超声外场对微通道中熔体黏性耗散效应的影响

针对聚合物熔体在微尺度通道中流动时的黏性耗散效应对其流动行为的影响,通过自行构建的带有温度传感器和超声振子的微注塑成型试验系统,采用单因素成型试验方法,对聚丙烯(Polypropylene, PP)和高密度聚乙烯(High-density polyethylene, HDPE)两种聚合物材料在不同工艺参数和超声外场作用下,流经矩形截面微通道时由黏性耗散效应引起的通道出口熔体温升进行试验测量。结果表明,微通道中熔体的黏性耗散效应随注射速度的增加而增强,随入口熔体温度和模具温度的升高而减弱;与不加超声振动相比,施加超声振动使两种材料的微通道出口熔体温升值明显升高;但材料自身的微观分子结构及其热物理性能不同,其温升增幅差别较大。试验注射速度下,施加超声振动比不加超声振动时的PP熔体温升增幅高出34.7%,而HDPE熔体的温升增幅则高达71.7%。当超声频率和工艺参数一定时,增大超声功率使PP熔体的微通道出口温升增加了24.8%,HDPE熔体的温升增加了83.6%。可见施加超声外场作用能使微通道中聚合物熔体的黏性耗散效应明显增强。     

微尺度聚合物熔体粘性耗散效应对流变行为的影响

针对微尺度聚合物熔体粘性耗散效应与宏观尺度的差别,应用高聚物流变学的基本理论分析微注塑成型充模流动时粘性耗散对熔体流变行为的影响.并以双料筒毛细管流变仪为测试平台,设计粘性耗散测量装置.选用直径500 μm毛细管口模,以高密度聚乙烯(Hig density polyethylene, HDPE)和丙烯腈-丁=烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile butadiene styrene, ABS)材料进行不同温度与不同剪切速率下的粘性耗散试验研究.结果表明粘性耗散引起的熔体温升随着剪切速率的增加而升高;而当熔体温度增加时,同一剪切速率下粘性耗散效应引起的温升却在下降.粘性耗散的理论计算结果表明,随着剪切速率的增加,微通道壁面处熔体的粘度降低明显,因而建立微注塑成型流动理论模型时,不可忽略粘性耗散效应的影响.     

水辅助注射成型充模流动的仿真与分析

基于现有气体辅助注射成型充模流动模型、非定常流场数学方程和湍流模型,突破未考虑高雷诺数水相区湍流特性、小尺度薄壁建模、初始化壁厚的人为影响以及未考虑熔体前沿喷注效应等局限,建立水辅助注射成型充模流动的仿真模型。比较湍流模型,分析水辅成型多相分层流动界面不稳定现象。针对主要工艺控制参数进行仿真分析。结果表明:结晶性塑料随熔体温度升高、延迟时间缩短、水注射入口流速增大,残留壁厚减小,随延迟时间增加、熔体温度降低和水注射流量的增大,负载压力升高,与水辅成型试验结果相吻合。延迟时间对负载压力影响有限,延迟时间和水注射入口流速对残留壁厚影响显著,且水辅成型负载的压力流量耦合特性明显。由此提出以成型效果为目标的水压系统压力控制优化,是改进水辅成型工艺的重要思路。     

微注塑充模流动过程熔体黏度影响规律的数值模拟

微型塑件注射成型充模流动过程中,与宏观塑件相比,塑料熔体黏度随剪切速率的变化对流动的影响有很大的不同.对比微观和宏观黏度模型,运用流体分析软件Fluent,对微注塑充模流动过程熔体黏度的影响规律进行了研究.分析了熔体黏度的分布规律,结果表明微尺度降低了熔体黏度.研究了微尺度熔体黏度模型对熔体速度场、温度场和压力场的影响规律,结果表明:微尺度黏度模型的速度相对较大,近壁面区熔体温度相对较高,对微通道中的压力分布几乎没有影响.总体而言,由于通道微尺度而造成的熔体黏度变化有利于微注塑成型.     

