注射成型聚合物充模取向应力场模型化理论研究:考虑熔体的可压缩性

研究复杂流场条件下恒温可压缩聚合物熔体注射充模流动取向应力场数学模型理论。针对缠结大分子链单体在成型充模过程中的无规形变特性,基于简化与假设,建立以缠结大分子链单体等效末端距矢量(End-to-end vector,ETEV)为核心的恒温可压缩聚合物充模取向物理模型;基于不可逆热力学与统计力学理论,推导得出大分子链单体流动取向应力形变模型;引入自由体积理论,阐明微元变形前后当量体积比率J与微元Finger应变张量-1C之关联性,进而得出恒温可压缩聚合物充模取向应力-应变"伪高弹"模型;研究聚合物微元的取向拉伸比λ与形变历史的相关性,得出非线性取向应力-形变关系模型,进而得出与经典K-BKZ模型具有一致形式的"伪高弹"积分模型;研究相关模型的物理性态,结果表面相关模型对表征相关聚合物充模取向工程问题具有较好的适配性与科学性。     

L型异型材挤出口模内聚合物熔体三维等温幂律流动的数值模拟

利用罚有限元法，采用幂律本构模型，对聚合物熔体在L型异型材挤出口模内的三维等温流动进行了数值模拟，分析了口模内熔体流动的速度场和应力场。分析表明：L型异型材挤出口模截面不能简单视作两矩形截面的几何组合，因为其上有三个特征流动区；过渡区对熔体在口模内的流动有非常大的影响，它不但影响成型区熔体的流动，而且对稳流区熔体的熔体的流动产生一定的影响：此外，因为在过渡区产生了熔体拉伸取向，需要一定的成型区长度使高分子链段充分松弛。     

金属粉末注射成形充模过程数学模型研究

详细阐述了金属粉末注射成形的充模机理,假定了喂料熔体为混合均匀、不可压缩的非牛顿流体,充模流动为层流,依据流体力学和热力学知识,建立了完整的金属粉末注射成形充模过程数学模型,为金属粉末注射成形计算机模拟求解奠定了基础.     

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。     

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。     

汽车保险杠树脂传递模塑成型试验研究

采用理论分析和试验研究相结合的研究方法,解决了汽车保险杠树脂传递模塑成型工艺问题.研究结果表明:注射压力较小树脂充模时间变化较为显著;较低的树脂粘度可以显著提高充模效率,但粘度过低会造成纤维束间流动速度远大于纤维束内流动速度,导致气泡不易排除而引发制件内部各种缺陷.     

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.     

气体辅助注射成形充模流动数值模拟的研究

基于广义Hele—Shaw流动模型,通过引入合理的简化和假设,建立了实现气体辅助注射成形充模流动模拟的数学方程、气体穿透过程的边界条件、CAD/CAE建模关键技术以及系统程序设计方法等。该研究对气体的穿透过程、压力场分布、小同时刻熔体/气体边界的移动状态以及在模壁上形成表层聚合物熔体壁厚的过程进行_了气体辅助注射成形充模流动的实例数值模拟研究。结果表明:增大气体注射压力,在其气体穿透方向所形成的表层熔体厚度比值也增人,降低熔体注射温度和非牛顿指数会增大气体穿透的壁厚值,其值接近试验测定的数值范围,也比较符合实际的气辅注射成形工艺结果。     

精密金属异型挤压塑性成形及模腔优化共形解析

针对异型材挤压塑性成形及模腔建模理论的焦点课题,借助近代复变共形映射理论和金属塑性成形理论成果,将三维金属异型材挤压塑性流动问题转化为二维轴对称成形问题,求解了金属异型塑性流动的流函数、速度场及应变速度场等数学解析模型,建立了金属异型挤压塑性流动通用的三维解析方法。应用能量极值原理,求解了异型材挤压成形及优化模腔工程建模的理论课题。     

车用传动装置润滑系统的流动与传热仿真

提出了车用传动装置润滑系统流动与传热的稳态仿真模型。基于一维不可压缩流动方程,建立了润滑油流动的仿真模型;研究了传动润滑系统的传热机理,采用热网络法建立了润滑系统的传热模型;对某型坦克液力机械传动装置润滑系统的流动与传热进行了仿真,预测了润滑系统的流量、压力和温度分布,仿真结果与试验值基本吻合。本研究为车用传动装置润滑系统的流动与传热性能提供了一种有效的理论分析手段和仿真方法。     

管道不可压缩流体泄漏量与压力变化的关系研究

实际工程中,大多数的石油运输管道只允许安装压力传感器检测泄漏情况,流量计仅安装在收费口处,而且对于不可压缩流体无法通过临界压力条件计算泄漏量。基于应力应变公式,通过研究管道的微元体受压时管壁的径向位移与管内压强的关系,得出管道体积随管道压力的应变响应。以管道容积膨胀的改变量表征管道中不可压缩流体的泄漏量,得到不可压缩流体的泄漏量计算模型。建立管道受压膨胀的COMSOL模型进行仿真验证,仿真结果和推导公式均表明管道的体积应变与管道压力呈二次抛物线关系,但当管道内压力变化不大时,二者之间可近似为线性关系。此外,建立实验平台得到了压力为0 MPa~0.8 MPa时的泄漏量,验证了不可压缩流体与压力变化之间的线性关系。理论和实验结果为管道内不可压缩流体泄漏量的计算提供了理论依据。     

