胡珊斕,何雪濤,譚 晶,程 祥,丁鳳龍,丁玉梅

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

擠出口模有限元仿真研究進(jìn)展

胡珊斕,何雪濤,譚 晶,程 祥,丁鳳龍,丁玉梅*

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029)

綜述了近10年間數(shù)值模擬在擠出口模應(yīng)用中的研究進(jìn)展，詳細(xì)介紹了異型材擠出口模、氣輔擠出和共擠出的數(shù)值模擬研究成果。在異型材擠出口模方面，其難點(diǎn)在于復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而利用Polyflow軟件指導(dǎo)實(shí)際的復(fù)雜口模設(shè)計(jì)取得了顯著進(jìn)展；氣輔擠出以及氣輔共擠成型能夠明顯降低擠出脹大比，利用數(shù)值模擬雖對(duì)氣輔擠出成型進(jìn)行了理論探索，但在大型工業(yè)化應(yīng)用上仍存在許多不足；在共擠出仿真過(guò)程中，Polyflow軟件可較好地預(yù)測(cè)簡(jiǎn)單截面口模共擠出的擠出界面位置。

擠出口模；異型材擠出；氣輔擠出；共擠出；數(shù)值模擬

0 前言

擠出口?？煞譃楹?jiǎn)單規(guī)則口模(如方形、圓形等)及復(fù)雜異型材口模。在擠出口模實(shí)驗(yàn)研究中由于擠出工藝時(shí)間長(zhǎng)、成本高，且聚合物熔體在機(jī)頭口模擠出過(guò)程中的流動(dòng)情況非可視化，只能憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)機(jī)頭口模形狀，使得修模次數(shù)多。有限元分析技術(shù)作為一種新型的研究手段，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的跨越提升在近30年間發(fā)展迅猛。有限元分析手段的出現(xiàn)，為人們預(yù)測(cè)擠出機(jī)機(jī)頭口模內(nèi)物料熔體的流動(dòng)狀況提供了可能，從而為改進(jìn)機(jī)頭口模的結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)，有助于人們得到更接近設(shè)計(jì)方案的產(chǎn)品。目前，采用有限元分析技術(shù)，針對(duì)擠出口模主要研究了以下幾種情況：(1)口模內(nèi)的流動(dòng)狀況：聚合物熔體的應(yīng)力場(chǎng)、壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)；(2)口模外的情況：擠出脹大比、共擠出界面位置；(3)口模的邊界條件(即是否存在壁面滑移現(xiàn)象)對(duì)流動(dòng)的影響；(4)提出新的口模設(shè)計(jì)方案并運(yùn)用仿真手段進(jìn)行驗(yàn)證。2003年以前有限元分析技術(shù)主要集中在對(duì)二維、簡(jiǎn)單幾何模型口模內(nèi)物料熔體流動(dòng)情況的研究；2010年以前則主要集中在對(duì)異型材擠出口模的設(shè)計(jì)研究上。本文綜述了近10年間異型材擠出、氣輔擠出和共擠出中擠出口模有限元仿真的研究進(jìn)展。

1 異型材擠出

異型材口模的截面形狀很復(fù)雜，合理的口模流道結(jié)構(gòu)以及工藝參數(shù)是保證異型材制品穩(wěn)定高速擠出的前提，隨著有限元仿真軟件在機(jī)頭流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，人們憑借仿真手段以及結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，大大提高了機(jī)頭口模的修模效率，減少了修模次數(shù)。文獻(xiàn)中有大量關(guān)于異型材截面及復(fù)雜流道形狀的口模模擬，其主要從口模內(nèi)的流動(dòng)分析、口模逆向設(shè)計(jì)和口模優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了分析研究。

1.1 口模內(nèi)的流動(dòng)

