塑料挤出成型过程的数值模拟研究

引言：

复合共挤出片材使多层具有不同特性的物料在挤出过程中彼此复合在一起，使制品兼有几种不同材料的优良特性，在特性上进行互补，从而得到特殊要求的性能和外观，如防氧和防湿的阻隔能力、着色性、保温性、热成型和热粘合能力及强度、刚度、硬度等机械性能。

高聚物被誉为20世纪人类最重大的20项发明之一。由于高聚物本身具有良好的物理机械特性，因此，广泛地应用于工农业生产、交通运输、医疗、国防及日常生活中。随着高聚物新型材料的不断出现和市场上对高聚物挤出产品性能要求的不断提高，单一组分的制品往往具有局限性，无法满足制品的使用和加工性能、外观等方面的特殊要求，因此，多组分的复合材料制品应运而生。

目前，人们已经开发出多种方法制取多组分片材制品，采用共挤出工艺是最简便易行的一种方法，该方法已成为当代最先进的塑料成型加工方法之一。高聚物片材共挤出工艺是一种使用数台挤出机分别供给不同的熔融料流，在一个复合机头内汇合共挤出得到多层复合片材的加工过程。利用共挤出技术生产的具有综合性能的多层复合材料在许多领域中有着极其广泛的应用价值。此外，它可以大幅度地降低制品成本，简化流程，减少设备投资，而且在复合过程不使用溶剂，不产生三废物质，因此共挤出技术被广泛用于板材、片材和平膜的生产。

吹膜共挤出

高性能多层复合薄膜主要由基材、阻隔材料、粘合剂等三种材料组成，它的特点是：对氧和水汽的阻隔性好，薄膜的强度和耐穿刺性高，热封性好，粘结性强，有良好的防雾性、防滑性、着色性。生产多层复合膜主要生产方法有：涂布法、层合法、共挤流延法和共挤吹膜法。

吹膜共挤出主要用于生产高阻隔性包装膜、收缩膜、中空保鲜膜、土工膜等，它在食品、药品、日化产品包装、农用大棚、水利工程、环境工程等领域有着广泛的应用。采用吹膜共挤出生产工艺，通过厚度的有效调整使膜的功能得到量化控制，膜的各层结构组合方便灵活，基材选用范围更加广泛。另外，利用这种技术生产复合膜能够降低成本、提高强度、增加膜的阻隔性和附加值，从而使复合膜的市场适应性得到提升。为此，英国BramptonEngineering、德国BattenfeldGloucester、Barmag、加拿大MarcoEngineering、意大利Dolci、美国MA等公司分别研究成功多层圆盘式环形共挤出机头、同心螺旋芯轴式共挤出机头和多层圆锥盘环形共挤出机头等，其每层流道的结构形状有环形流道、心型包络式流道、螺旋支管式流道等多种型式。 目前吹膜共挤出机头的最新技术为多层圆锥盘环形共挤出机头和螺旋支管式流道的组合型式，相邻层间温差可达80℃，制品厚度误差在5%以内。在此用已二醇制冷机组来替代冷却水机，冷却采用模体内冷和风环外冷结合，提高冷却和结晶速度，以增加薄膜的透明度、强度和韧性。复合膜的最多层数为11层，大棚膜最大幅宽达24m。

