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POLYFLOW软件在挤出成型中的应用 麻向军 彭响方 文劲松 华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心 摘要 本文介绍了POLYFLOW软件的特点及其用于挤出成型过程数值模拟的优越性，并给出了POLYFLOW软件在挤出过程数值模拟的部分应用成果。 1 前言 挤出成型是聚合物成型加工的重要方法之一。由于聚合物成型过程中表现出的复杂的粘弹性行为，熔体在挤出机和模具中的流动行为非常复杂。目前主要采用数学解析和实验方法来研究。由于螺杆和模具的几何形状及熔体流变行为的本构方程非常复杂，采用数学解析法时往往要进行简化甚至仅对其局部进行研究，由此得出的结论在实际应用中受到一定限制。而实验研究方法不仅耗时耗力，而且许多重要的参数如速度场、压力场、剪切速率场等很难测量到。因此，目前无论是螺杆设计还是模具设计都带有很大的经验性，需要反复试制、反复试模才能得到合格的制品，生产周期长，难以满足市场竞争的需要。 随着计算机技术、计算流体力学、流变学等学科的快速发展，聚合物成型过程数值模拟技术得到了迅速发展，并出现了许多聚合物成型过程数值模拟的商品化软件，如POLYFLOW、FLOW2000、SCREW-FLOW等。这些软件在聚合物成型机械和模具的研究开发及生产中得到了广泛应用并取得了成功，使成型机械、成型模具的设计和开发周期大大缩短，性能得到显著提高，而开发成本大大降低。本文主要介绍POLYFLOW软件在挤出成型中的应用。 2 POLYFLOW软件在挤出成型中的应用 2.1 POLYFLOW软件简介 Polyflow软件是基于有限元法的用于粘弹性流体的模拟软件，1982年由比利时的Louvain大学开发，1988年成立了POLYFLOW公司，1997年被世界著名的流体分析软件公司FLUENT收购，目前必威体育精装版版本是3.10。 POLYFLOW软件由Polydata、Polymat、Polystat和Polyflow四个模块组成。其中Polydata模块是其前处理模块，用于设定计算的类型、物性参数、边界条件、求解方法等。Polymat模块除了存储材料库之外，还可以对实验数据按照用户指定的模型进行拟合。Polystat模块则用于计算分析加工过程中的共混效果。Polyflow模块是专门针对粘弹性流体的特点而开发的求解器，求解效率高，计算稳定。其主要特点是：（1）、可以求解的单元类型包括三角形和四边形面单元以及四面体、六面体、楔形体、金字塔等体单元，特别是在网格发生大变形的情况下，采用多种网格重新划分技术及局部网格加密技术，保证了计算精度。（2）、包含了牛顿流体、广义牛顿流体、粘弹性流体等多种经典流变模型，用户还可以通过二次开发来添加自己的模型。POLYFLOW软件可以和多种主流网格划分软件及后处理软件有良好的接口，其标准配置的网格划分软件是GAMBIT，该软件功能强大，适合于生成流体计算的网格，后处理软件是FLUENT/Post。 基于以上特点，POLYFLOW软件特别适合于聚合物成型加工、玻璃工业及食品行业中粘弹性材料的流动模拟。在塑料成型工业中的应用包括挤出成型、吹胀成型、拉丝、层流混合、涂层过程中的流动、传热和传质问题。 2.2 POLYFLOW软件在挤出口模设计中的应用 挤出口模的过渡区形状和流动平衡问题是挤出口模设计的重要目标之一。过渡部分的流道应尽可能平滑，使其呈流线型，以免物料在流道中停滞而发生分解。无论过渡部分截面如何变化，熔体在流出定型部分时在横截面上的各点在全程所受的剪切力最好相等。熔体在流出口模成型区时，每个管道内的平均速度应尽可能相等，即满足流动平衡。 对于断面复杂的口模特别是异型材口模，目前尚不可能靠简单的计算来设计口模的形状和尺寸，生产中往往需要靠反复的试模和修模来确定最终的口模形状和尺寸。对熔体在不同口模流道内的流动行为进行模拟，可以预测在给定工艺条件和几何条件下的温度、压力、速度及剪切应力、熔体停留时间等物理场量的分布，对提高模具设计质量有很重要的意义。 图1是某制品在口模出口的速度分布，（a）为原设计口模出口的速度分布，红色区域速度最高，兰色区域速度最小，可以看出，流体在口模出口的流动极不平衡。（b）为仅对原口模过渡部分修改后的口模出口的速度分布，可以看出，流体在口模出口的流动平衡得到很大改善。 （a） 原设计 （b）修改设计 图1 挤出口模出口断面的速度分布 在挤出成型中，挤出物的形状是挤出口模设计的另一个重要目标，而挤出胀大现象给具有形状和尺寸要求的模具设计带来了困难。此外，虽然制品的形状最终由冷却定型装置来决定，但若口模尺寸不合理，制品“强制”通过定型装置时会在制品中产生很大的内应力，影响制品的内在质量。因此，挤出胀大的数值模拟具有重要意