合理設(shè)計(jì)口模及選擇成型工藝，是以對(duì)熔體在異型材擠出口模流動(dòng)的充分研究為前提。2007年，柳和生等[1]采用Matlab研究了L形口模內(nèi)黏彈性流體三維等溫流動(dòng)的有限元法，模擬了本構(gòu)方程為Phan Thien-Tanner(PTT)黏彈模型流體在異型材口模內(nèi)的三維流動(dòng)，指出成型區(qū)和過(guò)渡區(qū)接合處是熔體流動(dòng)不穩(wěn)定的發(fā)源地。2008年，Díaz等[2]采用有限體積法模擬了橡膠熔體在管口的非等溫?cái)D出過(guò)程，得到了出口速度分布以及溫度分布。2008年，Yue[3]仿真分析了黏彈性流體中空異型材的非等溫?cái)D出過(guò)程，研究了工藝條件和口模結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)聚合物熔體流動(dòng)的影響。同年，Dai等[4]針對(duì)某實(shí)際橡膠密封條產(chǎn)品擠出設(shè)計(jì)了2種口模流道結(jié)構(gòu)，并采用Polyflow軟件分析了擠出流場(chǎng)分布以及擠出物形狀，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了口模流道某些部位適當(dāng)加寬有利于使擠出速度及壓力分布更均勻，擠出物形狀更接近實(shí)際形狀。朱常委等[5]數(shù)值模擬了在內(nèi)腔無(wú)注氣/注氣2種工況下多腔精密醫(yī)用導(dǎo)管的擠出脹大現(xiàn)象，獲得了導(dǎo)管截面變形與內(nèi)腔注氣壓力間的關(guān)系。肖建華等[6]模擬了PTT黏彈塑料熔體在具有不同過(guò)渡段的出圓管內(nèi)的二維等溫流動(dòng)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)不同過(guò)渡段的設(shè)計(jì)對(duì)擠出壓力影響大，對(duì)擠出脹大比無(wú)影響。陳晉南等[7]采用Polyflow軟件逆向擠出功能設(shè)計(jì)了非等溫?cái)D出時(shí)汽車(chē)密封件橡膠口模。結(jié)果表明，非等溫的數(shù)值模擬比等溫?cái)?shù)值模擬更接近口模擠出的實(shí)際情況。

2009年，Qin等[8]模擬了鋼塑共擠工藝過(guò)程，發(fā)現(xiàn)提高鋼襯移動(dòng)速度會(huì)降低模具內(nèi)壓降，鋼襯移動(dòng)速度需要與擠出流量合理匹配。Ganvir等[9]使用基于任意拉格朗日歐拉(ALE)技術(shù)的有限元法模擬了聚合擠出過(guò)程，發(fā)現(xiàn)聚合物熔體選用PTT本構(gòu)方程模擬時(shí)預(yù)測(cè)擠出脹大與實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配良好。謝興陽(yáng)等[10]采用 Polyflow軟件建立了環(huán)形機(jī)頭的三維等溫流動(dòng)模型，改變機(jī)頭流道結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工藝參數(shù)，研究了口模內(nèi)流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，流道內(nèi)的壓力場(chǎng)隨著間隙的增大而迅速降低，易使聚丙烯(PP)在機(jī)頭內(nèi)提前發(fā)泡。2010年，麻向軍等[11]采用Polyflow軟件模擬了T形模頭內(nèi)的熔體流動(dòng)和模具變形的耦合過(guò)程，研究了工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)模具表面沿模具厚度方向的變形和出口速度均勻性的影響。2011年，柳和生等[12]模擬了聚合物PTT黏彈熔體在異型材C形和Y形擠出口模內(nèi)的三維等溫流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)異型流道上突出棱角結(jié)構(gòu)減小了流道截面的有效流動(dòng)面積。Zhang等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬方法研究了丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)熔體擠出脹大現(xiàn)象，擠出物膨脹過(guò)程由高速攝影裝置記錄，發(fā)現(xiàn)擠出脹大率在前5 s增加，最大脹大率約為4.37 %，模擬計(jì)算的擠出物膨脹形狀與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。此外，一些學(xué)者數(shù)值模擬了毛細(xì)血管擠出過(guò)程[14-15]。2014年，Kim等[15]采用不同本構(gòu)方程模擬了橡膠熔體在毛細(xì)血管流變儀中的擠出過(guò)程，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)只有完整的黏彈性模型預(yù)測(cè)了毛細(xì)管入口處的渦流，簡(jiǎn)化的黏彈性模型和廣義牛頓模型并沒(méi)有預(yù)測(cè)渦流，PTT和簡(jiǎn)化黏彈性模型預(yù)測(cè)的擠出脹大與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

以上研究成果表明，數(shù)值模擬可對(duì)擠出時(shí)工藝參數(shù)的選取及口模結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供有益的評(píng)價(jià)結(jié)果，且聚合物的本構(gòu)方程選用黏彈性模型時(shí)模擬結(jié)果更加接近實(shí)際情形。

