注塑成型充填过程的数值模拟技术

汽车塑料油底壳注塑成型数值模拟与结构优化研究【摘要】本文主要关于汽车塑料油底壳注塑成型数值模拟与结构优化研究。

在介绍了研究背景、研究目的和研究意义。

在探讨了塑料油底壳注塑成型工艺研究、数值模拟在汽车塑料油底壳注塑成型中的应用、结构优化方法研究、优化设计参数的选择以及参数优化结果分析。

最后在总结研究结果，并展望进一步研究方向，提出相应的结论与建议。

本研究旨在为汽车生产提供更高效、更节能的塑料油底壳注塑成型工艺，并为相关行业提供技术支持和指导。

【关键词】汽车、塑料油底壳、注塑成型、数值模拟、结构优化、工艺研究、优化设计、参数分析、研究结果、研究意义、展望、建议1. 引言1.1 研究背景汽车底盘底部通常会安装一个油底壳，用于存放机油和保护发动机底部零部件。

传统的油底壳一般是铸造而成的铝合金制品，重量较重且成本较高。

随着塑料工艺的日益发展和改进，汽车油底壳的材质也逐渐向轻型化和成本优化方向转变，塑料油底壳逐渐成为一种新的选择。

塑料材质具有一定的物理机械性能限制，在注塑成型过程中可能会出现熔体流动不畅、残余应力过大和收缩变形等问题，影响油底壳的质量和性能。

对汽车塑料油底壳的注塑成型工艺进行研究和优化显得尤为重要。

目前，数值模拟技术在塑料制品的成型工艺中得到了广泛应用，可以模拟流动场、熔体充填和固化过程，为工程师提供重要的参考依据。

结构优化方法可以通过优化设计参数，实现对塑料油底壳结构的轻量化和性能优化。

通过对汽车塑料油底壳注塑成型数值模拟与结构优化的研究，有助于提高油底壳的生产效率和质量稳定性，促进汽车轻量化和节能减排，具有重要的工程应用价值和研究意义。

1.2 研究目的汽车塑料油底壳是车辆发动机的重要部件，其注塑成型工艺直接影响着整个车辆的性能和质量。

由于油底壳形状复杂、受力特性复杂等因素，传统的注塑成型工艺存在一些问题，比如产品质量不稳定、生产效率低下等。

本研究旨在通过数值模拟与结构优化的方法，对汽车塑料油底壳注塑成型进行深入研究，从而提高产品质量和生产效率。

《汽车三角窗密封件注塑成型数值模拟及模具结构改进》篇一一、引言汽车行业近年来随着技术的不断创新与进步，对于零部件的生产质量与效率要求日益提高。

其中，汽车三角窗密封件作为汽车车身的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到汽车的安全性能与使用体验。

本文旨在通过对汽车三角窗密封件注塑成型过程的数值模拟，以及模具结构的改进，来提高其生产效率与产品质量。

二、汽车三角窗密封件注塑成型数值模拟1. 模拟软件与建模利用现代计算机辅助工程（CAE）软件，如Moldflow等，对汽车三角窗密封件的注塑成型过程进行数值模拟。