孙静，等：单螺杆挤出过程计算机仿真系统的研究开发　２７　

单螺杆挤出过程计算机仿真系统的研究开发术　

孙静吴大鸣许红王建华　江顺亮　（北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所，北京１０００２９）　（南昌大学，南昌３３００２９）　摘要通过建立挤出过程的三段七区数学模型及各种物性及螺杆参数数据库，使用高级编程语言Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋　６．０、ＯｐｅｎＧＬ等软件，开发了完全基于Ｗｉｎｄｏｗｓ的单螺杆挤出过程计算机仿真系统。本系统能近似地模拟聚合物挤　出成型过程，并预测加工条件变化对制品的影响。　关键词挤出　计算机仿真数学模型　近年来，聚合物成型加工过程的计算机仿真是　聚合物加工领域的一个新“热点”，它主要是利用高　分子材料学、流变学、传热学、计算力学和计算机图　形学等基本理论，建立聚合物成型过程的物理和数　学模型，构建有效的数值计算方法，实现成型过程的　动态仿真分析。计算机仿真技术…的发展已经可　以成功地重现聚合物的成型加工过程，从而实现计　算机辅助聚合物加工过程分析与评估，它可使设计　人员避免设计中的盲目性，使生产操作人员能预测　工艺参数对制品外观和性能的影响，设计人员和生　产人员可以利用计算机模拟仿真技术有目的地修正　设计方案和工艺条件，克服因经验少、工作疏漏而造　成的不良后果，多快好省地进行新产品、新工艺的研　究，以适应日益激烈的竞争环境。　挤出成型法是橡塑制品加工的主要方法之一。　目前商业提供的挤出机模拟分析软件大多侧重于对　某一方面进行分析，如美国的ＦＩＤＡＰ　Ｊ，比利时的　ＰＯＬＹＦＬＯＷｌ３　等主要用来模拟挤出口模内的流动，　或者进行一些数值模拟，只有设计人员才可以看懂，　不利于其他人员如生产操作人员从总体上把握整个　生产过程。针对上述不足，笔者决定研制开发单螺　杆挤出过程计算机仿真系统，既可以实现加工过程　的分析与评估，又有利于从整体上把握挤出过程。　１仿真系统的建立　１．１预期目标　单螺杆挤出过程计算机仿真系统主要涉及三方　面的工作：一是建立挤出过程的数学模型：二是建立　挤出过程仿真参数的数据库与数据处理；三是实现　挤出仿真过程的动画化。作为挤出过程仿真系统与　操作者之间交互的主界面，应能直观、生动地显示整　个挤出过程，并且实现了对挤出机的实时操作和控　制，表征最终制品的质量，拟定仿真系统实现下列功　能：　（１）动画能与前期的设定条件相衔接，与挤出　数学模型相吻合，并以此作为理论根据；　（２）能直观地反映塑料挤出的全过程，应包括　加工设备的所有典型动作情况；　（３）能反映挤出机的操作步骤，例如加工过程　中的开机顺序等；　（４）能实时反映工艺条件，如挤出机温度、压力　的变化对最终制品质量的影响，并能根据制品的质　量提出合理化建议；　（５）能提供微观条件下部分加工过程情况，如　机筒内物料的微观流动情况等。　１．２挤出过程仿真系统的流程图　挤出过程仿真系统的主要功能模块与流程图如　图１所示。　１．３数学模型　建立数学模型在整个聚合物挤出仿真系统研究　中占据举足轻重的地位，模型的好坏是系统成败的　关键。笔者所采用的数学模型是朱复华教授等历经　２Ｏ余年的辛勤劳动所创建的三段七区物理模型　，　该模型是在大量可视化实验及理论推导的基础上提　出的。’　整个模型分为三大段：第一段为固体输送段，其　中又分为两个区，第１区是非塞流区，由于物料未被　压实，粒料之间存在着相对运动，螺槽亦未被充满。　随着物料向前运动，压力逐渐增高，开始进入第２区　即塞流区。第二段为熔融段，该段又分为４个区．即　第３区～第６区：第３区称为上熔膜区，该区的螺槽　中仅有刚产生的上熔膜；第４区简称为熔池区，即　Ｔａｄｍｏｒ提出的经典的熔融区，该区的特点是仅有上　熔膜和熔池；第５区称为环流区，此区的特点是，由　