聚合物熔体微尺度剪切黏度测量方法与黏度模型

研究微尺度效应下聚合物熔体黏度时,发现不同入口修正方法获得的剪切黏度随特征尺寸变化的规律不同,这对于聚合物微成型理论和技术尤为重要。采用直径分别为1 000μm、500μm、350μm的毛细管口模,在相同试验条件下分别用零口模法和Bagley法两种入口修正方法,研究高密度聚乙烯(High density polyethylene,HDPE)、短链支化的聚丙烯(Polypropylene,PP)、聚甲基丙烯酸甲脂(Polymethylmethacrylate,PMMA)和聚苯乙烯(Polystyrene,PS)四种材料的剪切黏度变化规律。结果发现,两种方法获得的PMMA和PS黏度随口模直径变化的规律相反,指出传统入口修正方法在测量微尺度黏度时存在局限。基于入口收敛流动特征,提出一种考虑微尺度效应下压力影响的测量方法,并用该方法给出四种材料剪切黏度随口模直径变化的真实规律。试验剪切速度范围内,四种材料剪切黏度均随口模直径的减小而减小,平均变化幅度为9.9%～38.3%,并从分子结构角度揭示四种材料黏度变化程度不同的机理。基于黏度变化规律,采用唯象性方法建立适用于宏—微观尺度下的黏度模型。试验结果表明该模型的理论预测结果与试验结果平均误差小于3.7%,验证了模型的正确性和有效性。     

聚合物熔体跨尺度挤出过程的黏弹性流变特性

在聚合物熔体微尺度动态黏弹特性实验的基础上，基于分子理论建立了跨尺度挤出过程中的熔体黏弹特性微尺度效应流变模型。流变模型反映了流道特征对黏弹性流动过程应力状态的影响。微尺度效应弱化了熔体的黏弹性流变响应，促进了分子链松弛。模型的微尺度效应通过储能模量和耗能模量的微尺度效应系数及二者的比值表征。微尺度效应系数越小，特征尺度对黏弹特性的影响越显著；黏弹性微尺度效应系数比值越小，特征尺度对松弛过程的影响越明显。     

超声外场对聚合物注塑充型流动速度场分布影响的物理可视化表征与分析

以物理可视化技术为基础,开发一种用于观测超声外场作用下注射成型过程的新型可视化试验分析平台,分析超声振动对聚丙烯(Polyethylene,PP)注射成型流动过程速度场分布的影响,并结合示踪粒子标记法和Kringring插值提出一种充型流动速度场的表征分析方法,研究结果表明,注射成型过程中PP熔体速度分布呈中间高,两边低,近浇口高,远浇口低的变化趋势;施加超声振动后,PP熔体流动速度显著提高,沿流动方向,熔体流动速度变化梯度减小;超声振动有助于降低熔体黏度,但黏度的降低不利于剪切热的生成,因此并非超声功率越大,对内部熔体速度的提升越大。同时,超声功率的提升还会导致聚合物材料性能的改变,影响制件的最终质量。对于本研究条件下的PP材料而言,超声功率在200~400 W时,对成型效果的改善比较明显。     

基于热耦合的滑动轴承两相流场特性数值研究

针对滑动轴承热动力特性,建立考虑空化效应和黏温效应的轴承转子热耦合三维模型,对转子和轴瓦的热传导方程、油膜能量方程与全空化模型进行了联合求解。计算结果表明:轴瓦最高温度出现于下轴瓦最小膜厚下游,下轴瓦的温度沿润滑油流动方向逐渐升高,而上轴瓦的温度变化较少;考虑轴承热传导和两相流特性,热耦合三维模型比绝热边界模型更符合实际情况;与绝热边界模型相比,热耦合三维模型计算出的压力分布趋势相同,但计算结果较大;随着进口油温升高,油膜最大压力、承载力、空化体积比、进出口温差变小,热耦合三维模型与绝热边界模型之间的计算结果偏差变小。采用该热耦合三维模型计算的收敛区和发散区的温度分布,均与实验数据相符,验证了建立的热耦合三维模型。     

微壳体塑件充模流动三维数值模拟

针对微注塑成形中熔体充模流动行为,运用流体分析软件Fluent,对微壳体塑件熔体充模流动进行了三维稳态模拟。建立了微观黏度模型和壁面滑移模型,运用VOF多相流模型,研究了熔体充满型腔时的稳态三维流场,做出切片图分析了压力场和速度场。通过对考虑和不考虑微尺度影响(微观黏度和壁面滑移)的对比和分析,可以看到考虑微尺度因素影响时充模阻力减小约19%,而速度变化不明显。分析表明微尺度黏度对熔体流动影响显著,有利于微注塑熔体充模,而壁面滑移对充模流动影响较小。     

