计算机模拟技术在聚合物模压成型方面的应用研究解析.docx

计算机模拟技术在聚合物注塑成型方面的应用研究摘要：本文介绍了聚合物注塑成型的基本原理和一般过程，回顾了国内外注塑成形模拟技术的研究进展，阐述了注塑成型数值模拟中的一些关键技术，如一维、二维和三维模拟技术等。对注塑模数值模拟中面临的挑战性问题进行了理论和数值上的讨论，如喷射、流斑，熔接线熔接过程等。关键词：聚合物；注塑成型；计算机模拟；有限元法引言长期以来，在聚合物材料制品生产过程中，主要是依赖工作人员的经验和技巧对生产工艺进行改进，这往往需要较长的开发时间和调试成本，才能实现合格制品的稳定生产，从而大大制约了企业开发新产品的效率和竞争力的提高。随着高分子材料加工成型工业在二十世纪五十年代后的迅速发展和高分子材料加工成型从一项实用技艺发展为一门应用科学，以及数值计算方法和计算机行业的快速发展，人们开始致力于运用计算机模拟的方法来指导聚合物加工成型过程并逐渐得到了应用。采用数值模拟技术替代人工试验，可以缩短产品设计周期、降低原材料浪费，从而大大的削减生产成本。计算机模拟技术已为很多企业应用于新产品的开发与生产过程中，其方法是在计算机上实现生产工艺的设计、模拟生产、反馈、再设计等过程，从而得到最优的成型条件[1]。例如美国的Dow Corning采用计算机模拟技术设计的挤出口模使得公司增产167%的同时还降低原材料消耗与缩短开发周期18倍[2]；日本的Mitsui Chemicals公司已将计算机模拟技术用于本公司发泡材料的研发并取得了良好的效果[3]；美国Dupont公司将计算机模拟技术应用到纺丝生产中，生产效率提高了三倍[2]；美国的Daikin公司对聚合物在双螺杆挤出机中的挤出过程进行模拟分析，并优化工艺条件，解决了原先粒料输送慢，生产不稳定等难题[4]；国内很多企业在近些年来也越来越重视将计算机模拟技术与生产实际相结合，并取得了良好的效果，如杭州的哇哈哈集团长期利用模拟技术优化饮料瓶吹塑工艺、上海申雅密封件有限公司利用模拟技术改进挤出流道大大提高了生产效率、深圳比亚迪有限公司多年来采用模拟技术优化汽车结构、轮胎设计等。但是随着产品的更新换代，生产工艺也要不断改进，这就要求模拟技术/方法也要紧跟生产工艺改进的步伐。计算机模拟技术不仅在产品开发、工艺优化方面能起到积极作用，它也是科学研究的有力工具。在科学研究中，相对于研究目标而言，一定时期的实验测试水平总是有限的。当现有的表征与测试手段无法满足研究要求时，小到分子水平模拟大到宏观流动模拟技术将发挥不可替代的预测评估作用，并作为实验手段的有力补充大大弥补当前实验技术局限性带来的不足。当前，在聚合物（反应）加工领域仍然还有很多科学问题由于表征手段的局限性限制了人们对它们的进一步认识。因此，发展计算机模拟技术并运用它对聚合物加工过程的各环节各方面（尤其是由于实验手段所限亟待解决的科学问题）开展系统研究，无论对人们深入认识与理解聚合物（反应）加工过程、促进计算机模拟技术在聚合物材料加工工业的应用，还是提高整个聚合物材料工业水平都有重要意义。注塑成型注塑成型[4, 5]是指获得注塑制品的过程，也称注射成型。它是以高压高速将塑料熔体注入闭合的模具型腔内，经过冷却定型后，得到和模具型腔形状一致的塑料制品的成型方法。注塑过程得以实现的三个基本要素是：注塑机、注塑模具和加工工艺，它们缺一不可。图1给出了常用螺杆式注塑机的简单示意图[6]。注塑机主要由三部分组成：注塑装置、模具和锁模装置。注塑装置的主要作用是完成塑料的塑化和注射两个基本职能；锁模装置保证成型模具能够可靠开合，完成模具的基本职能。注塑成型过程的基本过程为[4, 7]：首先料斗中的粒状或粉状的固体聚合物被送入加热的料筒，在螺杆的作用下，沿着螺槽向前输送并压实，物料在料筒加热、螺杆摩擦热及剪切热的作用下逐渐地塑化，熔融和均化。当螺杆旋转时，熔融的物料被推送到螺杆的头部，与此同时，螺杆在物料的反作用下后退，使螺杆头部形成储料空间，完成塑化过程。然后，螺杆在注射油缸的活塞推动作用下，以高速、高压推动储料室内的熔融料通过料筒端部的喷嘴射入到温度较低的闭合模具型腔中，同时，螺杆退回并为下一个注塑循环的物料塑化做准备。充满型腔的熔料在高压下经冷却固化后即可保持模具型腔所赋予的形状，然后打开模具即可得到产品，然后模具闭合继续下一个注塑周期。在每一个周期过程中，塑料都经过了三个阶段的转换[8]：一是塑料未进入料筒前的颗粒状态；二是塑料在料筒中的塑化流动而达到的熔融状态；三是塑料通过注塑模浇注系统的充模流动及冷却定型。其中第三个阶段是塑料最终成型的关键阶段，也是当前数值模拟重点针对的阶段。一般地，将第三个阶段分为三个阶段来研究，即充填、保压和冷却阶段。图1 注塑机示意图Fig. 1 Schematic diagrams of injection mac