加工与应用　合成树脂及塑料，２０１１，２８（２）：５４　ＣＨＩＮＡ　ＳＹＮＴＨＥＴＩＣ　ＲＥＳＩＮ　ＡＮＤ　ＰＬＡＳＴＩＣＳ　聚合物气辅共挤对挤出胀大影响的数值模拟　刘　勇　，肖　兵　，尹智龙　（１．江西蓝天学院机械工程系，江西南昌３３００２９：　２．江西南昌工程学院机械与电气工程系．江西南昌３３００９９）　摘　要：　采用计算流体力学软件建立了二维模型，以低密度聚乙烯和聚苯乙烯为研究对象分析二维模型的有　限元。对比了气辅共挤和传统共挤过程中挤出胀大与熔体界面分布，研究了气辅共挤和传统共挤对１３模压降、剪切　速率分布及剪切应力分布的影响，将气辅共挤、传统共挤时口模压降与挤出胀大率的模拟、实验结果做了对比。结果　表明：气辅共挤能有效减小甚至消除传统共挤过程中出现的挤出胀大现象，并有助于熔体界面的稳定和降低口模压　降；模拟结果与实验结果具有良好的一致性。　关键词：　聚合物气体辅助共挤成型挤出胀大数值模拟　中图分类号：ＴＱ　３２５．１　文献标识码：　Ｂ　文章编号：　１００２—１３９６（２０１１）０２—００５４—０４　气体辅助共挤成型技术（简称气辅共挤成型）　是一种新型的聚合物挤出成型技术，其实质是将　气辅挤出技术应用于共挤成型技术．发挥气辅挤　出和共挤成型的优点【１］。采用通用的计算流体力学　（ＣＦＤ）有限元分析软件，对二维口模气辅共挤出　过程及传统共挤出过程进行数值模拟，研究口模　内的流场、压力场和应力场，分析比较气辅共挤出　和传统共挤出成型时的挤出胀大、口模压降及其　对塑料制品质量的影响。　１数值模拟　数值模拟模型采用无限宽的共挤出流道的二　维几何模型。共挤出流道分为平流区、收敛流动　区、共挤出流动区嘲，其几何参数（见图１）为：ＡＢ，　ＡＵ，ＢＴ，ＵＴ，ＣＳ，ＤＰ，ＥＱ，ＦＧ长度相等，均为２．０　ｃｍ：ＣＤ长４．０　ｃｍ；ＤＥ长３，５　ｃｍ；ＥＦ长７．０　ｃｍ；　ＢＣ等于４．５／ｃｏｓ３０。，为５．２　ｃｍ；收敛角（／ＴＳＲ）为　６０ｏ：上下沿着ＳＰＱＧ对称。　人口１　人口２　Ｆ　Ｇ　Ｈ　图１　口模结构示意　Ｆｉｇ．１　Ｄｉｅ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　１．１有限元网格划分　因为口模是对称的，取其对称轴上半部分进　行研究，采用流体分析前处理软件ＧＡＭＢＩＴ进行　口模几何造型和网格划分，坐标原点取在Ｐ点（见　图１），纵坐标为Ｙ轴，横坐标为　轴。本工作研究　的是聚合物熔体二维流动，选取八节点四边形单　元，采用映射面网格划分方法划分几何模型，在流　体梯度变化较大的地方（如两种熔体的入口处ＡＵ　和ＭＮ、气体入口处ＤＰ和ＰＪ、口模出ＬＩ处ＥＱ和　ＱＩ）网格划分较密。初始网格划分后见图２。　

7材料成型过程的计算机模拟——MOLDFLOW

MOLDFLOW是一种用于模拟材料成型过程的计算机软件。它通过计算机模拟，可以预测和优化塑料制品成型过程中的缺陷和问题，如短流、气泡、收缩和变形等。本文将详细介绍MOLDFLOW的工作原理、应用和优势。

MOLDFLOW的工作原理主要基于有限元分析（FEA）方法。它将整个成型过程分为多个时间和空间步骤，并对每个步骤中的物理过程进行数值模拟。通过对塑料的熔融、流动、冷却和固化等过程的模拟，MOLDFLOW能够提供详细的信息，如温度分布、流动速度、塑料填充和压力分布等。同时，MOLDFLOW还可以通过计算机模拟来预测和优化成型过程中的缺陷和问题，如短流、气泡、收缩和变形等。

MOLDFLOW的应用范围非常广泛。它可以用于注塑成型、吹塑成型、压缩成型、挤出成型等各种材料成型过程的模拟和优化。在注塑成型中，MOLDFLOW可以帮助优化模具设计、材料选择和加工参数，从而提高产品质量和生产效率。在吹塑成型中，MOLDFLOW可以预测和优化瓶嘴的形状和位置，从而改善瓶子的气密性和外观。在挤出成型中，MOLDFLOW可以模拟材料的流动和变形，从而改善挤出产品的尺寸精度和表面质量。

MOLDFLOW的优势主要体现在以下几个方面。首先，它能够通过计算机模拟来预测和优化成型过程的缺陷和问题，从而节省了传统试验方法所需的时间和成本。其次，MOLDFLOW可以提供详细的信息，如温度分布、流动速度、塑料填充和压力分布等，从而帮助工程师更好地理解材料的行为和成型过程的变化。此外，MOLDFLOW还可以进行多场耦合分析，如热-流体耦合分析、应力-应变耦合分析和热-机械耦合分析等，从而更全面地研究材料成型的多种物理过程。 总之，MOLDFLOW是一种用于模拟材料成型过程的计算机软件。它通过计算机模拟，可以预测和优化塑料制品成型过程中的缺陷和问题，如短流、气泡、收缩和变形等。MOLDFLOW的工作原理基于有限元分析方法，它能够模拟塑料的熔融、流动、冷却和固化等过程，并提供详细的信息。MOLDFLOW的应用范围广泛，可以用于各种材料成型过程的模拟和优化。它的优势主要体现在节省时间和成本、提供详细信息和进行多场耦合分析等方面。