分隔板结构对挤出流动影响的数值分析

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【作者】 刘斌  江开勇  郑清娟  王敏杰 

【关键词】挤出模 数值分析 流动平衡 分隔板 

【出版日期】2005-04-10

【摘要】采用有限元数值分析方法,分析了分隔板结构对挤出流动平衡性的影响,指出其调节流动均匀性的效果是非常明显的,对于型材截面上相邻区域壁厚相差悬殊的情况,采用分隔板结构是减小横向流动、提高挤出流动均匀性的最有效措施之一.针对分隔板有限元建模困难问题,提出了用边界约束条件替代模具结构几何特征的方法,其分析结果和采用真实分隔板结构时的分析结果基本一致,说明所采用的处理方法是合理的、有效的,能够大大降低有限元建模的困难性,提高分析效率和速度.

【刊名】大连理工大学学报

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0 引 言挤出流动的均匀性和平衡性是挤出模设计的基本原则之一,是保证制品质量的前提和基础[1、2].模头流道内横向流动是模头设计的困难所在,因此,横向流动最小化是优化挤出模头流道设计的主要指标[3~6].这样可以使无法完全控制的各种工艺条件波动所造成的料流不稳定、对型材尺寸和性能的影响减至最低程度.采用分隔板结构是减小横向流动的有力措施,能够显著提高挤出流动均匀性,改善制品质量.但国内外在这方面的研究还比较少[7、8].本文采用有限元数值分析方法,定量分析研究分隔板结构对挤出流动的影响规律,并针对分隔板结构特点和有限元分析要求,提出用约束替代来虚拟设置分隔板结构几何特征的方法,解决其有限元建模和网格划分困难问题.1 分隔板结构对于型材截面上相邻区域壁厚相差悬殊的情况,其流动平衡性很难依靠调节模具结构参数的方法达到.工程上经常采用的方法是,在两股差别很大的料流之间或在容易引起料流汇集的部位,设置一块很薄的分隔板,如图1所示[2].分隔板一般从压缩段入口开始,在模头出口前不远的一段距离内终止,让两股熔体料流再次完全融合.分隔板的存在,使相邻两股料流单独流动,避免了它们之间的互相影响和干涉,其流动环境变得较为一致,从而提高了挤出流动的均匀性.(a)在两股差别很大的料流之间(b)在容易引起料流汇集的部位图1 在模头流道中设置分隔板Fig.1 Flowseparationconfigurationinextrusiondiechannel2 有限元分析2.1 数学模型聚合物挤出流动是一种特殊的熔体流动,但仍属于流体分析的范畴.分析聚合物熔体在挤出口模内的流动,同对其他流体的流动分析一样,都是以质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律为基础的.流动还要符合规定物料行为的流变状态方程——本构方程,满足个别问题的边界条件.连续性方程: vx x+ vy y+ vz z=0(1)运动方程: p x=η 2vx x2+ 2vx y2+ 2vx z2(2) p y=η 2vy x2+ 2vy y2+ 2vy z2(3) p z=η 2vz x2+ 2vz y2+ 2vz z2(4)本构方程:τ=η(γ).γ=k.γn-1.γ(5)2.2 材料物性参数和边界条件本文以大型通用有限元分析软件ANSYS作为分析平台,以其参数化建模语言APDL对模具流道进行三维参数化建模[9].采用Fluid142三维单元对流道进行网格划分,考虑熔体流动特性,在熔体与模壁接触的边界层细分单元.材料密度为1140kg/m3,流变特性采用幂律模型,在180℃时熔体的名义粘度为22700Pa.s,幂律指数n为0.42[10].依据壁面无滑移原则,除掉模头入、出口截面外,其余熔体与模具分界面上速度各个分量都为0.根据一般加工条件,设入口压力为18MPa,出口压力为0,以101325Pa作为参考压力.以热力学温度0K为参考温度,加工温度为453K(180℃).2.3 分隔板结构的有限元模型分隔板的主要作用就是使两股料流分开,不使其相互影响,由于分隔板的体积相对来说很小,建立分隔板的几何模型比较容易,但建立其有限元模型并对其进行网格划分则很困难.