《武汉工程大学学报》 2015年02期
41-45
出版日期：2015-02-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
玻纤/尼龙６６异型材挤出流动的数值模拟
０ 引 言塑料异型材是通过挤出成型方法制得的非规则截面的塑料制品，由于其截面形状的多样性以及结构的稳定性，使其得到广泛应用［１－２］，尤以塑料门窗最为典型. 塑料异型材制品的成型加工方法很多，其中挤出成型由于具有效率高、投资少、制造方便、连续性生产等优点而成为塑料异型材制品主要的成型方法［３－４］. 而在塑料异型材挤出成型过程中，由于异型材产品截面形状复杂、壁厚不均匀，熔体在口模流道里的流动行为更加复杂，使得异型材的挤出成型相对规整型材的挤出成型更为困难［５－６］，因此选择合理的加工工艺显得尤为重要，特别是挤出机螺杆转速和口模温度在挤出成型过程中起着十分重要的作用，直接影响着制品质量和生产效率［７］. 本实验采用ＡＮＳＹＳ仿真软件对塑料异型材的挤出成型过程进行数值模拟，以获得挤出工艺条件与挤出结果之间的规律性关系. 通过分析不同螺杆转速和口模温度下流道出口截面的速度变化规律，以寻求最为合理的加工工艺，这对于异型材结构的设计与加工工艺的选择具有理论意义和实用价值. １ 口模流道模型建立 ＧＦ／ＰＡ６６异型材截面尺寸如图１所示，为了提高模拟分析精度，本实验基于ＡＮＳＹＳ有限元模拟软件，采用自底向上和自顶向下相结合的方法，依据流变学原理，结合制品截面特点、设备状况及材料的加工性能，建立了流道实体的模型，如图２所示. 对流道模型选用３ＤＦｌｕｉｄ１４２单元类型，并采用先整体初步划分然后整体细化，最后对流动影响较大的流道平直段进行局部细化，划分的网格模型如图３所示. 图１ 口模流道出口截面图Ｆｌｇ．１ Ｔｈｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｎ ｄｉｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｏｕｔｌｅｔ图２ 挤出口模流道三维模型Ｆｌｇ．２ ３－Ｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｄｉｅ ｃｈａｎｎｅｌ图３ 网格划分后的模型Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ａｆｔｅｒ ｍｅｓｈｉｎｇ２ 物料性能与边界条件 ＧＦ／ＰＡ６６物料的密度为１ ３９０ ｋｇ／ｍ３，材料流动规律符合幂律方程，幂律方程中材料参数值如表１所示. 假设熔体在进口处的流动速度均匀一致，且垂直于进口流场方向的流体速度为零，在内壁上施加无滑移边界条件（即所有速度分量为零）. 当螺杆转速分别为５、８、１０、１５ ｒ／ｍｉｎ时，流道入口垂直于截面的熔体流动速度分别为０．０００ ２７、０．０００ ４３、０．０００ ５４、０．０００ ８１ ｍ／ｓ，且出口压力为０，以一个标准大气压为参考压力，加工温度为５３３ Ｋ（２６０ ℃）、５４３ Ｋ（２７０℃）、５５３ Ｋ（２８０ ℃），以热力学温度０ Ｋ作为参考温度. 表1 初始边界条件和物料属性Table1 The initial boundary conditions and material properties３ 结果与分析为了直观反映流道截面出口的速度分布情况，在流道出口截面上任意选取４个节点，如图４中的４个节点，研究所选节点在螺杆转速一定，口模温度对出口截面处熔体流动速度的影响. 螺杆转速为５ ｒ／ｍｉｎ时，口模温度对４个节点处熔体流动速度的影响如图５所示. 从图５可知，在螺杆转速一定的条件下，４个节点处的熔体流动速度随着熔体温度的升高而增大，而不同节点之间的速度差也会随温度升高而增大. 这主要因为熔体温度的升高，熔体黏度随温度的升高而迅速降低，使流道出口截面各处节点所受压力的增幅增大，导致节点速度波动变大从而引起节点之间的速度差增大. 因此，提高熔体温度降低了出口截面熔体流动的均匀性. 图５可以反映节点速度与熔体温度之间的变化关系，但是所选节点离散且个数有限，从有限的节点速度来研究出口截面的整体流动情况具有片面性和局限性，所以本实验把流道截面根据壁厚特征划分为４个区域，研究区域的平均速度在不同加载条件下的变化规律，区域划分如图６所示. 图７所示为螺杆转速５ ｒ／ｍｉｎ时四个区域在不同温度条件下的速度分布. 由图７知，螺杆转速一定的条件下，随着熔体温度的升高，同一区域的平均速度同样出现增大的趋势，且不同区域之间的速度差也随之增大. 由此可知，熔体温度的提高降低了挤出流动的稳定性，不利于熔体从口模的均匀挤出. 模拟结果表明当螺杆转速为５ ｒ／ｍｉｎ时，取较低的口模温度即２６０ ℃能够促进挤出的均匀性. 图４ 流道出口截面各节点示意图Ｆｉｇ．４ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅａｃｈ ｎｏｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ ｏｕｔｌｅｔ图５ 各节点流速熔体温度对各节点流速的影响 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍｅｌｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ on ｎｏｄｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ图６ 流道出口截面各子区域划分示意图 Ｆｉｇ．６ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅａｃｈ ａｒｅａ ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ ｏｕｔｌｅｔ图７ 熔体温度对各子区域流速的影响Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍｅｌｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ on ａｒｅａ ｖｅｌｏｃｉｔｙ熔体在挤出口模中的流动均匀性，除了受到口模温度的影响外，还与螺杆转速有关. 本文进一步采用流动平衡值Ｆ评价螺杆转速对流道截面出口处熔体流动平衡性的影响. F=■■■ （１）其中Ｆ是流动平衡值，Ｍ是横截面上区域划分数目，Ｖｉ是流道出口处第ｉ个子区域的平均速度，■是流道出口截面平均速度. 流动平衡值Ｆ是流道出口截面上各个子区域熔体流动速度均方差之和，表征流道出口截面上整体速度的均匀性. 不同螺杆转速和不同温度下模具出口熔体流动平衡值Ｆ如图８所示，Ａ子区域作为内筋功能块，由图７可知其平均流速与其他区域相差较大. 所以，研究出口截面流动平衡值随螺杆转速变化规律（如图８）的同时，有必要进一步获得Ａ区域熔体流动平衡值的变化情况如图９. 图８ 出口截面流动平衡值随螺杆转速变化曲线图Ｆｉｇ．８ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｂａｌａｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｏｎ ｏｕｔｌｅｔｓｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｃｒｅｗ ｓｐｅｅｄ图９ Ａ区域流动平衡值随螺杆转速变化曲线图Ｆｉｇ．９ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｂａｌａｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｏｎ Ａ ａｒｅａ ｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｃｒｅｗ ｓｐｅｅｄ图８中可以看出，口模出口处物料的流动平衡值Ｆ随螺杆转速的增加显著变大，说明口模出口处物料流动速度的均衡性变差. 图９中可以看出，Ａ区域的流动平衡值Ｆ随螺杆转速的增加也显著变大，说明Ａ区域物料流动速度的均衡性也会变差. 这是因为螺杆转速提高时，挤出压力变大，熔体所受的压力也增大，熔体流动时受到的剪切应力也相应变大，此时熔体黏度变化大，导致模具出口处物料速度波动大，流动不稳定，流动平衡性变差. 所以，在实际的异型材挤出实验中，口模出口处物料会出现速度大的一侧向速度小的一侧弯曲，此时降低挤出速度即螺杆转速，可以解决口模出口处异型材试样弯曲变形的问题. 图８与图９表明Ａ区域的流动平衡值占整个截面流动平衡值的４５％左右，说明区域Ａ出口速度与异型材主体型框出口速度严重不一致，这会导致在挤出成型过程中Ａ区域与主体型框截面扯拉开裂. 所以，采用低速低温的加工工艺有利于子区域Ａ与主型框的同时挤出. 由此可得，最优的加工工艺是螺杆转速选为５ ｒ／ｍｉｎ，口模温度选为２６０ ℃. ４ 结 语本文以ＡＮＳＹＳ有限元分析软件为平台，模拟了重要挤出工艺参数对熔体流动的影响，定量分析了螺杆转速与熔体温度两个工艺变量对截面出口处的熔体流动平衡性的影响. 主要结论如下：ａ． 提高熔体温度，流道出口处的节点和所选区域的流速会增大，但区域的流速差变大，熔体流动平衡性变差. 所以，选取最低的熔体温度，即２６０ ℃为最佳的加工温度. ｂ． 提高螺杆转速，流道出口处熔体流动平衡值变大，不利于成型出横截面尺寸稳定、形状良好的异型材. 所以，选取最低的螺杆转速，即５ ｒ／ｍｉｎ为最优的选择. ｃ． 当螺杆转速为５ ｒ／ｍｉｎ，口模温度选为２６０ ℃时，出口截面的流动平衡值最小，口模熔体的流速最为均匀，此时的加工工艺为最优选择. 致 谢感谢武汉工程大学的经费支持！