首先，根据实际产品尺寸与要求，建立三维模型，并设定相应的材料属性、工艺参数等。

2. 注塑成型过程分析通过模拟软件，对注塑成型的填充、保压、冷却等过程进行详细分析。

包括填充速度、压力分布、温度场等关键参数的监测与分析，以了解成型过程中可能存在的问题。

3. 结果评估与优化根据模拟结果，评估汽车三角窗密封件的成型质量，如是否存在缩痕、气孔、翘曲等问题。

通过调整注塑工艺参数、改变模具结构等方式，对成型过程进行优化，以提高产品质量。

三、模具结构改进1. 模具结构设计现状分析针对现有模具结构在注塑成型过程中存在的问题，如注塑口设计不合理、冷却系统不完善等，进行详细分析。

了解这些问题对产品质量的影响，为模具结构改进提供依据。

2. 模具结构改进方案根据分析结果，提出模具结构改进方案。

包括优化注塑口设计、完善冷却系统、调整模具各部分尺寸与位置等。

通过改进模具结构，提高注塑成型的稳定性与产品质量。

3. 改进后模具的应用与效果评估将改进后的模具应用于实际生产中，对生产效率、产品质量等进行评估。

通过实际生产数据与模拟结果的对比，验证模具结构改进的效果。

四、结论通过对汽车三角窗密封件注塑成型过程的数值模拟及模具结构的改进，可以有效提高生产效率与产品质量。

数值模拟能够帮助我们了解注塑成型过程中的关键参数与问题，为优化注塑工艺提供依据。

注塑成型数值模拟报告背景注塑成型是一种常见的塑料加工方法，通过将熔融的塑料材料注入到模具中，经过冷却固化后得到所需的产品。

在注塑成型过程中，如何优化模具设计和工艺参数对产品质量和生产效率具有重要影响。

为了减少试错成本和提高生产效率，数值模拟成为了预测和优化注塑成型过程的重要工具。

分析模型建立在进行注塑成型数值模拟之前，首先需要建立一个合适的模型。

模型的建立包括几何建模、网格划分和物理参数设定等步骤。

几何建模可以使用CAD软件进行三维建模，或者直接导入现有的CAD文件。

网格划分是将三维几何体划分为小的单元网格，用于离散化求解。

物理参数设定包括材料性质、流动条件、热传导等参数的设定。

数值求解数值求解是指根据所建立的模型和设定的物理参数，通过数值方法求解出流动场、温度场和应力场等相关信息。

常用的数值方法包括有限元法、有限差分法和有限体积法等。

在求解过程中，需要考虑流动场和温度场的相互耦合关系，以及塑料材料的非线性行为和热传导效应等。

结果分析通过数值模拟求解得到的结果可以包括以下几个方面的信息：1.流动场：流动场可以反映塑料在注塑成型过程中的流动情况，包括充填阶段和压实阶段。

通过分析流动场，可以评估充填时间、充填压力和充填速度等对产品质量的影响。

2.温度场：温度场可以反映塑料在注塑成型过程中的温度变化情况。

通过分析温度场，可以评估冷却时间、冷却速率和冷却效果等对产品质量的影响。

3.应力场：应力场可以反映塑料在注塑成型过程中的应力分布情况。

通过分析应力场，可以评估产品的强度、变形和收缩等性能。

建议根据数值模拟结果进行分析后，我们可以得出一些优化建议：1.模具设计优化：根据流动场和温度场的分析结果，可以对模具的结构进行优化，如增加冷却通道、调整产品壁厚和减小产品收缩等。

2.工艺参数优化：根据流动场和温度场的分析结果，可以对注塑成型过程中的工艺参数进行优化，如调整充填时间、充填压力和冷却时间等。

3.材料选择优化：根据应力场的分析结果，可以对材料的选择进行优化，以满足产品的强度和变形要求。

大型模具系统注塑成型过程中传热行为的数值模拟王犇;李旭东【摘要】为了研究大型整体式模具系统在注塑成型工艺流程中各个阶段内模具表面温度分布规律以及相应的模具系统内各个部分的热交换效应,基于ABAQUS有限元分析平台对注塑成型用的大型整体式模具系统进行拟实性传热行为的数值模拟.结果表明:高温塑料熔体在型腔内流动的过程中,模具表面温度沿熔体流动方向呈梯度分布,注射结束后,透明预制件表面温度分布不均匀且低于芯部温度.此外,随形管道造成透明预制件内外表面冷速不同,对制件区域性能的一致性有显著影响.通过对模具系统注塑过程热交换效应的模拟再现,为工程实际中模具系统结构上的设计优化提供理论依据.【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2018(030)004【总页数】7页(P119-125)【关键词】模具系统;注塑成型;传热行为;模具温度;数值模拟【作者】王犇;李旭东【作者单位】兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州 730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】TQ320.66注塑成型是将热塑性或热固性塑料加热转变为熔融状态,然后将熔体注射到型腔中并经过一定的工艺条件或工艺设置,将熔体冷却为各种复杂结构的制件的成型过程。

注塑成型是重要的塑料制品成型方式,适于大批量生产形状复杂、尺寸要求精确的塑料制品,注塑成型工艺非常复杂,成型制品质量受到模具设计参数,材料性能参数及充填、保压和冷却过程中工艺参数等许多因素的影响[1]。

传热过程是注塑成型过程中最重要的部分之一[2],其中注塑模具的温度大小及其分布是影响制品品质的重要因素,尤其是型腔壁面温度,模具的预热及冷却系统设计和注塑工艺设置都会考虑该重要参数,制品的形变量、尺寸精度、力学性能以及表面质量都受到模具温度的影响[3]。

