阮楊　宋稼祺

摘 要：直角擠出機頭是生產纖維增強PVC軟管、電纜包覆層的重要模具，其流道結構對熔體流動的穩(wěn)定性和均勻性有著重要影響。本文基于流體動力學理論，利用POLYFLOW軟件對流道進行了有限元分析，研究了機頭入口與壓縮段之間采用直線型過渡結構對熔體流動的影響。通過對比分析不同傾斜角度的直線過渡段的引起的速度、壓力的變化，得到了直線過渡段傾斜角度對擠出機頭流動的影響規(guī)律，仿真分析結果對直角擠出機頭流道結構的設計和優(yōu)化提供理論依據。

關鍵詞：擠出成型；流動平衡；POLYFLOW；有限元

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.007

0 引言

熔體在流道中所經過的路徑不同會引起流動不均勻，在設計和優(yōu)化流道結構時，要盡量使其所經的路徑距離相等[1]。在直角擠出機頭的流道結構設計中，模具入口段與壓縮段之間的過渡結構一般采用曲線過渡和直線型過渡這兩種結構[2-4]。國內對于擠出機頭流道的仿真分析主要是集中流道壓縮段和成型段參數(shù)的優(yōu)化[5-7]，本文應用polyflow有限元分析軟件對直角擠出機頭流道內熔體流動情況進行模擬，分析了直線型過渡結構傾斜角變化時對管材擠出成型的影響及規(guī)律，從而為改善直角擠出機頭流道性能提供理論依據。

1 有限元模型的建立

1.1 數(shù)學模型

本文以生產纖維增強PVC軟管的直角擠出機頭為例，將入口段與壓縮段之間的直線型過渡結構為研究對象，通過有限元分析軟件對直線過渡段傾斜角度的不同引起的流道速度、壓力等的變化規(guī)律進行分析。在本問題中根據研究聚合物熔體流動時通常采用的熔體不可壓縮、層流、壁面無滑移、忽略慣性力等簡化與假設，不考慮溫度對流動的影響[8]，纖維增強PVC軟管的生產材料為聚氯乙烯，其機頭模具處溫度為170 ℃～180℃[9]。分析過程中，采用 Bird-Carreau 等溫非牛頓粘性模型進行流動狀態(tài)的對比分析，其本構方程的形式為：

選取polyflow軟件自帶材料數(shù)據庫中PVC的材料參數(shù)，由于n=0.292 （小于0.7），為了加快計算的收斂速度，仿真時采用Picard迭代。

1.2 幾何模型

如圖1所示，直角擠出機頭主要由機頭體、芯棒、口模、壓蓋等組成，機頭流道則由機頭體3、口模5的內壁、芯棒1的外壁組成。機頭內部的流道一般分為四個部分，即成型段（區(qū)域Ⅰ）、壓縮段（區(qū)域Ⅱ）、擴展區(qū)（區(qū)域Ⅲ）和歧管區(qū)（區(qū)域Ⅳ）。具有一定壓力的熔體從入口處流經歧管區(qū)（區(qū)域Ⅳ）到達擴展區(qū)時，熔體由于芯棒的分流作用，流動橫截面由圓形變成封閉的環(huán)狀，由模具出口擠出時就形成了管材。

1-芯棒；2-機頭入口；3-機頭體；4-口模；5-壓蓋；α-傾斜角；Ⅰ-成型段；Ⅱ-壓縮段；Ⅲ-擴展區(qū)；Ⅳ-歧管區(qū)；L1-定型段長度；L2-壓縮段長度；L3-擴展區(qū)長度；L4-歧管區(qū)長度

1.3 有限元模型

直角擠出機頭的流道是關于面對稱的，在進行有限元分析時，通過只分析流道三維模型的一半，由分析的結果通過對稱操作得到整個流道的結果，來降低計算量[10]。模型網格劃分采用ANSYS workbench平臺polyflow默認前處理網格劃分軟件ICEMCFD進行有限元網格劃分，流道的模型尺寸如下圖2所示。

