逆向挤出在木塑异型材挤出口模设计中的应用

作者：薛平 赵永生 王哲 徐志娟    来源：PT现代塑料

欢迎访问e展厅 展厅 2 塑料挤出机展厅 片材生产线, 单螺杆挤出机, 双螺杆挤出机, 板材生产线, 木塑挤出机, ... 在聚合物加工领域中，挤出成型是一种非常重要的加工手段，而挤出口模对制品的质量有很大的影响。通过传统的试错法来设计挤出口模，主要依靠设计人员的经验和直觉，缺乏科学依据，具有很大盲目性，使得模具生产周期长，成本高，而且质量也难以保证。目前国内对于挤出口模设计的研究多集中在截面形状较简单的型材上，对于截面形状复杂的异型材，因其挤出口模的多样性以及口模构型和口模内熔体流动的复杂性，使得其口模的设计理论还很不成熟。而近十多年来，国外越来越多的研究人员将计算流体动力学（CFD）软件用于挤出成型口模的数值模拟，其研究成果极大地促进了聚合物工业的发展，POLYFLOW就是其中常用的CFD模拟软件之一。 POLYFLOW是采用有限元法主要针对粘性和粘弹性的流体进行流动问题模拟的CFD软件，其基本的程序结构如图1。作为FLUENT的一个组件，它具有强大的解决非牛顿流体及非线性问题的能力，且其具有很多种流动模型，可以解决聚合物、食品、玻璃等加工过程中遇到的多种等温／非等温、两维／三维、稳态／非稳态的流动问题，可用于挤出、吹塑、热压等各种成型方法的模拟计算。 由于POLYFLOW软件能够处理带有自由表面的流动问题，因而被大量地用来研究聚合物熔体的挤出胀大现象。此外，在给定挤出物的截面形状后，POLYFLOW还能通过其“逆向挤出”（inverseextrusion）功能，模拟分析口模的尺寸。在口模设计过程中，为了得到需要的制品形状，要预先设计口模形状，而不是对于给定的口模来设计制品形状，这就涉及逆向挤出问题。其基本过程就是在确定制品形状后，用POLY-FLOW的重新生成网格的功能和渐变法对制品自由表面和口模内的固定部分及自适应部分进行设定，并对其进行反复迭代计算以得到合适的口模形状和尺寸。下面以工字型制品的挤出口模设计为例，介绍POLYFLOW逆向挤出在口模设计中的应用。 1、数学模型的建立 根据机头流道的特点和聚合物的特性，作出如下假设：流体为非牛顿粘性流体，其流变特性满足幂律方程；高聚物熔体的雷诺数都比较小，可以认为熔体在机头内的流动为层流；认为是稳定流场，即流场的分布于时间无关；惯性力和重力等体积力远远小于粘滞力，可以忽略；流体为粘性不可压缩流体；流场为等温场。 根据高聚物熔体在加工过程中具有的连续性和动量守恒，再结合以上假设，就可以建立机头内部流动的数学模型。 2、几何模型的建立及其网格划分 POLYFLOW所需要建立的有限元网格，通常用其前处理器GAMBIT建立，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SOLID-WORKS,PRO/E等）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GAMBIT中对其进行修改和网格划分。在建立几何模型时，可以根据模型的结构形状及分析结果的要求对模型进行简化，如轴对称的三维模型，如果分析结果允许，可以只分析轴截面，从而将三维问题简化为二维问题，可以大大节省分析时间和成本；对于面对称的模型可以只分析它的一半，由一半的结果通过对称得到整个面的结果。模拟的工字型口模流道，其截面尺寸和形状见图2。 由于图2中零件的结构比较简单而且存在两个对称面，所以直接在GAMBIT中建立其几何模型并对其四分之一进行网格划分，得到7552个六面体单元，并设定其边界及区域类型。 3、分析任务的建立 划分完模型的网格后，将其存为mesh文件，并导入POLYDATA中，在POLYDATA中设置、分析任务的物理模型、材料特性和边界条件等。 3.1任务的选择 在POLYDATA中任务的选择包括任务性质的选择、几何模型的选择和模拟类型的选择。其中，任务的性质包括有限元任务和混合任务。混合任务主要用来分析流体轨迹，对流动进行统计分析。除了混合任务其余都可以选择为有限元任务。几何模型的类型包括2维平面对称模型（在2维迪卡尔坐标系下描述2维速度场）、2维轴对称模型（在2维柱坐标系下描述2维速度场）、2.5维平面对称模型（在2维迪卡尔坐标系下描述3维速度场）、2.5维轴对称模型（在2维柱坐标系下描述3维速度场）和3维几何模型。模拟的类型包括稳定状态、时间依赖和渐变的模型。