高深宽比微结构零件注射成型充填行为研究

摘要

高深宽比微结构注射成型件是微注射成型零件中一类非常重要的零件，其在机械、光电通讯、自动控制、信息检测和生物医学等方面应用十分广泛。本文采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法研究了高深宽比微结构零件注射成型充填流动过程，分析了其充填流动特性和其充填深度的影响因素。本文的工作和结论如下： 1．分析流体在微尺度流道内流动的影响因素，结合微结构零件的尺寸特征，考虑表面张力作用，在Navier-Stokes方程基础上建立了考虑表面张力的高深宽比微结构零件注射成型充填流动模型，在动量方程中采用连续表面力(csr)模型、流动前沿迁移理论对表面张力进行处理，并在流动前沿边界条件中引入动态接触角理论。 2．首次采用计算流体力学软件CFD-ACE对高深宽比微结构零件的2D物理模型进行数值模拟，仿真分析了流体在微结构流道中的充填行为，并且在微结构流道仿真中首次引入表面张力和接触角效应。结果表明：微结构中存在速度螺旋；在水力直径为200gm的流道中，表面张力对微流体的流动行为影响很小，可以忽略不计：对称型矩形微结构流道的流场分布最均匀，非对称型梯形微结构流道的流场分布次之，非对称型矩形微结构流道的流场均匀性最差。因而在设计高深宽比微结构零件或布置模具型腔时，建议采用对称型方式，以提高高深宽比微结构零件的成型质量。 3．采用MoldFlow软件对高深宽比微结构零件的注射成型充填过程进行数值模拟，系统研究了影响微结构充填深度的因素。结果表明：熔体粘度、熔体温度、模具温度、型腔压力、零件结构、尺寸和形状对微结构充填深度影响较大，即熔体粘度越小，熔体温度和模具温度越高，型腔压力越大，型腔尺寸越小，微结构尺寸越大、倾角越小、且离型腔末端越近，微结构充填越深；但与微结构深宽比无关，即截面尺寸相同，而深宽比不同的微结构在相同条件下，其充填深度几乎相等。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1研究背景

1.2前人研究工作综述

1.2.1微注射成型研究概况

1.2.2表面张力对微注射成型充填过程影响研究概况

1.2.3微结构零件成型研究概况

1.3课题来源、意义及论文主要研究内容

第二章考虑表面张力的微结构零件注射成型充填流动模型

2.1引言

2.2考虑表面张力的微结构注射成型件充填流动模型

2.2.1基本方程

2.2.2基本假设

2.2.3控制方程

2.2.4本构方程

2.2.5初始和边界条件

2.3表面张力相关理论

2.3.1表面张力作用形式

2.3.2接触角定义

2.3.3动态接触角理论

2.3.4表面张力处理方法

2.4本章小结

第三章基于CFD-ACE的高深宽比微结构流道流场研究

3.1引言

3.2仿真模型及参数设置

3.3单微结构流道流场仿真分析

3.3.1接触角为135°时流场仿真分析

3.3.2表面张力对其流场的影响

3.4多微结构流道流场仿真分析

3.4.1非对称型矩形微结构流道流场研究

3.4.2非对称型梯形微结构流道流场研究

3.4.3对称型矩形微结构流道流场研究

3.5仿真验证微结构流道速度场特性

3.6本章小结

第四章基于MoleFlow的高深宽比微结构充填深度研究

4.1数学模型

4.1.1物理模型

4.1.2基本假设

4.1.3控制方程

4.1.4本构方程

4.1.5初始和边界条件

4.1.6网格划分

4.2仿真结果与影响因素分析

4.2.1微结构位置

4.2.2熔体类型

4.2.3模具温度

4.2.4型腔压力

4.2.5熔体温度

4.2.6微结构深宽比

4.2.7微结构截面尺寸

4.2.8微结构截面形状

4.2.9型腔截面尺寸

4.3实验验证微结构充填深度

4.3.1实验简介

4.3.2实验结论与讨论

4.4本章小结

第五章总结与展望

5.1全文总结

5.2未来工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果