为了解决这一问题,本文根据分隔板自身功能特点,结合有限元分析要求和ANSYS软件的建模方法,提出一种用边界约束替代分隔板几何特征的方法.其具体做法是,首先对两股不同的料流分别建立其三维体积流道模型,并且不对两部分流道体积块实行布尔和运算,即在两者之间保留分界面;然后在施加边界约束时,对这一分界面施加无滑移速度边界条件,相当于在两股料流之间加入了一块厚度为0的分隔板.为了分析方便,本文暂时让分隔板一直延伸到模头出口处,如图2所示.这样做虽然对挤出流动平衡性指标的绝对值有影响,但并不影响其基本的规律.图2 分隔板结构的简化表示Fig.2 Simplifiedmodelofflowseparation  本文以图3所示的十字形截面型材为例,研究分隔板对挤出流动的影响.型材截面分为4个子区域,其中支脚1部分的壁厚为1.6mm,其余3个支脚的壁厚均为3.0mm;4个支脚的长度均为12.0mm.为讨论问题方便,型材截面中4个支脚的长度取得比较大.图3 十字形截面型材Fig.3 Sectiondistributionofcrisscrossprofile  在命令流程序编写过程中,通过判断一个参数值的真假(1或0)来决定是否对分界面添加无滑移速度边界条件.如果设置这个参数值为1,则施加无滑移速度边界条件,即考虑分隔板的影响;如果设置这个参数值为0,则不施加约束,即不考虑分隔板的影响.命令流程序如下:……ASEL,ALLASEL,U,LOC,Z,0ASEL,U,LOC,Z,LZ*IF,FLAG,EQ,0,THEN!判断是否采用分隔板结构 ASEL,U,FACENUMBER!选择分界面*ENDIFNSLA,S,1!无滑移速度边界条件D,ALL,VXD,ALL,VYD,ALL,VZ……3 结果分析与讨论在讨论分隔板结构对挤出流动均匀性的影响之前,首先定义一个挤出流动均匀性指标U,作为研究模具结构对挤出流动均匀性和平衡性影响的一个评判标准.设型材截面根据几何结构分布,可以分为M个子区域,以口模出口处各个子区域上的平均流动速度对出口截面上的总体平均速度的均方差来表达流动的非均匀性[9].相应地,流动均匀性可以定义为U=1-∑Mj=1vj(φ)v-12(6)式中:vj为口模出口截面处第j个子区域上的平均流速;v为熔体在口模出口截面上的平均速度;φ为设计变量组.这样,就可以通过U来评判模具结构的改变对挤出流动均匀性和平衡性的影响.没有采用分隔板时,由于截面壁厚相差过于悬殊,流动非常不均匀,图4(a)为这种情况下的模头出口处速度分布情况.从图中可以明显看出,支脚1子区域的平均流速非常低,料流几乎全部集中在其他3个子区域,流动均匀性指标U只有2.54%.作者曾试图采用改变压缩段和平直段参数的办法来达到流动平衡,但分析结果显示,这种方法在工程允许的范围内是行不通的.(a)无分隔板压缩比一致(b)有分隔板压缩比不一致(c)有分隔板压缩比一致图4 模头出口处的速度分布Fig.4 Outletvelocitydistributionofextrusiondie  图4(b)和(c)为采用分隔板后模头出口截面处速度分布情况,和图4(a)相比,其变化是非常大的.图4(b)中,支脚1子区域的压缩比为2.31,大于其他3个子区域的压缩比2.00,其平均流动速度也大于其他区域的平均流动速度,挤出流动均匀性指标为68.07%.图4(c)在采用分隔板的情况下,减小支脚1子区域的局部压缩比,使其和其他区域的压缩比一致,挤出流动均匀性指标变为97.38%.图4(b)和4(c)的差别本身也说明了分隔板的作用,因为在没有分隔板的情况下,整个流道是一个整体,截面各个子区域之间是相互影响的,流道狭窄处的熔体因流动阻力大必然向阻力小的流道宽敞处流动;对于整体流道,压缩段参数的改变对挤出流动的影响不是很大,而在采用分隔板以后,由于两股熔体单独流动,压缩段参数的改变对挤出流动的影响是非常明显的,说明在采用分隔板的前提下,可以通过调节压缩段参数使流动平衡.在图4(c)中,两股熔体性质一样,所处外界环境也一致,因而其流动行为也一样,整体的流动平衡性得到满足.这也说明采用分隔板结构是减小横向流动的有力措施.在没有分隔板的情况下,流道截面面积对挤出流动的影响是很明显的,见图4(a).