渐变的模型应用于由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渐接近。本例中因为设置口模壁面的滑动边界条件时，要对滑动系数采用渐变法，同时因为所建模型为3维模型，所以这里采用3维渐变有限元模型。 3.2子任务的选择 在POLYDATA子任务的选择中包括子任务模型的选择、子任务区域的选定、材料参数的设定、边界条件的设置、重新生成网格设置等。 3.2.1子任务模型的选择 POLYDATA中可用的子任务模型包括广义牛顿流动问题、达西流动问题（多孔介质）、热传导问题和粘弹性流动问题。根据相应的流体和要解决的问题，选择相应的模型。因为主要分析的是广义牛顿流体，因而采用等温广义牛顿流动模型。 3.2.2子任务区域的选定 为了能够对自由表面和口模滑动壁面分别应用重新生成网格技术，以实现对口模形状的精确描述，计算区域被分成了两个子区域，即口模外存在自由表面的挤出物区域和口模内存在滑动壁面的流体区域。因为在考察的问题中两个区域都涉及到，所以选定这两个区域为子任务的区域。 3.2.3材料参数的设定 材料参数常用的选项包括粘度对剪切速率的依赖关系、粘度对温度的依赖关系、多孔介质和流动粘度、微分粘弹性模型、积分粘弹性模型、密度、惯性项、热膨胀系数、热传导、单位质量热容、粘性发热、重力和平、均温度等。因为假设流场为等温流场且不考虑重力及惯性力的影响，所以只需要定义粘度对剪切速率的依赖关系，选择幂律本构方程，并设定其稠度为30，幂律指数为0.75。 3.2.4边界条件的设置 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、施加法向力和切向速度、施加法向速度和切向力、滑动边界、对称面、人口流动、出口流动、自由表面、施加体积力、施加迪卡尔速度等。在对计算区域入口采用体积流率，Q=80cm3/s,速度曲线设为有POLYFLOW自动确定；出口区域设为所受切向力及法向力为0；口模壁面设为滑动边界，因为动态方程引入的非线性使得模拟过程难以收敛，所以对滑动边界的滑动系数采用渐变法，以促使模拟过程的收敛；口模以外与空气接触的壁面设为自由表面；最后设置2个对称面。 3.2.5重新生成网格的设置 重新生成网格技术适用于存在自由表面或移动界面的问题，网格的一部分会因为自由表面或移动界面位置的变化而受到影响，这项技术的功能是根据边界各点位置的变化重新定义内部的点。POLYFLOW中常用的生成网格技术包括Thompson转换法（适用于2维和3维流动问题）Spines法（适用挤出、注射等问题）、Euclidi-an法（适用于2维流动）、薄壳法（适用于吹塑和热成型）以及优化网格（适用于3维挤出问题）等。因为模型中存在自由表面，它的位置是未知的，所以要对自由表面采用重新生网格技术。同时因为模拟任务为逆向挤出问题，靠近出口区域的口模壁面位置是变化的，需要将其设为动态壁面，所以也要对口模壁面采用重新生成网格技术。这里对两处局部重新生成网格区域均采用针对三维挤出的网格重新生成技术。 完成以上各项设置后，保存退出，生成解决问题所需data文件。 4、问题的求解 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。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POLY-FLOW进行求解。 5、查看分析结果 分析成功后，运行FLUENTPost,查看分析结果。用2个对称面镜像模拟结果，得到模拟所得的口模形状及其相应的制品形状。模拟所得的口模形状能够为生产出合格的模具提供有价值的参考。如果需要根据模拟结果进行下一步设计，可以用图形显示中查看口模形状的坐标值，或者将其存为文本文档进行查看。如果还要对所得口模进行进一步的计算机辅助设计和数控加工，可在任务设置的输出设置中选中输出IGES格式，然后将IGES格式文件导入CAD软件进行处理。 6、结语 详细描述了POLYFLOW模拟工字型制品口模形状的过程，展示POLYFLOW逆向挤出功能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，大大缩短口模生产周期并降低其成本，而对于形状复杂的异型材和变形严重的发泡异型材，其意义则更为重大。(end)

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