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气辅挤出成型机理三维等温粘弹性数值模拟研究

作　者: 胡晨章
导　师: 周国发；谭志洪
学　校: 南昌大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 气辅挤出成型 粘弹性 数值模拟 异型材 挤出胀大 机理
分类号: TQ320.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要


气辅挤出成型的气-液多相分层流动本身存在着各分层界面应力之间的相互耦合，再加上与其滑移边界的作用耦合，使气辅完全滑移挤出流动成型过程具有特殊的流动输运规律和动力学特征。因此，气辅完全滑移挤出成型技术比传统挤出成型蕴含着更丰富、更复杂的研究内容。为此，本文对聚合物气辅完全滑移挤出成型的机理进行了研究，并系统研究了粘弹流变性能参数和工艺参数对气辅完全滑移挤出成型过程和挤出胀大与翘曲变形的影响规律，主要取得如下成果： (1) 针对气辅完全滑移挤出成型过程的特点，基于流变学和流体动力学理论，经合理假设，建立了描述气辅完全滑移挤出成型过程的全三维稳态等温粘弹性理论数学模型。为了便于建立理论模型的有限元理论模型，推导出Giesekus粘弹性本构模型方程沿各坐标方向的展开式。 (2) 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，通过采用罚函数法、Mini-element、EVSS法和SU法等稳态有限元离散技术，建立了聚合物粘弹性全三维等温气辅挤出成型的高效稳态的有限元数值模型，并提出了气辅完全滑移挤出成型挤出胀大自由表面的追踪方法。 (3) 通过数值模拟，研究了气辅完全滑移挤出成型的机理，分析了粘弹流变性能参数和工艺参数对气辅完全滑移挤出成型离模膨胀的影响规律，并与传统粘着挤出成型过程进行了定量对比。在此基础上，通过理论分析，揭示了二种挤出成型过程的离模膨胀的影响机理。此外，还系统研究了粘弹流变性能参数和工艺参数对异型材挤出成型过程离模膨胀和翘曲变形的影响规律。 (4) 通过传统粘着挤出成型与气辅挤出成型过程对比分析，研究结果表明气辅挤出成型可基本消除挤出成型中的挤出胀大和翘曲变形。因此这不仅可实现挤出制品尺寸的精确自动控制，而且还起到节能降耗的效果。同时，在口模设计上，解决了由于挤出胀大和翘曲变形引起的挤出口模难于设计的技术难题。此外，研究表明气辅挤出成型工艺尤其适用于异型材的挤出成型，且为挤出的高速化生产实现提供了技术前提条件。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章 绪论  10-24
  1.1 前言  10-11
  1.2 挤出成型技术  11-13
    1.2.1 挤出成型  11
    1.2.2 挤出成型工艺和设备  11-12
    1.2.3 挤出成型的优缺点  12
    1.2.4 挤出成型的发展趋势  12-13
  1.3 挤出胀大  13-20
    1.3.1 挤出胀大行为  13-14
    1.3.2 挤出胀大理论研究进展  14-18
    1.3.3 粘弹性挤出胀大的数值模拟研究进展  18-19
    1.3.4 材料参数及工艺参数对挤出胀大的影响  19-20
  1.4 气辅挤出成型  20-22
    1.4.1 气辅挤出成型原理  20-21
    1.4.2 气辅挤出成型设备  21
    1.4.3 气辅挤出成型的研究  21-22
  1.5 课题来源、研究意义及内容  22-24
    1.5.1 课题来源  22
    1.5.2 研究意义  22-23
    1.5.3 研究内容  23-24
第二章 聚合物气辅挤出成型的三维粘弹性理论模型  24-39
  2.1 基本控制方程  24-26
    2.1.1 连续性方程  24-25
    2.1.2 运动方程  25-26
  2.2 本构方程  26-30
    2.2.1 本构方程概要  26-27
    2.2.2 常用的微分型本构模型  27-30
      2.2.2.1.Upper Convected Maxwell模型  28
      2.2.2.2. Oldroyd-B模型(OB模型)  28-29
      2.2.2.3.White-Metzner 模型  29
      2.2.2.4.Phan Thien-Tanner模型  29
      2.2.2.5.Giesekus模型  29
      2.2.2.6.FENE、FENE-P和FENE-CR模型  29
      2.2.2.7.Pom-Pom模型及eXtended Pom-Pom模型  29-30
    2.2.3 本构方程的选择  30
  2.3 自由表面的追踪方程  30-31
  2.4 方程在欧拉坐标下的分解  31-37
    2.4.1 数值方法的概述与选择  31
    2.4.2 方程的分解  31-37
      2.4.2.1 连续性方程的分解  31
      2.4.2.2 动量方程的分解  31-33
      2.4.2.3 本构方程的分解  33-37
      2.4.2.4 应变速率张量方程的分解  37
  2.5 本章小结  37-39