模具温度过高,会使塑料制品收缩率增大,尺寸精度下降,表面产生花斑,并导致脱模困难;模具温度过低,使得塑料熔体粘度降低,流动阻力增大,导致物料交联固化不充分,机械强度受影响。

精密注塑成型过程模拟及优化分析在现代工业制造中，精密注塑成型技术已被广泛应用。

这种技术可以高效、精准地制造各种形状的零部件，尤其是小型高精度零部件。

而模拟和优化成型过程则是保证注塑制造质量和生产效率的关键。

本文将介绍精密注塑成型过程模拟和优化的基本原理及方法，并讨论其实现时需要注意的问题。

一、精密注塑成型过程模拟模拟精密注塑成型过程是指在计算机上建立相应的模型，对成型过程进行数值模拟，从而预测零件的形状、质量和性能。

该模拟可以实现在物理试验之前对成型工艺的优化，提高生产效率和零部件质量。

1.工艺参数建模底模温度、熔体温度、模具温度、注射速度等是影响零件成型的主要工艺参数。

在模拟前需要对这些参数进行建模，以获得准确的数值计算结果。

建模方法通常包括基于经验公式和基于实验数据的统计方法。

这些方法可以将实验数据与成型过程相关因素的复杂交互作用关系联系起来，从而预测零件形状和质量。

2.材料属性建模在模拟精密注塑成型过程中，精确的材料属性是模拟结果准确性的关键。

所以需要对材料物理属性建模，包括熔化温度、热容、导热系数、热膨胀系数和硬度等关键参数。

这些参数是影响成型过程的主要因素，必须顾及到才能获得准确的模拟结果。

3.力学模型建模在模拟过程中，需要建立精密注塑成型过程的力学模型。

力学模型通常分为两类：基于有限体积法（FVM）的流体力学（CFD）模型和基于有限元法（FEM）的结构力学模型。

这些模型可以预测零件的形状和质量等关键参数，为注塑工艺优化提供参考。

4.成型过程数值模拟在完成上述工作后，可以对注塑成型过程进行数值模拟。

模拟可以实现在物理试验之前对成型工艺的优化，并预测成型过程中各个参数的趋势和偏差，以及零件的形状和质量，从而为实际生产提供指导意义。

二、精密注塑成型过程优化通过模拟精密注塑成型过程，可以对注塑工艺进行优化，以提高成型过程质量和生产效率。

1.注塑成型参数优化对注塑成型参数进行优化可以使生产过程效率高，并降低零件的质量问题。

注塑模充填和保压阶段的数值方法摘要:注塑成型的充填过程是一个对流占优的能量传递过程。

其中采用有限差分法对注塑过程中充填阶段的温度场进行数值分析,建立基于非牛顿流体在非等温状态下广义Hele - Shaw流动的数学模型，来预测非牛顿流体在任意形状薄壁型腔内流动时的温度场，采用分步法将该能量守恒方程分解为一个对流方程和一个热传导方程，可分别选择不同的时间步长和求解方案独立进行求解，可以得到合理的模拟结果。

在保压过程中，基于粘性流体力学的基本理论，建立可压缩、非牛顿粘性流体在模具型腔中非等温流动的数学模型，选用了恰当的材料性质模型，确定合理的初始条件和边界条件，采用有限元/有限差分耦合解法求解数学模型实现对保压过程的模拟。

关键词：注射成型充填数值模拟温度场保压Numerical Method in Filling Stage andPacking Stage of Injection MoldingAbstract : Injection molding filling process is a convection dominant energy transfer process.Numerical analysis of temperature field during filling stage of injection molding is investigated by using FDM method here. The model is based on the generalized Hele-Shaw flows of Non-Newtionian fluid under nonisothermal condition. The temperature field of Non-Newtonian fluid within thin cavities of arbitrary shape can be predicted.The energy equation was solved by an operator-splitting method.First, the convective part of the problem was solved, and then the conduction term and source term were solved.In this way,particularly effective numerical schemes were used.In the packing stage, an at tempt is made to derive a mathematical model describing the packing behavior based on generalized Hele-Shaw flow for a purely viscous and compressible fluid in thin cavity under nonisothermal conditions.The material properties are described accurately as well.The finite-elementtechnique is employed to treat the pressure and temperature field in the stream-wise direction, how ever, an implicit finite- difference scheme is used to obtain temperature distribution in the gap wise direction.Keywords : injection molding ;filling stage; numerical simulation ; temperature field; packing stage ;注射成型是高分子材料加工成型的主要方式之一。