1.2 口模逆向設(shè)計(jì)

Polyflow軟件在求解非牛頓流體流動(dòng)及非線性問(wèn)題方面具備無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，擠出脹大的逆向求解功能是其特有的功能，能夠給出口模設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。2007年，Dai等[16]以橡膠密封條為研究對(duì)象，采用Polyflow軟件逆向擠出設(shè)計(jì)功能得到了理論上的流道結(jié)構(gòu)，提出了基于逆向設(shè)計(jì)的口模尺寸擴(kuò)充方法，并采用加工的口模進(jìn)行擠出試驗(yàn)，驗(yàn)證了該擴(kuò)充法的合理性，解決了理論設(shè)計(jì)的流道擠出制品輪廓偏小的問(wèn)題。2009年，朱常委等[17]利用Polyfow軟件具體給出了雙孔異徑和雙腔異型精密醫(yī)用導(dǎo)管的逆向擠出脹大求解過(guò)程，同時(shí)預(yù)測(cè)了常用的一些多腔精密醫(yī)用導(dǎo)管對(duì)應(yīng)的口模截面形狀。2010年，徐磊等[18]采用Polyflow軟件逆向數(shù)值模擬了具有3種不同過(guò)渡段形狀的T形異型材口模的擠出過(guò)程。結(jié)果表明，逆向設(shè)計(jì)得到的口模出口口形與過(guò)渡段形狀變化無(wú)關(guān)。2014年，王國(guó)林等[19]運(yùn)用Polyflow軟件逆向設(shè)計(jì)了某胎面膠擠出口模的形狀，并對(duì)該口形進(jìn)行了正向擠出分析，驗(yàn)證了逆向設(shè)計(jì)的合理性。

采用Polyflow軟件逆向設(shè)計(jì)口模時(shí)，將所需擠出物的斷面形狀拉伸一定距離作為求解幾何域，通過(guò)有限元手段計(jì)算出口模定形段結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)方法直觀、簡(jiǎn)便，對(duì)設(shè)計(jì)具有異常復(fù)雜斷面結(jié)構(gòu)的擠出口模具有一定的參考價(jià)值。

1.3 口模優(yōu)化設(shè)計(jì)

口模優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種將數(shù)值模擬技術(shù)與優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，有助于大幅度縮短口模的設(shè)計(jì)時(shí)間，提高口模的設(shè)計(jì)品質(zhì)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)口模優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，并得到了很多有助于解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題的優(yōu)化方法[20-25]。2008年，麻向軍等[26]針對(duì)一種異型材擠出口模以熔體在口模出口處的速度均勻性為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)口模壓縮段入口截面形狀和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的出口速度均勻性得到了顯著提高。大部分的數(shù)值模擬研究均基于簡(jiǎn)單異型材截面做了大量簡(jiǎn)化，而針對(duì)復(fù)雜中空塑料異型材擠出過(guò)程的研究卻較少，其難度在于求解域流道的建模以及邊界條件的確定。2011年，Wang等[27]結(jié)合多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助仿真/企業(yè)資源計(jì)劃數(shù)據(jù)庫(kù)(CAD/CAE/ERP)建立的擠出口模數(shù)據(jù)庫(kù)，以復(fù)雜中空塑料異型材出口處物料分布均勻?yàn)閮?yōu)化目標(biāo)，以對(duì)優(yōu)化目標(biāo)影響較大的壓縮段間隙為設(shè)計(jì)變量，給出了局部區(qū)域的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)試模驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的口模出口處塑料熔體各處均勻擠出。2010年，趙峰等[28]建立了一種基于多因素評(píng)價(jià)的正交優(yōu)化與數(shù)值模擬的異型材木塑擠出機(jī)頭流道的設(shè)計(jì)方法，選取7個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)作為影響因素，發(fā)現(xiàn)依據(jù)該方法可迅速得到出口速度最均勻的木塑異型材機(jī)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。2013年，Puentes等[29]利用有限元手段，基于停留時(shí)間分布法(RTD)優(yōu)化設(shè)計(jì)了聚烯烴管制品擠出中的模具結(jié)構(gòu)，大大改善了熔體滯流及回流的現(xiàn)象。2014年，Yilmaz等[30]利用Poyflow軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)了高密度聚乙烯(PE-HD)在L形口模中的擠出過(guò)程，發(fā)現(xiàn)以2個(gè)幾何參數(shù)作為變量，基于Kriging模型優(yōu)化法選用4個(gè)目標(biāo)函數(shù)作為速度均勻性的計(jì)算指標(biāo)，有助于高效、精確地獲得最好的優(yōu)化結(jié)果。2015年，林廣義等[31]利用Polyflow軟件針對(duì)L形寬幅片材機(jī)頭內(nèi)部的冪率流體的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬優(yōu)化，并分別以口模高度、阻尼高度、主流道首末端直徑比為設(shè)計(jì)變量，得出了該設(shè)計(jì)變量下L形機(jī)頭擠出效果最好的最優(yōu)解。2016年，林麗紅等[32]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及理論選取了改進(jìn)橡膠胎面膠流道阻尼的3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了各參數(shù)對(duì)膠料在流道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響，選定最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)并進(jìn)行了擠出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析了誤差原因并指出了未來(lái)的研究方向。2017年，Rajkumar等[33]利用Open Foam軟件提出了一種新方法優(yōu)化設(shè)計(jì)聚合物在L形和T形模具非等溫流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)平衡問(wèn)題，并結(jié)合一些研究實(shí)例對(duì)這種方法進(jìn)行了評(píng)估。