第三章 理论模型的离散  39-53
  3.1 稳态有限元求解技术  39-41
    3.1.1 Mini-Element法  39-40
    3.1.2 罚函数法  40-41
    3.1.3 SU(Streamline Upwind)法  41
  3.2 边界条件  41-42
  3.3 理论模型方程的离散  42-51
    3.3.1 动量方程的离散求速度  42-45
      3.3.1.1 在X方向上  42-44
      3.3.1.2 在Y方向上  44
      3.3.1.3 在Z方向上  44-45
    3.3.2 压力场的求解  45
    3.3.3 本构方程离散求解应力场  45-50
      3.3.3.1 在XX方向上  45-47
      3.3.3.2 在XY方向上  47
      3.3.3.3 在XZ方向上  47-48
      3.3.3.4 在YY方向上  48-49
      3.3.3.5 在YZ方向上  49
      3.3.3.6 在ZZ方向上  49-50
    3.3.4 求解应变速率张量  50-51
      3.3.4.1 在XX方向上  50
      3.3.4.2 在XY方向上  50
      3.3.4.3 在XZ方向上  50-51
      3.3.4.4 在YY方向上  51
      3.3.4.5 在YZ方向上  51
      3.3.4.6 在ZZ方向上  51
  3.4 单元有限元方程汇集成整体有限元方程  51
  3.5 本章小结  51-53
第四章 方形口模挤出胀大全三维粘弹性数值模拟  53-79
  4.1 数值模型的验证  53-55
  4.2 本章有限元几何模型  55-57
    4.2.1 模型的几何形状  55-56
    4.2.2 模型的边界条件  56-57
    4.2.3 过程条件及材料参数  57
  4.3 方形口模挤出胀大的模拟研究  57-71
    4.3.1 粘度与挤出胀大  58-63
      4.3.1.1 进口流量控制下传统挤出  58-59
      4.3.1.2 进口压力控制下传统挤出  59-61
      4.3.1.3 进口流量控制下气辅挤出  61-63
      4.3.1.4 进口流量控制下粘着挤出与气辅挤出变量对照  63
    4.3.2 进口流量与挤出胀大  63-65
      4.3.2.1 进口流量与传统挤出  63-64
      4.3.2.2 进口流量与气辅挤出  64-65
    4.3.3 松弛时间与挤出胀大比关系  65-69
      4.3.3.1 松弛时间与传统挤出  65-67
      4.3.3.2 松弛时间与气辅挤出  67-69
    4.3.4 材料参数α与挤出胀大关系  69-71
      4.3.4.1 材料参数α与传统挤出  69-70
      4.3.4.2 材料参数α与气辅挤出  70-71
  4.4 方形口模挤出胀大的机理分析  71
  4.5 本章小结  71-79
第五章 异型材气辅挤出胀大的研究  79-98
  5.1 本章几何模型  79-80
    5.1.1 模型的几何形状和有限元网格  79
    5.1.2 模型的边界条件  79-80
    5.1.3 过程条件及材料参数  80
  5.2 异型材挤出胀大率与扭曲变形率的度量  80-82
    5.2.1 异型材挤出胀大率  80-81
    5.2.2 异型材挤出扭曲变形率  81-82
  5.3 异型材挤出胀大的模拟研究  82-91
    5.3.1 进口流量与异型材胀大和变形的关系  82-85
      5.3.1.1 传统挤出成型  82-84
      5.3.1.3 传统挤出与气辅挤出比较分析  84-85
    5.3.2 松弛时间与异型材变形关系  85-87
      5.3.2.1 传统粘着挤出  85-86
      5.3.2.2 气辅挤出  86
      5.3.2.3 粘着挤出与气辅挤出分析比较  86-87
    5.3.3 材料参数Xi与异型材变形关系  87-89
      5.3.3.1 传统粘着挤出  87
      5.3.3.2 气辅挤出  87-88
      5.3.3.3 粘着挤出与气辅挤出分析比较  88-89
    5.3.4 粘度比与异型材挤出变形的关系  89-91
      5.3.4.1 传统粘着挤出  89
      5.3.4.2 气辅挤出  89-90
      5.3.4.3 粘着挤出与气辅挤出分析比较  90-91
  5.4 本章小结  91-98
第六章 总结与展望  98-101
  6.1 本文的主要工作及结论  98-100
  6.2 展望  100-101
致谢  101-102
作者在攻读硕士期间发表的论文  102-103
参考文献  103-108

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 合成树脂与塑料工业 > 一般性问题 > 机械与设备
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