钢塑共挤模具复合成型段内拖动与压力流动数值模拟.pdfVIP

钢塑共挤模具复合成型段内拖动和压力流动数值 模拟 1 2 2 2 秦升学 , 赵国群 , 牟 , 许星明 玥 （1.山东科技大学机电学院，山东青岛，266510 ；2.山东大学模具工程技术研究中心，山东济南，250061 ） 摘 要：采用罚有限元方法建立了聚合物挤出的有限元模型，编写了有限元分析程序。对幂律型聚合物熔体在钢塑共 挤模具复合成型段内拖动和压力流动进行了数值模拟。通过求解动量方程和能量方程，获得了聚合物熔体在模具内的 速度场和温度场分布，研究了钢衬拖动速度变化对聚合物流动的影响规律，预测了可能的设计缺陷，给出了相应的改 进措施。实例分析给出了聚合物熔体在钢塑共挤模具复合成型段内成型的一般规律，模拟结果对于钢塑共挤模具工艺 和模具设计具有通用的理论指导意义。 关键词：钢塑共挤；有限元；数值模拟；幂律流体 挤出成型是塑料制品成型加工一种常用方法。 量方程和能量方程来表示。根据挤出工艺的特点， 钢塑共挤制品结合了塑料和金属各自的特点，显著 聚合物在模具内的流动假定为蠕流、稳态、非等温 提高了挤出型材的质量。当前，钢塑共挤制品正广 和不可压缩。由于聚合物的粘度很大，因此通常忽 泛于诸如汽车行业等众多领域[1] 。然而，钢塑共挤 略惯性力。流体主要的性能参数为常数：密度为ρ ， 工艺中金属与流动聚合物的复合使得模具设计变得 质量定压热容为 CP ，热导率为k ，则连续性方程、 复杂。 动量方程和能量方程可表示为： 由于钢塑共挤技术的新颖性和复杂性，当前的 ∇ ⋅ u 0 (1) 钢塑共挤模具和工艺设计缺少理论指导，在企业中 −∇p + ∇ ⋅ τ 0 (2) 仍采用经验设计和反复尝试与修改手段来获得合理 2 ρ C u ⋅∇T k=∇ T +φ (3) 的制品方式为主。计算流体力学（CFD ）技术具有 p 高效和节约成本等优点，因此被越来越多地广泛应 式中u 为速度矢量，p 为压力，τ为偏应力张量， 用于工业中的许多领域[2-6] 。数值模拟技术在充分考 T 为温度，φ 为耗散函数。 虑多种工艺因素的影响，如聚合物的粘度变化、温 广义牛顿流体的本构方程为 度影响、钢衬拖动速度变化等，同样可以很好地应 τ 2υd 用于钢塑共挤的工艺模拟分析[1] 。 式中d 为形变率张量，υ 为粘度。粘度对于剪切速 基于三维非等温粘性不可压缩流体稳态流动的 率的依赖关系选用幂律型关系表示，对温度的依赖 有限元分析，建立了钢塑共挤工艺数值模拟的模型 关系选用 Arrhenius 关系表示，则粘度可表示为 [7] 。采用罚有限元法求解动量方程，获得了速度场 υ υ exp[E (T =− T ) /(RT T )](II / 2)( n −1) / 2 (4) 的分布。采用 SUPG 技术求解能量方程，获得了温 0,ref r 0 0 Δ 度场的分布。采用幂律型流体考虑了粘度的变化，