從工程實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，口模的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有良好的技術(shù)前景，但其難點(diǎn)在于優(yōu)化區(qū)域及優(yōu)化變量的選取，這些需要結(jié)合實(shí)際的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以保證在減小運(yùn)算量的條件下進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 氣輔擠出

氣輔擠出成型是在傳統(tǒng)擠出成型基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種創(chuàng)新的擠出成型工藝[34]。傳統(tǒng)擠出成型中流道壁面對(duì)塑料熔體的黏附力及摩擦力是影響擠出脹大、“鯊魚(yú)皮”、熔體破裂、界面不穩(wěn)定等現(xiàn)象的重要因素之一，制約了傳統(tǒng)擠出成型技術(shù)的發(fā)展。2001年，Liang等[35]首次提出了氣輔擠出成型技術(shù)，其在擠出口模的上下口模之間設(shè)計(jì)了一個(gè)0.1 mm的環(huán)形間隙，并在環(huán)形間隙間將高壓氣體注入口模內(nèi)壁，使聚合物熔體和口模內(nèi)壁之間形成氣墊膜層，熔體呈現(xiàn)完全滑移擠出，此后將這種擠出方法命名為氣輔擠出。隨后國(guó)內(nèi)學(xué)者[36-37]開(kāi)始了數(shù)值模擬研究以及實(shí)驗(yàn)研究。研究表明，氣輔擠出成型在塑料熔體及口模壁面間形成的氣墊層使得口模壁面對(duì)塑料熔體的摩擦力降至最小，解決了傳統(tǒng)擠出成型中存在的擠出脹大和擠出變形等難題。氣輔成型區(qū)壁面邊界應(yīng)滿(mǎn)足剪切應(yīng)力和法向速度均為零的動(dòng)力學(xué)條件，其等同于完全壁面滑移條件。