微尺度效应下的聚合物熔体粘度理论及试验

根据毛细管流变仪测量原理,提出关于微尺度效应对聚合物熔体粘度变化的作用机理.基于Kelvin-Voigt本构方程,建立微尺度粘度模型.研制直径分别为1 000 μm,500 μm,355 μm毛细管口模,用PP,PS,HDPE材料进行不同剪切速率下的粘度试验研究.结果表明,同一剪切速率下,熔体粘度随口模直径的减小而降低;随着剪切速率的增加,粘度减小趋势在缩小.将试验相关数据代入微尺度粘度模型进行理论计算,结果表明理论曲线与试验曲线相符合,最大误差小于8%,验证数学模型的合理性,这对微注塑成型和微挤出成型,精确模拟充模流动和指导微模具设计有重要理论参考价值.     

润滑油温度对铜基湿式离合器摩擦转矩的影响

润滑油的温度变化会改变自身黏度,从而影响摩擦元件的润滑和接触状态,对离合器的动力响应产生显著影响,因此需要研究润滑油温度对湿式离合器摩擦转矩特性的影响。考虑离合器的流体润滑、粗糙接触、动力响应和热量传导,建立一个多物理场耦合的热力学模型;根据润滑油与离合器之间的换热特性,采用集总参数法得到离合器的平均温升。离合器台架试验验证所建立数值模型的准确性。结果表明在离合器的接合过程中,摩擦转矩的变化可分为三个阶段,即接合准备阶段A、缓慢变化阶段B和指数增长阶段C。润滑油温度主要影响阶段B的摩擦转矩。在阶段B早期,润滑油温度越高,黏性转矩越小,接触转矩越大。随后,润滑油温度的升高减缓黏性转矩的下降趋势,促进接触转矩的增加,从而促进摩擦转矩增长率的增加。为了保证离合器在阶段B的摩擦稳定性,最佳的润滑油温度范围为80~100℃。     

基于热阻网络和流固耦合的永磁力矩电机温度场研究

为研究永磁力矩电机的温度场，考虑电机各部件比热容、导热系数、动力黏度、流体边界条件、对流换热系数的影响，建立永磁力矩电机的热阻网络模型和流固耦合模型，对永磁力矩电机进行瞬态温度场仿真分析。将基于两种模型所得的热计算结果进行对比，并建立样机温升试验平台开展温度试验。试验结果表明，两种模型的温度变化趋势与试验结果接近，偏差在5%以内，由此验证两种模型的精确度与正确性，为永磁力矩电机的温度场研究提供了方法。     

密封介质对接触特性影响的建模分析

应用建模计算和性能试验相结合的方法对不同介质环境下车辆传动装置密封环的接触特性进行研究。以非牛顿流体的流变特性为基础,计及变黏度影响,模拟实际运行工况,运用有限差分数值解法,确定2种不同介质中密封摩擦副的摩擦因数和密封环温度等表达密封环接触特征的参数变化规律。通过试验进行对比论证,表明试验获取的摩擦因数和密封温升曲线与仿真曲线的基本变化规律保持一致,并且在密封系统中黏度小的介质在摩擦因数和密封温升方面较黏度大介质的数值小。通过建模和试验的双重评价方法,可以方便准确预估不同介质环境下的密封接触性能。     

聚合物气体辅助挤出中气体流动对熔体截面的影响

将聚合物熔体和低速热空气均视作不可压流体,针对一聚苯乙烯（PS）片材的全气体辅助挤出,建立了描述其气体-熔体两相分层流动的三维有限元模型,采用黏弹应力分离法（EVSS）和非协调流线迎风法（SU）等有限元方法,利用PolyFlow求解器对气体辅助流道中气体和熔体流动进行了计算,分析了熔体截面变化的规律及原因。研究结果表明：气体辅助流道内,气体对熔体有拖曳作用;沿挤出方向,熔体速度逐渐增大,而截面积逐渐减小,都在口模出口面上达到极值,同时截面形状有微小改变;口模出口面上熔体沿挤出方向的速度随入口气体体积流率的增大而近似线性增大,熔体截面积则近似线性减小。     

