振動(dòng)場(chǎng)作用下聚合物熔體在L型擠出口模內(nèi)的流動(dòng)分析

2013-06-22  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

關(guān)鍵字:擠出 振動(dòng) 數(shù)值模擬 異型材 ANSYS

本文利用ANSYS軟件對(duì)受口模入口處周期性振動(dòng)的壓力驅(qū)動(dòng)的非牛頓冪律聚合物熔體在“L”形異型材擠出口模內(nèi)的流動(dòng)過程進(jìn)行了三維等溫?cái)?shù)值模擬,以曲線圖、等值線圖和等值面圖的形式展示了不同條件下的反映流動(dòng)全貌的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。結(jié)果表明:由于振動(dòng)場(chǎng)的引入,熔體速度、壓力、應(yīng)力均產(chǎn)生振動(dòng),其頻率和入口壓力的振動(dòng)頻率相同,但振幅從口模入口至出口逐漸衰減,直至消失;壓力從口模入口至出口近似線性遞減,但在入口附近有一個(gè)急劇下降爾后又短暫上升的過程,此乃因振動(dòng)的引入而產(chǎn)生的特殊現(xiàn)象。

1 前言

對(duì)聚合物熔體在擠出口模內(nèi)的流動(dòng)施加振動(dòng)場(chǎng),可以在熔體的主要剪切流動(dòng)上疊加一個(gè)附加應(yīng)力,使材料的狀態(tài)由組合應(yīng)力決定,從而強(qiáng)化加工過程中的物理和化學(xué)現(xiàn)象,其中最明顯的就是降低聚合物熔體的粘度,減小流動(dòng)阻力,使填充過程的流動(dòng)更穩(wěn)定,并且可縮短熔體在口模內(nèi)的填充時(shí)間。以往關(guān)于振動(dòng)場(chǎng)作用下聚合物熔體在擠出口模內(nèi)的流動(dòng)的研究基本上集中于規(guī)則截面的二維問題上。本文對(duì)振動(dòng)場(chǎng)作用下聚合物熔體在異型材擠出口模內(nèi)的三維等溫流動(dòng)進(jìn)行研究,利用ANSYS軟件對(duì)受口模入口處周期性振動(dòng)的壓力驅(qū)動(dòng)的聚合物熔體在“L”形異型材擠出口模內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬和分析,得出不同條件下的反映流動(dòng)全貌的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),以求深入了解其流動(dòng)規(guī)律,為異型材動(dòng)態(tài)擠出口模設(shè)計(jì)和工藝制定提供理論依據(jù)。

    2 模型建立

    2.1 幾何模型

本文以“L”形口模為研究對(duì)象,其幾何模型如圖1?？谀＝孛骈L(zhǎng)寬分別為l_x=30mm和l_y=25mm,兩翼厚度分別為h_x=10mm和h_y=8mm,口模長(zhǎng)度為L(zhǎng)=65mm,其坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在右側(cè)口模入口處L形的下拐角處。對(duì)于“L”形口模,由于其形狀相對(duì)簡(jiǎn)單,本文直接在ANSYS系統(tǒng)中建立其幾何模型,并采用自底向上的建模方法,即先定義關(guān)鍵點(diǎn),然后通過關(guān)鍵點(diǎn)畫出圍成端面的線段,并定義“L”形端面,最后由端面沿坐標(biāo)軸拉伸面即可得到理想的實(shí)體模型。圖1 “L”形截面異型材擠出口模結(jié)構(gòu)

    2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)研究聚合物熔體流動(dòng)時(shí)通常采用的熔體不可壓縮、層流、壁面無滑移、忽略重力等簡(jiǎn)化與假設(shè),不考慮溫度對(duì)流動(dòng)的影響,可以得到如下描述振動(dòng)場(chǎng)作用下聚合物熔體流動(dòng)的連續(xù)方程、動(dòng)量方程:

用ANSYS的FLOTRAN CFD^[5]模擬計(jì)算時(shí)采用非牛頓冪律粘度模型,即熔體粘度由式(5)給出:

    2.3 邊界條件和初始條件

    a) 在口模入口截面上施加周期性的振動(dòng)壓力,即Z=0處

    b) 在出口截面上的壓力等于零,即Z=L處有:

    式中L為口模長(zhǎng)度;
c) 入口截面上x、y方向的速度分量為零,根據(jù)壁面無滑移假設(shè),壁面上節(jié)點(diǎn)的速度分量均為0,即有:。

d) 振動(dòng)壓力場(chǎng)的作用下,聚合物熔體填滿流道后在異型材擠出口模內(nèi)的流動(dòng)過程是具有周期性外源的輸運(yùn)問題,因此研究該過程時(shí)忽略暫態(tài)過程,只考慮定態(tài),即認(rèn)為各參量應(yīng)分別是穩(wěn)定的振動(dòng)曲線,所以在一周期內(nèi)起點(diǎn)的值與終點(diǎn)的值相等,故有下列初始條件:

對(duì)幾何模型進(jìn)行一次劃分后,在拐角的區(qū)域再進(jìn)行細(xì)分,這是由于這些區(qū)域的流體梯度變化較大,如果網(wǎng)格劃分得較粗,會(huì)影響求解精度。圖2是劃分網(wǎng)格后的模型共分為30392個(gè)單元,67270個(gè)節(jié)點(diǎn)。

    2.5 物性參數(shù)和工藝參數(shù)

本文選取低密度聚乙烯(LDPE)為擠出材料,其物性參數(shù)為:μ₀=4200Pa^*s、k=10、n=0.4、D₀=35、ρ=954kg/m³。擠出工藝參數(shù)如下表:

   3 模擬結(jié)果及分析

    3.1速度場(chǎng)分布

為了真實(shí)反映流場(chǎng)速度分布,本文在z =5mm、z=10mm、z=65mm截面上各取一點(diǎn),其坐標(biāo)分別為A(5,10,5)、B(5,4,50)、C(20,4,65),圖3(a)、(b)、(c)分別反映了上述各點(diǎn)的x、y、z方向速度分量隨時(shí)間變化的對(duì)比曲線(平均壓力為10.3MPa,圖中未標(biāo)出單位的各量均為國際單位制,亦即壓力為Pa、速度為m/s、時(shí)間為s、長(zhǎng)度為m,且有F=w/2p,下同)。由圖可知,在靠近入口端(z=5mm),x、y、z方向的速度都具有明顯的波動(dòng)現(xiàn)象,這是由于振動(dòng)壓力場(chǎng)的存在,使流場(chǎng)在靠近入口端處產(chǎn)生了振動(dòng),在出口處這種速度波動(dòng)現(xiàn)象幾乎消失,說明速度的振動(dòng)具有明顯的衰減性,同時(shí)說明口模長(zhǎng)度基本合適,因?yàn)闉榱吮ＷC制品尺寸的穩(wěn)定,要求熔體在出口處速度沒有波動(dòng)。從圖還可看出速度的振動(dòng)頻率和入口壓力的振動(dòng)頻率相同。

圖4是在z=1mm、z=32mm、z=65mm截面上的z向速度等值線分布圖。由圖4(a)可知,熔體在靠近入口端(z=1mm)有多個(gè)流動(dòng)中心,但速度的最大值出現(xiàn)在拐角內(nèi)側(cè)附近,而且該區(qū)域是速度的主流中心。在其左上及右下也有幾個(gè)流動(dòng)中心,由此可見熔體在入口附近的流動(dòng)并不規(guī)則,這可能是因?yàn)榱鞯澜Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不對(duì)稱引起的。由圖4(b)和(c)可看出在z=32mm和z=65mm兩個(gè)截面上,速度變化梯度都較大,整個(gè)截面上的流動(dòng)并不均勻,速度只有一個(gè)流動(dòng)中心,在出口處的流動(dòng)已較為規(guī)則,說明熔體流到該區(qū)域時(shí)流動(dòng)中心附近速度已較充分發(fā)展,但流動(dòng)中心的速度值有所增大。

  3.2 壓力場(chǎng)分布

圖5是口模流道內(nèi)的壓力等值面圖。由圖可知壓力等值面幾乎是垂直于流動(dòng)方向的平面,說明壓力在x-y截面內(nèi)的變化很小。為了描述壓力沿軸向的變化,本文在入口截面上選取有代表性的點(diǎn),通過每個(gè)選取的點(diǎn)沿流動(dòng)方向直至出口定義一條路徑,求出某時(shí)刻路徑上各點(diǎn)的壓力值,即可得到壓力沿軸向的分布曲線。由前面分析可知,在垂直于流動(dòng)方向的截面上壓力變化很小,因此定義路徑時(shí)可以任意選取入口截面上的點(diǎn)。圖6是在t=0.9888s時(shí)口模流道內(nèi)的壓力沿路徑的分布曲線。圖中顯示壓力沿軸向近似于線性規(guī)律變化,但從圖中可以看出,由于振動(dòng)的引入,壓力的變化大致分為幾個(gè)階段,在入口附近壓力有一個(gè)短暫的急劇下降階段,爾后又短暫地上升,然后才緩慢下降直至口模出口。這可能是振動(dòng)場(chǎng)帶來的特有現(xiàn)象,因?yàn)樵跊]有引入振動(dòng)時(shí)壓力沿軸向的變化梯度是恒定的,沒有急劇下降后又上升的過程。

圖7是流道內(nèi)點(diǎn)(5,10,0)、(5,10,5)、(5,10,25),(5,10,50)(它們分別位于z=0、5、25、50mm的截面上)處的壓力隨時(shí)間變化曲線圖,從圖中可以看出在口模入口處附近截面上壓力存在振動(dòng)現(xiàn)象,其頻率等同于入口壓力的振動(dòng)頻率,在出口處這種壓力波動(dòng)現(xiàn)象幾乎消失。截面上平均壓力沿流動(dòng)方向逐漸減小。說明壓力的振動(dòng)和速度的振動(dòng)一樣具有明顯的衰減性,也再次說明口模長(zhǎng)度基本合適。

    3.3 應(yīng)力場(chǎng)分布

圖8是在z=1mm截面上的應(yīng)力等值線分布圖。由圖可知, 應(yīng)力在流動(dòng)中心處較小,沿徑向增大,在壁面達(dá)到最大值;同一截面上拐角處應(yīng)力最大。從圖8(b)所示的拐角處應(yīng)力分布的放大圖可見該區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,并且徑向的應(yīng)力梯度較大。

    4 結(jié)束語

振動(dòng)場(chǎng)的引入使得原本就很復(fù)雜的聚合物熔體在異型材擠出口模內(nèi)的流動(dòng)變得更為復(fù)雜。本文利用ANSYS軟件對(duì)受入口處周期性振動(dòng)的入口壓力驅(qū)動(dòng)的聚合物熔體在“L”形異型材擠出口模內(nèi)的三維流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出了不同條件下熔體在口模內(nèi)的速度、壓力和應(yīng)力的分布。研究結(jié)果對(duì)聚合物異型材動(dòng)態(tài)擠出口模設(shè)計(jì)和工藝制訂有參考價(jià)值。限于研究條件,數(shù)值模擬僅僅針對(duì)等溫情況,與實(shí)際工況更接近的非等溫的情況尚需進(jìn)一步研究。

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