2005年，黃興元等[37]自行研制了氣輔擠出實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了PE-HD在圓形口模中的傳統(tǒng)擠出和氣輔擠出的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并采用Fidap有限元軟件分析了氣輔擠出中口模內(nèi)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)口模內(nèi)聚合物熔體各點(diǎn)的速度和壓力趨于一致，提高了制品加工精度。同年，胡晨章等[38]也模擬了黏彈流體在方形氣輔口模中的等溫流動(dòng)過(guò)程，得出了不同材料流變性能與其擠出物形狀的關(guān)系。2008年，柳和生等[39]對(duì)低密度聚乙烯(PE-LD)進(jìn)行T形異型材氣輔口模擠出脹大的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，氣輔擠出既能有效減小擠出脹大，又能精確控制異型材的形狀及尺寸。2009年，肖建華等[40-41]對(duì)黏彈性聚合物熔體在圓棒形氣輔擠出成型過(guò)程進(jìn)行了有限元研究，考察了口模氣輔段的長(zhǎng)度以及物性參數(shù)對(duì)擠出物擠出脹大比的影響。2010年，李萍等[42]模擬了PE-HD在方形口模內(nèi)氣輔擠出成型過(guò)程，得出氣輔擠出大大降低了口模內(nèi)壁對(duì)熔體流動(dòng)的阻力。超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(PE-UHMW)性能優(yōu)異、成本低廉，但加工難度大，采用傳統(tǒng)的成型方法難以實(shí)現(xiàn)。2011—2012年，柳和生等[43-44]以PE-UHMW的圓形口模擠出為研究對(duì)象，運(yùn)用Polyflow軟件數(shù)值模擬了氣輔擠出時(shí)的二維等溫流動(dòng)模型，研究了入口流量、物料松弛時(shí)間及零剪切黏度等參數(shù)對(duì)擠出脹大比、速度分布、壓降及熔體外表面剪切速率的影響，進(jìn)一步證明了在PE-UHMW擠出成型時(shí)采用氣輔擠出工藝的優(yōu)越性。2013年，宋建輝等[45-47]采用有限元手段研究了聚合物熔體在方形、L形、T形口模中的氣輔擠出成型過(guò)程，表明氣輔成型對(duì)不同形狀口模擠出適應(yīng)性良好，有助于簡(jiǎn)化異型材口模設(shè)計(jì)。2014年，宋建輝等[48]又以T形截面異型材氣輔擠出口模數(shù)值模擬的擠出脹大比為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合正交試驗(yàn)表L16(43)，以氣輔擠出滑移段長(zhǎng)度、松弛時(shí)間和擠出流量作為影響因素，得出氣輔擠出段長(zhǎng)度對(duì)擠出脹大的影響最大，其次是松弛時(shí)間，擠出流量的影響最小，增加氣輔擠出段長(zhǎng)度、減小松弛時(shí)間和擠出流量可減小擠出脹大。2015年，黃楚曄等[49]采用Polyflow軟件數(shù)值模擬了微管氣輔擠出與傳統(tǒng)擠出過(guò)程的差異，得出氣輔微管擠出基本消除了擠出脹大現(xiàn)象，口模壓力比傳統(tǒng)微管擠出降低了1/2。同年，余忠等[50]以給排水管為研究對(duì)象，對(duì)管材傳統(tǒng)口模擠出和氣輔口模擠出過(guò)程進(jìn)行了等溫?cái)?shù)值模擬，進(jìn)一步證實(shí)了氣輔擠出的優(yōu)越性。2016年，Zhong等[51]以聚合物熔體在中空“回”形截面型材內(nèi)外的流動(dòng)場(chǎng)為研究對(duì)象，得到在無(wú)氣輔擠出、內(nèi)/外壁單氣輔擠出及內(nèi)外壁雙氣輔擠出條件下的擠出脹大比、壓力、速度、剪切速率及法向應(yīng)力分布情況。研究表明，中空型材內(nèi)外壁面雙氣輔擠出能很好地消除離模膨脹效應(yīng)。

以上針對(duì)氣輔擠出的數(shù)值模擬中，均采用完全滑移壁面條件來(lái)簡(jiǎn)單地代替氣輔擠出，認(rèn)為口模壁面處氣體層的氣體是不可壓縮的，由于完全忽略了氣體對(duì)熔體的影響，使得熔體的流動(dòng)情況和成型效果與實(shí)際有一定差距。2015年，Zhong等[52]建立了聚合物熔體和氣輔成型中壓縮氣體的兩相流模型，采用非等溫黏彈本構(gòu)方程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析了傳統(tǒng)無(wú)氣輔以及可壓縮氣輔擠出時(shí)物理場(chǎng)的分布，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可壓縮氣體的壓力對(duì)氣輔擠出時(shí)物理場(chǎng)分布的影響。2016年，余忠等[53]針對(duì)管材型氣輔擠出口模，建立了二維氣體/熔體兩相流有限元模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)氣輔擠出時(shí)需在兩相流匯合處，口模沿厚度方向預(yù)留足夠的空間以滿(mǎn)足制品的形狀精度要求。

3 共擠出

共擠出成型是將2種或多種不同的熔體同時(shí)擠出成型的方法，能經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)雙層或多層復(fù)合材料，使擠出制品具備特殊性能，降低成本。針對(duì)共擠出成型的研究主要集中在熔體界面的形狀及穩(wěn)定性方面。

