水辅助注射成型充填过程的数值模拟研究

摘要

水辅助注射成型技术是一种先注入部分聚合物熔体，随后向熔体内部注入高压水来辅助型腔充填与保压的新型注塑工艺。该工艺除具有气体辅助注射成型的优点外，还有一些独特而显著的优点：如生产周期短、成型残留壁厚更薄、内表面更加平滑及直径更大的制品，主要应用于板类、管类和棒类零件，具有很好的应用前景。 水辅助注射成型充模过程包括了聚合物熔体－水的多相分层流动。水的注入使得熔体在内部也受到冷却，而外侧由金属模具冷却，这必然直接影响聚合物熔体的流动行为。在水辅助注射成型过程中注射量、熔体温度、模具温度、水温、注水压力等工艺参数直接影响着聚合物熔体的冷却与结晶、材料分布和制品性能，合理地确定和控制这些工艺参数，对于水辅助注射成型技术的成功与否至关重要。 本文根据三维薄壁制件的特点，采用广义牛顿本构方程及七参数Cross-WLF粘度模型对水辅助注射成型的充填过程进行数值模拟研究，做了如下工作： 1、论述了水辅助注射成型技术的起源、发展状况、加工原理、优缺点、成型方法及应用现状，对相关的水辅助注射成型的理论研究现状和实验研究现状进行了较全面的总结。 2、基于流体力学三大控制方程和广义牛顿本构，针对三维薄壁制件的水辅助注射成型充填过程的特点，经过合理假设与简化，分别建立了薄壁部分和水道部分充填过程的数学模型，并分析了水辅助注射成型充填过程的边界条件。 3、采用有限元/有限差分/控制体积法实现了三维薄壁制件水辅助注射成型充填过程的控制方程的求解。采用伽辽金法得到了基于广义牛顿本构的压力控制方程的有限元离散方程。对温度场采用基于控制体积的有限元/有限差分法计算，其中的热对流项作为右端项来处理，其值根据上一步的结果采用上风法进行加权平均来计算。采用一维数组存储三对角线矩阵系数矩阵并采用追赶法求解，大大节省所需的内存空间，极大地提高了求解效率。针对水辅助注射成型中的凝固层界面、熔体前沿界面、水－熔体界面以及水层界面的特点，采用不同的方法进行处理，实现其跟踪。 4、编写了基于广义牛顿本构的水辅助注射成型充填过程数值模拟求解器，利用Pro/e、Moldflow、Tecplot和Origin等软件来实现前置处理和后置处理功能。该求解器可用于注射成型和水辅助注射成型充填过程的数值模拟。 通过实例进行了水辅助注射成型充填过程的数值模拟，并与气体辅助注射成型模拟结果进行对比，分析了水辅助注射成型技术的优势；并系统地研究了熔体注射量、熔体温度、模具温度、水温度、注水压力等过程工艺参数对水的穿透长度及层厚分布的影响规律；最后通过数值模拟实验，并结合前人所做实验，总结出了水辅助注射成型技术的工艺与模具设计的指导建议。