1.4 邊界條件

有限元網格劃分完成后，在polydate建立一個有限元分析的穩(wěn)態(tài)任務，子任務則選擇generalized newtonian isothermal flow problem。模型只有一個計算域，計算時需要設定入口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件和對稱面邊界條件，其具體設置分別為：

（a）入口邊界條件：入口體積流量 Q =5cm3/s（真實值的一半）；（b） 出口邊界條件：切向力和法向力為0；（c）壁面邊界條件： 考慮無壁面滑移邊界條件，即剪切速 度和法向速度均為零；（d）對稱面邊界條件： 自由擠出，在不考慮外力牽引的條件下，忽略重力和慣性的影響，即密封條熔體與口模壁面間的法向應力和剪切應力均為零。

2 結果分析

直線型過渡結構的傾斜角需要合理取值，設計角度過小會導致歧管區(qū)長度過長，使得整個擠出模具流道過長，熔體在流道內流經的距離增大，擠出所需的壓力增大；如果設計角度過大，對于減小熔體質點在在流道中所經過的路徑距離差距不能起到應有的效果。本次對傾斜角的取值設定在40°～60°之間。在流道模型壓縮比、壓縮角、成型段長度、入口直徑以及模具整體長度等其他位置尺寸不變的情況下，對過渡段直線傾斜角以步長2.5°取值，經過9次計算，得出了各傾角下流場內的壓力分布和速度分布。下面討論直線型過渡段的傾斜角度對擠出速度和流場內壓力分布的影響規(guī)律。

2.1 流道壓力降分析

圖3是直線型過渡段傾斜角度改變后，流道內沿x軸方向y-z平面的截面平均壓力變化的情況。由圖3可見，當直線型過渡段的傾斜角在40°～60°小范圍變化時，對流道壓力的影響很小，流道壓力的變化曲線幾乎重合。同一流道內的壓力沿x軸方向不斷的減小，平均壓力曲線的斜率在壓縮段（x=0.08～0.135m）較小，在成型段（x=0.135～0.17m）較大，說明流道壓力在成型段下降的速率比壓縮段大，流道的壓力差產生的主要區(qū)域是成型段[11]。

由圖4可見，在保持流道其他幾何參數(shù)不變的情況下，隨著直線型過渡段的傾斜角增大，流道整體壓力降是呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。傾斜角在40°～50°范圍內，隨角度增大，流道整體壓力降下逐漸降低；在50°～60°范圍內時，流道整體壓力降的變化較小，趨于穩(wěn)定。流道最大壓力降較最小壓力降大1.6%。

2.2 流道速度分析

由圖5可見，直線型過渡段的傾斜角不同時，對熔體流動平均速度的影響較小，熔體在流道各區(qū)域的流動速度相差不大，平均流速的變化曲線基本重合。在流道內，熔體流動的平均速度沿x軸方向逐漸增大，在出口處速度達到最大值。熔體流動速度的增加主要在壓縮段，在成型段逐漸趨于穩(wěn)定，壓縮段和成型段交匯附近是速度增長率最大區(qū)域。

由圖6可見，熔體擠出的速度隨著直線型過渡段傾斜角度的增大呈現(xiàn)周期性變化，擠出速度最大值比速度最小值大6.5%，傾角取值在45°、55°、60°附近時，擠出速度較大。

3 結論

（1）其他條件一定時，在一定角度范圍內，增大直線型過渡結構傾斜角可以降低流道整體壓力降，角度的變化對流道內壓力的影響效果不大。

（2）其他條件一定時，在一定角度范圍內，流道出口熔體擠出速度隨著直線型過渡結構傾斜角的增大，呈現(xiàn)周期性變化，在45°、55°、60°附近時，擠出速度較大。

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作者簡介：阮楊（1991-），男，湖北京山人，碩士研究生在讀，研究方向：機械設計及理論。