但在采用分隔板之后,截面面积对挤出流动的影响变得不是很明显,这说明在截面壁厚相差悬殊时流动不平衡主要是因为两股相差悬殊的相邻料流之间的相互作用引起的,在分隔板使相邻料流单独流动后,它们之间不再相互影响,在截面周长一定的情况下,截面面积的影响减弱了.为了验证本文方法的正确性和准确性,采用真实的分隔板结构对挤出流动进行分析.图5为采用分隔板结构后流道结构图(压缩段以后部分),注意这里给出的是流道结构,不是模具结构.在有限元网格划分时一定要把分隔板两端处细化.图6为分析后,模头出口处的速度分布,基本上和图4(c)一致,其U为95.13%,比图4(c)稍低,说明本文方法是合理有效的,能够大大降低有限元建模的困难性,提高分析效率和速度.图5 添加分隔板的流道模型Fig.5 Channelmodelofaddingflowseparation图6 采用真实分隔板结构时的速度分布Fig.6 Velocitydistributionofusingactualflowseparation4 结 论(1)分隔板结构调节流动均匀性的效果是非常明显的,对于型材截面上相邻区域壁厚相差悬殊的情况,采用分隔板结构是减小横向流动、提高挤出流动均匀性的最有效措施之一.由于分隔板的存在使相邻料流单独流动,压缩段参数对挤出流动的影响也变得更加明显,说明在采用分隔板的前提下,可以通过调节压缩段参数使流动平衡.(2)在截面壁厚相差悬殊时,流动不平衡性主要是因为两股相差悬殊的相邻料流之间相互作用引起的,在分隔板使相邻料流单独流动后,它们之间不再相互影响,在截面周长一定的情况下,截面面积的影响减弱了,这有别于金属挤压成形.(3)所提出的用约束替代来虚拟设置分隔板结构几何特征的方法,能够大大降低有限元建模的困难性,提高分析效率和速度.分隔板结构对挤出流动影响的数值分析@刘斌$华侨大学模具技术研究中心!福建泉州 362011 @江开勇$华侨大学模具技术研究中心!福建泉州 362011 @郑清娟$华侨大学模具技术研究中心!福建泉州 362011 @王敏杰$大连理工大学模具研究所!辽宁大连 116024挤出模;;数值分析;;流动平衡;;分隔板采用有限元数值分析方法,分析了分隔板结构对挤出流动平衡性的影响,指出其调节流动均匀性的效果是非常明显的,对于型材截面上相邻区域壁厚相差悬殊的情况,采用分隔板结构是减小横向流动、提高挤出流动均匀性的最有效措施之一.针对分隔板有限元建模困难问题,提出了用边界约束条件替代模具结构几何特征的方法,其分析结果和采用真实分隔板结构时的分析结果基本一致,说明所采用的处理方法是合理的、有效的,能够大大降低有限元建模的困难性,提高分析效率和速度.[1]申长雨.塑料模具计算机辅助工程[M].郑州:河南科学技术出版社,1998.111-136. [2]韩宝仁,朱元吉,冯连勋.塑料异型材制造原理与技术[M].北京:化学工业出版社,2001.272-308. [3]迈切里.W.塑料橡胶挤出模头设计[M].北京:中国轻工业出版社,2000.45-50. [4]朱元吉,胡善刚,郁军.关于提高塑料异型材挤出模稳定性的调研[J].化学建材,2003,1:17-19. [5]SVA′BI′KJ,PLACˇEKL,SA′HAP.Profilediedesignbasedonflowbalancing[J].InternPolymProcess,1999,3:247-253. [6]CARNEIROOS,NO′BREGAJM,PINHOFT.Computeraidedrheologicaldesignofextrusiondiesforprofiles[J].JofMaterProcessTechnol,2001,114(1):75-86. [7]柳和生,涂志刚,孙燕萍,等.聚合物口模挤出流动分析方法[J].高分子通报,2001,2:43-49. [8]HUREZP,TANGUYPA.Anewdesignprocedureforprofileextrusiondies[J].PolymEngandSci,1996,36(5):626-634. [9]刘斌.塑料挤出流动数值分析及其模具结构设计优化研究[D].大连:大连理工大学,2003. [10]张杰,王鹏驹.塑料流变性能及其数

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