聚合物多层共挤出吹塑机理的数值模拟研究

摘要

聚合物多层共挤吹塑成型技术是制造多层复合高性能聚合物容器制品的一种先进成型技术，最有希望解决未来重大工程材料问题。然而迄今为止，国内外有关多层共挤吹塑成型的研究却罕见报道。基于多层共挤吹塑成型技术的先进性与研究匮乏这一突出矛盾，本文对多层共挤吹塑成型工艺进行了数值模拟研究和理论研究，主要取得如下成果： 针对聚合物多层共挤吹塑成型流动过程的特点，基于流变学和动力学特点，经合理假设，建立了描述聚合物多层共挤吹塑成型的全三维稳态等温黏弹性理论模型。 基于Galerkin法、罚函数法、EVSS和Mini-Element法等混合有限元离散技术，建立了描述聚合物多层共挤吹塑成型过程理论模型的有限元数值算法，并基于这一算法，实现了聚合物多层共挤吹塑成型过程的有限元数值模拟。 通过数值模拟系统研究了聚合物黏弹性流变性能参数与工艺参数对聚合物多层共挤吹塑成型环坯成型离模膨胀的影响规律，并通过理论分析揭示了其型坯成型离模膨胀的产生机理。研究表明多层共挤型坯的离模膨胀主要取决于熔体的二次流动强度和方向。对于双层管状环坯模型，当所研究表面的外法线与坐标轴正方向一致时，如第二法向应力差为负，则熔体的二次流动为向外流动，而当第二法向应力差为正时，则熔体的二次流动为向内流动；当研究表面的外法线与坐标轴正方向相反时，如第二法向应力差为负，则熔体的二次流动为向内流动，而当第二法向应力差为正，则熔体的二次流动为向外内流动。芯壳层熔体的离模膨胀取决于其内外表面熔体的二次流动效应之差。当外表面熔体向外的二次流动速度大于内表面熔体向外的二次流动速度时，则产生离模膨胀，反之，则产生离模收缩。 基于上述多层共挤吹塑成型型坯离模膨胀的研究成果，研究提出了创设无环坯成型离模膨胀的吹胀成型过程的方法，通过有环坯成型离模膨胀的吹胀成型过程与无环坯成型离模膨胀的吹胀成型过程的对比分析，系统研究了型坯离模膨胀对吹胀成型过程的影响规律，建立了衡量型坯离模膨胀对吹胀成型过程影响程度的理论方法，总结得到了描述型坯离模膨胀对吹胀成型制品壁厚和形状影响的壁厚影响因子和半径影响因子与型坯离模膨胀效应的关联关系，最终为建立集型坯成型和型坯吹胀于一体的成型工艺和模具的理论设计方法奠定了科学的理论基础。

目录

文摘

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声明

第1章 绪论

1.1吹塑成型工艺

1.1.1挤出吹塑成型

1.1.2多层挤出吹塑

1.2实验研究

1.3理论研究

1.3.1环坯成型阶段研究进展

1.3.2本构方程的研究进展

1.4多层共挤吹塑成型数值模拟的主要研究问题

1.5研究展望

第2章 多层共挤吹塑成型的理论模型

2.1聚合物多层共挤吹塑成型的数学模型

2.1.1基本假设

2.1.2边界条件

2.1.3控制方程

2.1.4本构方程

2.2成型界面及自由表面追踪

2.3本章小结

第3章聚合物多层共挤吹塑成型理论模型的有限元离散

3.1数值方法及选择

3.2各变量场的有限元离散模型

3.2.1连续性方程的离散

3.2.2运动方程的离散

3.2.3本构方程的离散

3.3有限元数值计算的实施流程

3.4本章小结

第4章聚合物多层共挤吹塑成型型坯挤出胀大的数值模拟及机理研究

4.1聚合物多层共挤吹塑成型模拟条件和方法

4.1.1聚合物多层共挤吹塑成型的模拟条件

4.1.2数值模拟研究方法

4.2黏度η对环坯成型离模膨胀的影响及机理研究

4.2.1模拟结果

4.2.2影响机理研究

4.3进口体积流量Q对环坯成型离模膨胀的影响及机理研究

4.3.1模拟结果

4.3.2影响机理研究

4.4松弛时间、材料黏度比ηr、材料参数ε、ξ对环坯成型离模膨胀的影响及机理研究

4.4.1松弛时间λ

4.4.2材料黏度比ηr

4.4.3材料参数ε、ξ

4.4.4影响机理研究

4.5本章小结

第5章环坯成型离模膨胀对吹胀成型过程影响的数值模拟研究

5.1研究方法和数值模拟研究条件

5.2数值模拟研究

5.2.1熔体黏度对环坯吹胀成型过程的影响

5.2.2进口体积流量对环坯吹胀成型过程的影响

5.3本章小结

第6章总结与展望

6.1本文结论

6.2本文展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果