动力学理论和流变学理论,建立了聚合物共挤成型的三维等温粘弹性理论模型及其相适应的高效有限元数值算法,并通过数值模拟,系统研究了过程条件和聚合物流变性能参数对共挤成型离模膨胀的影响规律和影响机理,并基于这一研究,提出了一种基本能消除共挤成型离模膨胀的新型气辅共挤成型技术,并分析了其消除共挤成型离模膨胀的机理。主要取得如下成果:针对共挤成型及气辅共挤成型流动过程的特点,基于流变学和流体动力学理论,经合理假设,建立了描述共挤成型及气辅共挤成型流动过程的全三维稳态等温粘弹性理论数学模型,并推倒出便于有限元数值模拟的PTT粘弹性本构模型方程沿X,Y,Z坐标方向的展开式。针对粘弹本构方程、挤出胀大自由表面的追踪和控制方程的耦合易于导致数值解扩散和不稳定问题,通过Galerkin法、罚函数法、EVSS法、EVSS/SU法和Mini-Element法等混合有限元稳态离散技术,分别建立了与理论模型相适应的有限元数值算法,并基于这一研究,实现了共挤成型及气辅共挤成型过程的有限元数值模拟。通过数值模拟,系统研究了了粘弹流变性能参数和工艺参数对共挤成型离模膨胀的影响规律,通过理论分析揭示了共挤成型离模膨胀的机理。研究表明多层共挤成型的离模膨胀是由二次流动引起的,且芯壳层熔体及整体口模的离模膨胀取决于口模出口处二次流动强度的强弱,而口模出口处二次流动强度又正比于熔体的第一法向应力差。基于传统共挤成型的离模膨胀的机理研究,提出了一种能基本消除共挤成型离模膨胀的新型聚合物气辅共挤成型技术,并分析了其消除共挤成型离模膨胀的机理。研究表明气辅共挤成型的离模膨胀与口模气辅段进口处的二次流动的强弱成正比,其离模膨胀基本不受熔体粘弹流变性能的影响,使同一口模适用不同聚合物材料成型。气辅共挤成型技术不仅可实现挤出制品尺寸的精确自动控制,而且还起到明显的节能降耗的效果。同时,在口模设计上,解决了由于传统共挤技术离模膨胀引起的挤出口模难于设计的技术难题。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-29
  1.1 共挤成型技术在工业中的应用  13-17
    1.1.1 吹膜共挤出  13-14
    1.1.2 平膜(板)和流延膜共挤出  14-15
    1.1.3 PVC芯层发泡复合板材共挤出  15-16
    1.1.4 片材共挤出  16
    1.1.5 异型材共挤出  16-17
  1.2 共挤成型设备及共挤口模的设计  17-21
    1.2.1 共挤成型设备  17-20
    1.2.2 共挤口模的设计  20-21
  1.3 共挤成型的理论研究进展及影响因素分析  21-25
    1.3.1 挤出胀大理论研究进展  21-24
    1.3.2 共挤胀大的影响因素分析  24-25
  1.4 共挤成型数值模拟研究存在的问题与展望  25-27
    1.4.1 存在的问题  25-26
    1.4.2 研究展望  26-27
  1.5 本文选题依据和主要研究任务  27-28
  1.6 本章小结  28-29
第2章聚合物三维粘弹性等温多相分层共挤成型的机理模型  29-47
  2.1 聚合物三维粘弹性等温共挤成型流动数学模型  29-33
    2.1.1 基本假设  29
    2.1.2 边界条件  29-31
    2.1.3 控制方程  31-33
  2.2 聚合物熔体的本构模型  33-36
  2.3 本构模型的分解  36-44
  2.4 界面及自由表面的追踪  44-46
  2.5 本章小结  46-47
第3章理论模型有限元离散  47-68
  3.1 数值方法及选择  47-51
  3.2 理论模型方程的离散  51-66
    3.2.1 连续性方程的离散  52-53
    3.2.2 运动方程的离散  53-58
    3.2.3 本构方程的离散  58-64
    3.2.4 应变速率的离散  64-66
  3.3 整体有限元方程的组装  66-67
  3.4 本章小结  67-68
第4章流量控制下聚合物共挤成型挤出胀大的数值模拟及机理研究  68-104
  4.1 数值模拟条件  68-69
  4.2 数值模拟及机理研究  69-102
    4.2.1 进口流量Q对共挤成型的影响及机理研究  69-77
    4.2.2 粘度η_0对共挤成型的影响及机理研究  77-83
    4.2.3 松弛时间λ对共挤成型的影响及机理研究  83-89
    4.2.4 材料参数ξ对共挤成型的影响及机理研究  89-93
    4.2.5 材料参数ε对共挤成型的影响及机理研究  93-98
    4.2.6 材料参数粘度比η_r对共挤成型的影响及机理研究  98-102
  4.3 本章小结  102-104
第5章流量控制下聚合物气辅共挤成型挤出胀大的数值模拟及机理研究  104-120
  5.1 几何有限元模型  104
  5.2 数值模拟条件及材料参数  104
  5.3 数值模拟及机理研究  104-118
    5.3.1 进口流量Q对气辅共挤成型的影响及机理研究  104-111
    5.3.2 粘度η_0对气辅共挤成型的影响及机理研究  111-115
    5.3.3 松弛时间λ对气辅共挤成型的影响及机理研究  115-118
  5.4 本章小结  118-120
第6章总结与展望  120-124
  6.1 本文结论  120-123
  6.2 本文展望  123-124
致谢  124-125
参考文献  125-132
攻读学位期间的研究成果  132

三维粘弹性多层共挤成型过程数值模拟研究

内容摘要

全文目录

相似论文