收稿日期22作者简介麻向军(66),男,博士,副教授。

文章编号:100124934(2010)0120011203考虑压力对黏度影响的注塑填充过程数值模拟麻向军(华南理工大学　聚合物新型成型装备国家工程研究中心,广东　广州　510640)摘　要:为了研究熔体黏度模型对注塑成型数值模拟精度的影响,采用不考虑压力和考虑压力对黏度影响的WL F 2Cro ss 模型,利用Moldflow Plastics Insight 软件对制品填充过程进行了数值模拟。

结果表明,注射压力较高时,采用考虑压力影响的黏度模型计算得到的注射压力和熔体温度显著增加,型腔填充阻力越大,注射压力和熔体温度增加越大。

关键词:黏度模型;填充过程;注射压力;熔体温度;数值模拟中图分类号:O242 文献标识码:AAbstract :In order t o i nvest igat e t he i nf l ue nce of vis cosi t y model on t he accuracy of num eri 2cal si m ul ati on f or i nj ecti on m oldi ng ,M ol df l ow Pl as t ics I nsi ght soft wa re was use d t o si m ul at e t he m ol d fill i ng base d on WL F 2C ross m odel wit h a nd wit hout cons ide ri ng t he i nfl ue nce of p res sure.Res ult s s howed t hat t he i nj ecti on p ress ure a nd melt t e mper at ure obtai ned by t he viscos it y m odel c ons i de ri ng t he i nf l uence of p res sure i ncre as e d obvi ousl y at hi ghe r i nj ecti on p res sure ,a nd t he i nj ect ion p ressure a nd mel t t e mper at ure i nc rease d more si gnif ica ntl y wi t h gre ate r f illi ng resis t ance of ca vit y.K eyw or ds :visc osit y m odel ;mol d f illi ng ;i nj ecti on p ressure ;mel t t e mper at ure ;nume ricalsi m ulat i on0　引言注塑成型过程的数值模拟对于提高模具设计质量和效率,减少修模次数,缩短新产品开发周期等具有重要作用,广泛用于优化制品设计和模具设计及注塑工艺参数[122]。