基于改进有限体积法的三维注塑成型充模过程数值模拟

根据界面两侧相邻有限体积流动切应力相等的原则,考虑到相邻有限体积内黏度系数的差异,改进传统有限体积法,并推导改进的有限体积中心速度梯度、界面速度和速度梯度的新的离散格式和计算格式。新的离散格式和计算格式能适用于注塑成型充模过程中型腔内塑料熔体黏度差异较大的情形,避免因黏度的变化导致界面两侧相邻有限体积内塑料熔体流动切应力的急剧变化。同理,根据界面两侧热流量相等的原则,推导有限体积中心温度梯度、界面温度梯度的新的离散格式和计算格式。改进有限体积法能有效提高数值模拟的稳定性和计算精度。采用改进的有限体积法分别模拟圆柱内稳态流动以及盒形件、带凹槽平板、一般三维特征的塑料制品的塑料熔体充模过程,模拟结果与理论精确解、试验结果、商业软件模拟结果吻合。数值算例表明改进的有限体积法能较准确地模拟注塑成型充模过程,也可应用于黏度变化比较大的其他单一流体或多种流体的耦合数值模拟,具有重要的理论和实用价值。     

熔融沉积成型聚合物熔体挤出速度控制

在熔融沉积成型中对熔体流经液化管和喷嘴的沿程压力降进行理论计算，得出了熔体挤出沿程的压力降与挤出流率、成型温度的关系。通过实验测出驱动电机的负载特性曲线，在此基础上确定了稳定挤出与不稳定挤出的速度区间。研究结果对于确定成型过程的挤出参数、保证成型精度具有重要参考价值。     

微注塑成形中熔体充模流动分析及其数值模拟

借鉴宏观熔体的流变学理论和建模技术,针对微尺度流道中的聚合物熔体流动特性,采用模型修正方法,建立反映微小通道中熔体流动特性的理论模型.同时,应用数值模拟方法,研究微尺度粘度、壁面滑移和熔体与模具间的表面传热系数对微小熔体流动的影响关系,并与相关试验数据进行比较.结果表明,微流道中的熔体粘度明显小于传统理论下的粘度值,且与微流道的特征尺寸成正比.随微流道特征尺寸减小,滑移系数也明显减小,壁面滑移速度则增大.考虑局部表面传热系数时微流道中的熔体温度分布具有尺寸效应.微尺度流道中的熔体流动行为与宏观熔体有许多不同.     

基于热弹流润滑的墨辊挤压接触区的油墨温度分析

印刷过程中,印刷油墨的温度和黏度对印刷质量有较大的影响。基于热弹流润滑理论,应用MATLAB计算了两墨辊接触区内的油墨墨层压力、中心墨层厚度及油墨层的温度分布,研究了印刷油墨在一软一硬两墨辊接触区内沿墨层厚度方向不同位置处的油墨温度分布,以及载荷、对滚速度和墨辊材料对油墨中间层最大温升的影响。结果表明：受热传导的影响,沿墨层厚度方向的不同位置处,中间层油墨温度最高,越靠近两墨辊处温度越低;随着载荷的增大,油墨中间层最大温升增加;随着两辊对滚速度的增加,两辊接触区油墨中间层的温度变化不大;随着软辊弹性模量的增加,两辊接触区油墨中间层的温升逐渐增加。     

通用CFD软件对微注塑成型模拟的适用性研究

微注塑成型(μIM)被认为是最具灵活性、可靠性以及成本优势的聚合物微/纳器件制造技术之一.因尺寸效应影响,μIM中熔体的流变行为以及微观因素的相对重要程度均发生明显变化.因此,很有必要对现有通用流体动力学(CFD)仿真软件处理微注塑成型模拟过程的能力进行全面评估.文中采用案例研究方式,并与注塑成型专用模拟软件(Moldflow)进行对比.针对微注塑成型典型流动模式评估软件的模拟分析能力,具体比较模拟结果的一致性、计算速度以及综合考虑微观因素的灵活性,并在条件允许时将模拟结果与实验结果进行对比验证分析.     

基础油对膨润土润滑脂流变性能的影响研究

选用5种基础油和季铵盐改性的膨润土制备膨润土润滑脂,通过流变仪对润滑脂进行动态和稳态流变试验,考察基础油对润滑脂触变性、模量等流变性能的影响。试验表明,基础油黏度越大,膨润土润滑脂凝胶体系越稳定;黏度相近的基础油中,环烷基油所制润滑脂的结构强度较石蜡基油的更强。温度对膨润土润滑脂流变性能影响较大,低温时,润滑脂触变环面积、屈服点和流动点储存模量均大于高温时的值,故润滑脂弹性势能低温时较高温时大,随着温度的升高,更容易转变为流动体系。