薄膜流延成型数值模拟关键技术研究及其工艺分析

摘要

流延成型是聚合物薄膜重要成型工艺方法，该工艺过程影响因素多，控制难度大。本文针对聚合物薄膜流延成型工艺进行系统性分析，建立了描述挤出、流延、换热各工艺过程的数值模型，采用有限元方法求解控制方程并研究了相关关键技术，通过对薄膜流延成型工艺过程进行数值模拟，探究各工艺参数对流延膜成型质量的影响，以指导实际成型工艺控制。
　　针对流延膜挤出过程，依据理论经验公式，设计衣架型挤出流道以提高流动均匀性。基于计算流体力学理论，建立了描述熔体挤出流动过程的三维非等温数学模型，针对压力—速度耦合问题采用罚函数有限元方法进行解耦求解，采用线性化交替迭代法实现稳定数值求解。将出口流速模拟结果与工艺实验结果进行比较，验证了数学模型和数值计算方法的可靠性，并具体分析了模具温度、挤出速度等工艺因素对出口流速分布的影响。
　　针对聚合物熔体通过口模后的流延过程建立数学模型，考虑到三维模型中薄膜厚度方向尺度小，网格划分困难等问题，将厚度作为变量进行求解，推导得到二维模型。以一维模型的解析解作为初始场，采用有限元方法进行数值分析，通过Newton-Raphson方法迭代求解速度场、厚度场、自由边界。考虑空气强制对流换热作用，以及非牛顿流体的粘性作用，对非等温条件下薄膜流延过程进行数值仿真，通过与工艺实验结果对比验证模拟方法的合理性。分析流延比、模辊间隙等工艺条件对薄膜成型质量的影响，探究颈缩、哑铃边等成型缺陷形成的原因以及改进措施，分析了材料弹性因素对薄膜宽度、厚度的影响规律。
　　针对薄膜冷却定型过程，设计平行流道换热系统，考虑冷却水湍流对薄膜冷却带来的影响，建立聚合物熔体、流延辊以及冷却水之间热量传递的数学模型。根据换热边界条件的不同，对上述热传递过程进行耦合数值求解，并分析了薄膜在轴向和径向的温度分布;通过调节冷却工艺参数分析其影响规律，统计薄膜两侧热交换量，同时探讨了流延辊转速所造成的薄膜温度差异性。
　　本文通过数值仿真与工艺实验，系统研究了薄膜流延成型过程各工艺参数影响规律，有助于提高薄膜生产质量与工艺控制水平。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 薄膜流延成型工艺

1．3 国内外发展现状

1．4 研究目标、内容及意义

2．1 引言

2．2 流体力学基本方程

2．2．1 质量守恒方程

2．2．2 动量守恒方程

2．2．3 能量守恒方程

2．2．4 本构方程

2．3 有限元基本理论与求解过程

2．3．1 计算区域的离散

2．3．2 确定单元基函数

2．3．3 加权余量方程的建立

2．3．4 单元分析

2．3．5 总体方程的组合

2．4 聚合物流变模型

2．4．1 粘性流变模型

2．4．2 粘弹性流变模型

2．5 小结

3．1 引言

3．2 挤出模具设计

3．2．1 设计理论

3．2．2 衣架型流道设计

3．3 有限元法关键技术研究

3．3．1 控制方程

3．3．2 罚函数方法

3．3．3 单元方程的建立

3．3．4 对流占优问题

3．3．5 数值计算方法

3．4 挤出流动过程分析

3．4．1 模拟与工艺实验结果对比

3．4．2 横具温度影响分析

3．4．3 挤出速度影响分析

3．5 小结

4．1 引言

4．2 流延过程数值模型

4．2．1 一维数值模型

4．2．2 二维数值模型

4．3 有限元法关键技术研究

4．3．1 速度场的求解

4．3．2 薄膜厚度的求解

4．3．3 自由表面的求解

4．3．4 Newton-Raphson迭代求解

4．4 薄膜流延过程分析

4．4．1 渲延模型与物性参数

4．4．2 模拟与工艺实验结果对比

4．5 成膜质量影响因素分析

4．5．1 工艺参数影响分析

4．5．2 材料粘弹性影响分析

4．6 小结

5．1 引言

5．2 薄膜换热模型

5．2．1 流延辊结构

5．2．2 数学模型

5．3 换热过程分析

5．3．1 几何模型及物性参数

5．3．2 模拟结果分析

5．4 工艺影响因素分析

5．4．1 水温影响

5．4．2 水流逮度影响

5．4．3 流延辊转速影响

5．5 小结

6．1 研究总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文

攻读硕士期间参与的科研项目