注塑成形中气体反压技术的数值模拟杨顺星;李海梅;张亚飞;李瑞波;亢战;彭响方【摘要】针对某平板注塑成形过程,通过改变气体反压(Gas Counter Pressure,GCP)压力场,用ANSYS CFX模拟GCP技术对成形质量的影响.由模拟结果可知:在GCP压力作用下,熔体的流动形态发生明显变化.当GCP压力增大时,熔体的最大流动长度减少,且熔体流动速度和剪切应变速率呈下降的趋势.在充填时间内,GCP压力由0增加到2 MPa时,塑料熔体沿流动方向上的速度由0.52 m/s下降到0.45 m/s,熔体的最大剪切应变速率最大降低42.7％.【期刊名称】《计算机辅助工程》【年(卷),期】2015(024)006【总页数】6页(P47-51,65)【关键词】注塑成形;气体反压;熔体;流动形态;剪切应变速率【作者】杨顺星;李海梅;张亚飞;李瑞波;亢战;彭响方【作者单位】郑州大学材料科学与工程学院,郑州450002;郑州大学材料科学与工程学院,郑州450002;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连116024;华南理工大学聚合物成形加工工程教育部重点实验室,广州 510640;郑州大学材料科学与工程学院,郑州450002;郑州大学材料科学与工程学院,郑州450002;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连 116024;华南理工大学聚合物成形加工工程教育部重点实验室,广州 510640【正文语种】中文【中图分类】TQ316.330 引言塑料具有质轻、加工易、精度高、成本低、成形自由度大、技术发展成熟等优点，所以应用日益广泛，但在石油资源紧张、原材料成本提高、环保要求等条件下，为提高塑料制品的附加值，除在塑料材料的改性技术上有所突破外，更需要在成形技术方面有所创新.气体反压(Gas Counter Pressure，GCP)技术［1-4］是近年来发展起来的一项新技术，其能够有效降低塑料熔体前沿的压力差，实现均匀充填，改善塑料制品的机械性能［1-2］和表面缺陷［3-4］，减小翘曲变形［5］及提高制品成形质量［6］等.为提高超临界微孔发泡注射成形制品的表面质量，研发人员曾用变模温感应加热［2-3］、绝热模具层［7］、表面贴膜工艺［8-9］等方法，以拓展微孔注塑工艺的应用.在目前的工程实践中，GCP技术在超临界微孔发泡注射成形中的应用最为常见.在超临界微孔发泡注射成形时，型腔内充满一定带压气体抑制气泡生成的反压法能有效控制表面气泡流痕(见图1).当超临界流体(Super Critical Fluid，SCF)溶解于高分子熔体中，且熔体前沿受反压气体作用时，因GCP压力大小不同，可能出现3种情况:当没有GCP压力时，在熔体充填阶段发泡将自然发生而导致有银丝留痕缺陷产生于制品表面;如果GCP压力大于标准大气压但小于维持SCF所需的临界压力时，发泡将受到限制;当GCP压力大于临界压力时，熔体将在反压作用期间维持为单相泡核而无泡孔产生.［1-4］图1 GCP技术示意Fig.1 Schematic of GCP technology作为一种先进的设计手段，数值模拟技术在注塑成形加工领域应用日趋广泛.从开始仅能模拟熔体注塑充填［10］，到集成化模型模拟充填、保压，再到冷却成形全过程［11］，进而发展气体辅助注塑成形等双相流动的模拟［12］以及成形质量预测等.相对于注塑GCP技术的实验研究成果，反压技术的数值模拟迄今鲜有人研究.超临界微孔发泡注射成形涉及到泡孔成长的空气力学，与常规注射成形相比较复杂，为便于模拟，本文只考虑带反压的常规注塑成形工艺，用数值方法对GCP技术进行探索.利用有限元软件ANSYS CFX平台，通过二次开发，建立高分子材料的Cross-WLF七参数黏度模型，定义模拟所需要的材料，改变平板注塑制品成形过程的GCP压力，对成形充填过程进行三维数值模拟，讨论GCP压力对熔体充填流动的影响.1 模型与算法在注塑成形过程中，熔体充填阶段的数学模型满足质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律.熔体在充填过程中，流动前沿上受到GCP的作用，形成气-熔界面.根据工艺特点，对气-熔边界进行简化和假设:1)气体在熔体充填过程中假设为不可压缩流体;2)因为熔体黏度远大于气体黏度，假设气体黏度为0;3)气体的比热容远小于熔体，不计气体内部的能量交换;4)气体密度远小于塑料熔体，忽略其重力;5)气-熔界面两侧物质不发生能量交换.1.1 平板制件以平板注塑件为例，模拟注塑成形过程中GCP压力对塑料熔体流动的影响，制品的几何尺寸为4 mm×4 mm×1 mm，形状见图2a.浇口为侧浇口，尺寸为1mm×1 mm×1 mm.对几何模型用四面体网格单元离散，网格边长设定为0.1 mm，节点个数为7 846，单元总个数为30 246，见图2b.制品成形工艺参数见表1.