3.1 傳統(tǒng)共擠出

傳統(tǒng)共擠出法采用的是普通的擠出機(jī)頭及口模，氣輔共擠出法是近10年出現(xiàn)的新型共擠出法，其特點(diǎn)是采用氣輔共擠出口模。

對(duì)于傳統(tǒng)簡(jiǎn)單口模共擠出的數(shù)值模擬分析，2008年，黃益賓等[54]運(yùn)用Polyflow軟件對(duì)2種聚合物熔體在方形共擠口模中擠出時(shí)的層間界面位置和形狀進(jìn)行了三維黏彈數(shù)值模擬，將得到的結(jié)果與Karagiannis等[55]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互比較，發(fā)現(xiàn)該模擬可較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)共擠層間界面位置。2009年，Matsuo 等[56]研究了黏彈性聚合物共擠出時(shí)不同流變特性的黏彈性流體層的排列對(duì)界面不穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)相鄰層間聚合物熔體彈性差異大是導(dǎo)致共擠出界面不穩(wěn)定性的重要因素。2010年，黃益賓等[57]對(duì)PP/聚苯乙烯(PS)在矩形口模內(nèi)的共擠出過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在共擠出物斷面中黏度低的PP有向黏度高的PS偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，通過(guò)數(shù)值模擬采用PTT本構(gòu)方程和微小滑移壁面條件，分析了共擠物的速度場(chǎng)、剪切速率場(chǎng)，解釋了此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。2013年，Liu等[58]利用Polyflow軟件模擬了2種黏彈性塑料熔體在矩形流道中的共擠出過(guò)程，分析了壁面滑移系數(shù)與入口流量的影響，并對(duì)比了實(shí)驗(yàn)得到的共擠出物界面位置，發(fā)現(xiàn)選用合理的壁面滑移系數(shù)時(shí)仿真結(jié)果更接近實(shí)際情況。

傳統(tǒng)異型材共擠出仿真主要集中在以下幾個(gè)方面。2013年，鄧小珍等[59]采用Polyflow軟件，建立了C形共擠口模中PS和PP 2種熔體流動(dòng)的三維非等溫黏彈模型，研究了共擠出口模入口端熔體層間界面位置(r)與擠出脹大比和界面位置之間的關(guān)系。研究表明，隨著r的增大，擠出脹大比減小；當(dāng)2種熔體的入口流率相等時(shí)，取使2種熔體入口面面積近似相等的r值，能保證熔體層間界面位置具有較好的穩(wěn)定性。2013年，何建濤等[60]數(shù)值模擬了不同滑移系數(shù)時(shí)黏彈性塑料熔體的L形異型材三維等溫共擠出過(guò)程，發(fā)現(xiàn)滑移系數(shù)越小，共擠出制品品質(zhì)越好。2014年，萬(wàn)齊訪等[61]采用PTT本構(gòu)方程，通過(guò)Polyflow軟件分析了L形包覆共擠成型中的擠出脹大現(xiàn)象。結(jié)果表明，熔體層的厚度變化對(duì)整體擠出脹大比的影響微小，對(duì)殼層、芯層脹大比及熔體分界面內(nèi)直角處沿x、y軸的偏轉(zhuǎn)影響較大。2014年，Harris等[62]運(yùn)用視化實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了聚合物熔體的共擠出過(guò)程，發(fā)現(xiàn)流變性能相近的聚合物熔體共擠出時(shí)，擠出物較為理想，當(dāng)流變性能相差較大的聚合物熔體共擠出時(shí)，采用流動(dòng)均勻性更好的模具能夠提高擠出效果，降低壓降。2014年，王其兵等[63]采用有限元法對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯/聚氯乙烯(PMMA/PVC)復(fù)合共擠出窗框進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以共擠出機(jī)頭出口處復(fù)合材料截面上各子區(qū)域的流速分布均勻?yàn)閮?yōu)化目標(biāo)，以對(duì)速度分布有較大影響的壓縮段間隙為設(shè)計(jì)變量，結(jié)合ERP系統(tǒng)及CAD/CAE擠出模頭專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)過(guò)多次試模驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后復(fù)合異型材的型胚品質(zhì)大幅提高。同年，何建濤等[64]模擬分析了物性參數(shù)對(duì)PP/PS在L形口模中三維非等溫黏彈流動(dòng)過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)2種熔體的黏度差異越大，共擠出脹大比和變形的差異越大。2016年， Wang[65]優(yōu)化設(shè)計(jì)了共擠出木塑型材的模具結(jié)構(gòu)，速度均勻性在共擠出模頭出口處的每個(gè)子區(qū)域都有顯著的改進(jìn)；復(fù)合輪廓的變形減小。在橡膠復(fù)合胎面共擠出方面，江蘇大學(xué)的一系列學(xué)者[66-69]進(jìn)行了全面研究，采用Polyflow軟件進(jìn)行了仿真。2013年，梁晨等[66]進(jìn)行了2種輪胎膠料共擠成型過(guò)程的三維數(shù)值模擬，分析了共擠出過(guò)程中的速度場(chǎng)、壓力分布場(chǎng)以及膠料熔體的流動(dòng)情況，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬具有較好的可行性。2014年，王國(guó)林等[67]利用Polyflow軟件，建立了2種輪胎膠料在胎面預(yù)口型板及口型板的三維黏性等溫共擠出的數(shù)值模擬過(guò)程，分析了入口流量比及牽引速度對(duì)口模出口處速度分布、橡膠膠料分界面偏移及擠出脹大比的影響。

在共擠出仿真過(guò)程的建模中，由于Polyflow軟件在共擠出方面計(jì)算的局限性，很多仿真并沒(méi)有考慮到口模的分流段以及過(guò)渡段流道結(jié)構(gòu)的影響，或是對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中模型的局部簡(jiǎn)化，利用其共擠出預(yù)測(cè)功能指導(dǎo)共擠出口模設(shè)計(jì)方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

3.2 氣輔共擠出

氣輔共擠出成型是在傳統(tǒng)共擠出成型基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型擠出成型工藝，該法提高了共擠出制品的產(chǎn)量，降低了共擠出口模的設(shè)計(jì)難度。

2009年，周文彥等[70]提出一種先進(jìn)氣輔共擠精密制造技術(shù)，建立了穩(wěn)態(tài)有限元數(shù)值算法，對(duì)比研究了傳統(tǒng)共擠成型及氣輔共擠出的擠出脹大現(xiàn)象，通過(guò)仿真分析多層共擠成型芯殼層熔體的離模膨脹成因及影響因素，分析了氣輔多層共擠精密成型技術(shù)的優(yōu)越性。2010年，黃益賓等[71]對(duì)矩形截面共擠出口模內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行了三維等溫黏彈數(shù)值模擬。結(jié)果表明，氣輔共擠時(shí)2種熔體的速度分布均勻，呈柱塞狀擠出，有效防止了制品表面出現(xiàn)“鯊魚(yú)皮”現(xiàn)象。2012年，張敏等[72]對(duì)矩形截面共擠出口模內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行了三維非等溫黏彈數(shù)值模擬，邊界條件引入了塑料熔體相對(duì)于流道壁面的滑移以及不相容熔體間的滑移。結(jié)果表明，氣輔共擠出時(shí)口模壓降比傳統(tǒng)共擠出降低了20 %～40 %，速度最大值下降了約50 %。

2013年，何建濤等[73]以 L形雙層氣輔共擠異型材為研究對(duì)象，建立了PP/PS熔體在口模內(nèi)的三維黏彈非等溫流動(dòng)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)最短氣輔段長(zhǎng)度隨著熔體流量的增加而增加。2014年，柳和生等[74]以2種PP熔體在L形雙層氣輔共擠過(guò)程為研究對(duì)象，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明了氣輔技術(shù)可有效減小異型材共擠出過(guò)程中的擠出脹大比，提高制品品質(zhì)，簡(jiǎn)化口模設(shè)計(jì)。2015年，柳和生等[75]數(shù)值模擬了PE-LD/PE-HD熔體在L形包覆口模中的氣輔等溫共擠出過(guò)程，采用PTT本構(gòu)方程，發(fā)現(xiàn)在L形包覆口模氣輔共擠過(guò)程中，芯層與殼層熔體的體積流量比對(duì)整體、芯層及殼層脹大率影響較大。2015年，鄧小珍等[76]對(duì)2種PP熔體在曲線形包覆口模中的氣輔共擠出過(guò)程進(jìn)行了三維等溫黏彈數(shù)值模擬，采用PTT本構(gòu)方程。結(jié)果表明，芯、殼層熔體物性對(duì)氣輔共擠制品的擠出脹大現(xiàn)象及口模內(nèi)熔體流場(chǎng)分布無(wú)影響。