图2 平板制品的尺寸及网格示意Fig.2 Schematic of size and mesh of plate product表1 注塑成形工艺参数Tab.1 Injection molding processing parameters参数值模具温度参数值模壁传热系数/(W/(m2·k))/℃ 60熔体温度25 000 GCP压力/MPa 0，1，2/℃ 230入口速率/(m/s)1在塑料熔体充填开始前，型腔内充满带压气体，然后改变GCP压力大小，采用数值方法分析塑料熔体流动前沿位置、充填时间、熔体流动速率和剪切应变速率等相关模拟结果，量化分析GCP压力对注塑成形中塑料熔体流动状态的影响.1.2 材料的黏度模型ANSYS CFX的材料库提供理想空气、水、铜、铝、钢铁和烟煤等材料参数，但没有聚合物材料.为研究聚合物材料的流动，通过软件接口添加.聚丙烯PP的Cross-WLF七参数黏度模型见式(1)，材料属性用CEL语言定义完成.式中:n为非牛顿指数;为材料的玻璃化转变温度，=D2+D3P;D1，D2，D3为材料常数;τ*为剪切变稀行为开始时的剪应力;A1和为材料常数，A2=+D3P.选择Shell公司生产的牌号为XM 6700S的PP材料，式(1)中的材料参数值以及PP材料的模型参数分别见表2和3.表2 PP材料参数Tab.2 PP material parameters参数数值熔化温度/°C 135熔体密度/(kg/m3)775 2 830热传导系数/(W/m·℃)参数数值比热容/(J/kg·℃)0.19表3 PP材料的模型参数Tab.3 Model parameters of PP material七参数变量数值七参数变量数值n 0.209 8 D1/(Pa·s) 6.93 ×1011 τ*/Pa 30 354 D2/℃－10 A1 26.507 D3/(℃ /Pa)0 A～2/℃ － 221.551.3 边界条件选用流动区域内熔体-气体两相均一模型进行模拟，即熔体、气体有共同的速度场、压力场和温度场，而熔体的物理性质参数取决于两组分的变化.模拟注射成形充填过程的边界条件:1)入口为速度边界条件，熔体速度和温度已知，入口聚合物熔体组份等于1，空气为0;2)模壁处熔体速度为零，属无滑移边界条件，壁面接触处的传热系数取值为25 000 W/(m2·℃);3)出口处为压力边界条件，相对压力设置为0;4)熔体前沿仅考虑表面张力，忽略热交换;5)GCP压力通过型腔内空气压力变化表示，分别取0，1和2 MPa进行模拟，GCP压力为0相当于传统(常规)注塑成形.2 结果与讨论2.1 GCP压力对熔体前沿的影响在不同的GCP压力作用下，塑料制品熔体完成充填所需时间不同，同一时刻塑料熔体的充填体积分数也不同.为验证模拟结果的合理性，取GCP压力为0时(即传统注塑成形)PP熔体的充填体积分数随时间变化情况，见图3.图3 传统注塑成形中体积分数随充填时间的变化Fig.3 Change of volume fraction with filling time during conventional injection molding由图3可知:PP熔体在型腔中的充填体积分数随时间变化比较均匀;靠近浇口中心位置熔体的充填速度较快;靠近模具壁处，由于模具壁温度低，塑料熔体的温度接触模具壁面后迅速降低，熔体形成冷凝层，影响熔体的流动，充填较慢.改变GCP 压力为1和2 MPa，依次完成数值模拟，结果发现:当GCP压力为0时PP充填满整个型腔约0.3 s，GCP压力为1 MPa时充填时间为1.0 s，GCP压力为2 MPa 时充填时间为2.0 s.由此可知:GCP压力增大时，PP熔体充填满整个型腔所需时间也相应增加，表明反压气体会影响对塑料熔体在型腔中的流动.考虑GCP压力变化时，从模拟结果提取给定时刻PP熔体的流动前沿的位置和形状，可直观观察GCP压力对熔体流动的影响.不同GCP压力下给定时刻熔体的流动前沿见图4.由图4可知:当GCP压力增加时，熔体前沿面受的GCP压力增大，熔体流动需克服较大的压力，PP充满型腔所需的时间增加;当熔体前沿有1或2 MPa反压气体的压力作用时，熔体前沿形状发生变化，与传统注塑成形相比，曲面曲率变大，表明该截面处的速度梯度变小，利于熔体型腔的均匀充填.图4 指定时刻时不同GCP压力下的流动前沿位置Fig.4 Flow front position atgiven times under different GCP pressures流动方向截面处的SEM结果见图5.对比图3和5，发现ANSYS CFX模拟的塑料熔体充填过程与实验中熔体型腔中的流动前沿形状趋势一致，模拟结果合理.由图5b可知:当型腔有GCP压力后，熔体前沿类似抛物线形状的线条变得密集均匀，熔体前沿的曲率变小，与图4的模拟结果趋势一致.图5 不同成形工艺下熔体流动方向截面处的扫描电子显微镜观察结果Fig.5 Scanning electron microscope view results of cross section in melt flow direction under different molding processes2.2 GCP压力对熔体速度的影响为量化GCP压力对熔体速度的影响，选定浇口附近固定位置为参考点，提取模拟结果中指定位置处不同GCP压力下的熔体速度，见图6.在充填0.10 s时，GCP压力为0，1和2 MPa时的熔体速度分别为 0.52，0.48 和 0.45 m/s，最大降幅为 13.5%.