在氣輔共擠出數(shù)值模擬中，采用完全滑移壁面條件來(lái)作為氣輔口模段的壁面條件，大大降低了共擠出數(shù)值模擬的求解難度，然而，這種理論上的研究與實(shí)際有一定差距，需要進(jìn)行深入探索。

4 結(jié)語(yǔ)

聚合物的材料特性、口模結(jié)構(gòu)、壁面條件以及聚合物流動(dòng)場(chǎng)的構(gòu)建、工藝條件等均影響口模數(shù)值模擬的精確性。在假設(shè)的壁面無(wú)滑移或存在滑移的條件下，數(shù)值模擬了多種聚合物熔體在簡(jiǎn)單或異型材口模中的單一擠出、共擠出的過(guò)程，運(yùn)用口模逆向設(shè)計(jì)及口模優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，指導(dǎo)了簡(jiǎn)單及復(fù)雜口模的設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的合理性。然而，聚合物在口模壁面擠出時(shí)必然發(fā)生滑移現(xiàn)象，目前對(duì)于宏觀尺度的擠出制品，認(rèn)為壁面滑移是可忽略的，對(duì)于微觀制造的擠出制品，壁面摩擦力影響巨大，壁面滑移不可忽略，在聚合物熔體的壁面滑移方面的研究仍不充分。在異型材擠出方面，其難點(diǎn)在于復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，Polyflow軟件能夠仿真分析復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分布，預(yù)測(cè)具有復(fù)雜設(shè)計(jì)截面的擠出制品形狀，它提供的口模優(yōu)化設(shè)計(jì)以及逆向設(shè)計(jì)功能，可有效指導(dǎo)實(shí)際的復(fù)雜口模設(shè)計(jì)，如何建立可有效指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的有限元模型，是未來(lái)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

在共擠出仿真過(guò)程中，由于共擠出過(guò)程邊界條件的復(fù)雜性以及Polyflow軟件在共擠出方面計(jì)算的局限性，很多仿真建立的幾何模型是對(duì)實(shí)際的大幅度簡(jiǎn)化，偏離了實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)利用共擠出功能指導(dǎo)共擠出口模設(shè)計(jì)方面的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。然而，Polyflow軟件在共擠出界面預(yù)測(cè)方面仍有其優(yōu)勢(shì)，利用該功能指導(dǎo)共擠出口模結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要意義。

氣輔擠出成型是近年來(lái)出現(xiàn)的新型技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于有效降低了擠出脹大以及“鯊魚(yú)皮”現(xiàn)象，大大提高了生產(chǎn)效率。在壁面無(wú)滑移的假設(shè)下，對(duì)氣輔擠出成型進(jìn)行了一系列的數(shù)值模擬，具體包括多種塑料熔體在簡(jiǎn)單口模、異型材口模中的等溫、非等溫、黏性、黏彈性的數(shù)值模擬；對(duì)氣輔擠出成型進(jìn)行了理論上的探索，有助于氣輔擠出口模及工藝設(shè)計(jì)。然而，塑料異型材氣輔成型工藝是一項(xiàng)新型技術(shù)，關(guān)于成型機(jī)理及大型工業(yè)化應(yīng)用方面仍需進(jìn)一步深入研究。

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ResearchProgressinPolymerDieExtrusionProcessUsingFiniteElementMethod

HUShanlan,HEXuetao,TANJing,CHENGXiang,DINGFenglong,DINGYumei*

(Collegeof Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology, Beijing100029)

This paper overviewed research progresses in numerical simulation of extrusion die application in the recent decade. Research findings in the numerical simulation of extrusion die, gas-assisted extrusion and co-extrusion were introduced in detail. The complex flow channel structure was considered as a difficulty for the design of profile dies, and a significant progress in the design of complex dies was achieved with the aid of Polyflow?software. Compared with traditional extrusion, gas-assisted extrusion and gas-assisted co-extrusion had more advantages for reducing die-swell ratio. Simulation of gas-assisted extrusion only provided a theoretical evaluation, and however, it was still in shortage of enough applications in large-scale industrialization. Polyflow?software could approximately predict the location of interfaces for extrudates during simple die extrusion.

extrusion die; profile extrusion; gas-assisted extrusion; co-extrusion; numerical simulation

2017-05-04

*聯(lián)系人，dingym@mail.buct.edu.cn

TQ320.66+3

A

1001-9278(2017)11-0010-10

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.11.002