此模拟结果与图5类似，即GCP压力增大时，熔体沿流动方向上的速度有减小趋势.为便于直观观察反压技术对充填的影响，通过气体辅助注塑工艺进行实验.图7a中，气体内部压力为3 MPa，外部反压气压为0，相当于常规的气体辅助注塑成形;图7b中，外部GCP压力为5 MPa，相当于2 MPa反压条件下的常规的气体辅助注塑成形.在给定的时刻，GCP压力为2 MPa(外部压力为5 MPa)时气体的流动长度(图7b)小于GCP压力为0的长度(图7a).实验结果间接证明GCP压力可降低熔体和气体的速度.由于GCP压力相当于增加熔体的保压压力，使得熔体的密度增大，在内气体积近似相等的条件下，内压力相同的气体穿透长度明显减小.图6 不同GCP压力下熔体沿流动方向的速度曲线Fig.6 Melt velocity curves along flow direction under different GCP pressures图7 不同GCP压力下充填速度的实验结果Fig.7 Experimental results of fillingvelocity under different GCPpressures2.3 GCP压力对剪切应变速率的影响剪切应变速率对熔体取向、熔体破裂和残余应力等影响显著，GCP压力对剪切应变速率的影响可作为评价成形工艺参数是否合理及GCP技术优劣的指标之一.浇口附近位置处不同GCP压力下纤维增强塑料试样中纤维取向的测量与模拟结果见图8.由此可知:在GCP压力作用下，近浇口处厚度方向的纤维取向小于无GCP压力作用下的传统注塑制品，试样性能更均匀;在GCP压力作用下，试样厚度方向的纤维取向差异更小，取向张量Azy在皮层与芯层的最大差值为0.12;无反压时，Azy在皮层与芯层的最大差值为0.21.目前无法模拟反压作用下的纤维取向.传统注塑的纤维模拟取向结果与实验结果趋势一致，但忽略材料弹性的黏性本构方程使得模拟结果偏大.图8 不同GCP压力下近浇口位置处纤维取向的测量和模拟结果Fig.8 Measurement and simulation results of fiber orientation near gate under different GCP pressures浇口附近熔体的剪切应变速率随时间的变化曲线见图9.由此可知:随着时间的增加，熔体的剪切应变速率先升高后下降，表明熔体流动前沿到达选定的参考点位置时该处熔体的剪切应变速率可认为是熔体前沿所受的最大剪切应变速率;当GCP压力为2 MPa时，熔体剪切应变速率变化相对平缓，便于成形过程中所制备产品性能的均匀性，与图8中测量的纤维取向结果一致.GCP压力为0，1和2 MPa时熔体的最大剪切应变速率分别为6.1×106，5.8×106和2.6 ×106s－1.与传统注塑成形相比，GCP压力为2 MPa时最大剪切应变速率下降42.7%，可有效改善成形加工中的分子(纤维)的取向，使垂直于流动方向的制品性能得到提高.图9 不同GCP压力下浇口附近熔体剪切应变速率-时间曲线Fig.9 Curves of shear rate variation against time of melt near gate under different counterpressures3 结束语初步实现GCP技术的数值模拟，以平板制品为例，研究GCP压力对塑料熔体充填过程中流动状态的影响.从模拟结果看:GCP压力对熔体的流动形态有明显影响;GCP压力不同，熔体的流动速度、最大剪切应变速率也发生变化，并且随着GCP压力的提高熔体的流动速度、剪切应变速率都呈下降的趋势.模拟结果与实验的趋势吻合.由于反压工艺使用方式多样，本文没有考虑GCP压力的保持时间且简化较多，为更精确模拟GCP技术，还需结合现场参数，进一步完善数学模型与模拟方法.参考文献:【相关文献】［1］ CHEN S C，LIAO W H，CHIEN R D，et al.Structure and mechanical properties of polystyrene foams made through microcellular injection molding via control mechanisms of gas counter pressure and mold temperature［J］.Int Commun Heat＆ Mass Trans，2012，39:1125-1131.［2］ CHEN S C，HSU P S，HWANG S S.Effect of gas counter pressure and mold temperature variation on surface quality and morphology of microcellular polystyrene foams［J］.J Appl Poly Sci，2013，127(6):4769-4776.［3］ LEE J，TURNG L S，DOUGHERTY E，et al.A novel method for improving the surface quality of 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