管道不可压缩流体泄漏量与压力变化的关系研究（英文）

实际工程中,大多数的石油运输管道只允许安装压力传感器检测泄漏情况,流量计仅安装在收费口处,而且对于不可压缩流体无法通过临界压力条件计算泄漏量。基于应力应变公式,通过研究管道的微元体受压时管壁的径向位移与管内压强的关系,得出管道体积随管道压力的应变响应。以管道容积膨胀的改变量表征管道中不可压缩流体的泄漏量,得到不可压缩流体的泄漏量计算模型。建立管道受压膨胀的COMSOL模型进行仿真验证,仿真结果和推导公式均表明:管道的体积应变与管道压力呈二次抛物线关系,但当管道内压力变化不大时,二者之间可近似为线性关系。此外,建立实验平台得到了压力为0 MPa～0.8 MPa时的泄漏量,验证了不可压缩流体与压力变化之间的线性关系。理论和实验结果为管道内不可压缩流体泄漏量的计算提供了理论依据。     

不可互充模式锂电池并联成组特性分析

针对单体电池不一致性对电池成组性能影响问题,在对可互充模式锂电池并联成组模型分析基础上,推导建立了不可互充模式锂电池并联成组数学模型,给出了仿真计算流程,并对其成组特性进行了分析研究。通过对比可互充与不可互充模式并联电池组的仿真结果,可以得出:当考虑单体电池不一致性时,从电池安全性与利用效率角度出发,不可互充电池组优于可互充电池组。     

共注成形充模流动的理论模型和模拟

在共注成形多相分层流动充模成形的机理研究基础上,通过采用通用的Hele-Shaw模型和流体体积技术,推导出用于描述共注成形多相分层流动充模过程的理论模型,并提出了一种稳定有效的求解理论模型的数值方法,还模拟了材料流变性能参数和过程参数对共注成形的影响,建立了这些参数与层间界面和前沿移动界面形貌的关系。模拟研究结果与一些文献的试验结果有较好的吻合。     

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.     

基于弹性悬链线理论的车组链输送机输送带张力变化特性研究

车组链输送机是一种新研发的散状物料连续性输送设备,相比通用带式输送机,其承载构件——输送带具有整机运行时张力较小的特点;基于弹性悬链线理论,对新型的车组链输送机输送带张力变化规律进行研究,建立输送带张力变化的理论模型,并推导得到车组链输送机运行时的输送带传动牵引力表达式。实例结果证明了悬链线理论应用于该场合的正确性。     

聚合物全三维非稳态非等温多相分层流动成型过程的理论模型和数值模拟

基于聚合物多组分成型技术的工程背景,建立了全三维非稳态非等温多相分层充模流动的理论模型。在综合分析了该理论模型产生数值解的不稳定及发散的主要原因基础上,提出了求解理论模型的稳定快速收敛的数值算法。采用罚函数法,以及速度场分析、温度场分析和流体体积分数分析相分离等方法来降低对计算机的CPU和存储能力的需求,而通过SUPG法、罚函数法和P1+/P1三维单元实现有限元数值分析的稳定性。并基于罚函数法和SUPG法,推导出求解N-S方程、能量方程和全三维多相分层流动成型移动前沿界面和分层界面追踪方程的有限元数值模型,并探讨了全三维非稳态非等温多相分层流动移动前沿界面和分层界面重构技术。最后揭示了粘性包围和界面不稳定的产生机理。     

金属垫片泄漏模型理论研究

依据分形几何理论,结合不可压缩粘性流体层流流动理论,建立基于分形参数的金属垫片泄漏模型,该模型揭示了泄漏率与密封表面形貌之间的关系。研究表明,密封表面分形维数D越大,螺栓-法兰-金属垫片密封系统越不易发生泄漏,这对于法兰和金属垫片密封表面的加工具有重要指导意义。     

柔性再生碳纤维湿法取向仿真模拟及其复合材料性能研究

基于珠链模型,采用离散单元法对纤维模型进行柔性化处理;通过搭建EDEM-Fluent耦合仿真模型,对柔性再生碳纤维在渐缩流场中的流动取向过程进行仿真模拟。采用湿法取向技术对6 mm纤维进行重新取向排布制备取向毡,将仿真结果与实验结果进行对比。采用模压法制备了碳纤维/环氧树脂基复合材料,对其力学性能进行表征。结果表明：在纤维跟随流体运动的过程中,纤维会受到轴向剪切力的作用,发生不同程度的弯曲变形,并沿着流体流动方向发生旋转,从而在移动过程中完成取向。利用二维方向张量对纤维毡取向度进行表征,其取向度为98%;制备的取向复合材料弯曲强度和模量较未取向材料分别提升70.6%和88.5%。     

聚合物注塑内应力数值计算的黏弹性模型

在聚合物黏弹性理论和注塑蠕变实验的基础上,结合注塑成形的工艺特点,构建了注塑制品内应力计算的四元件串联力学模型,推导了相应的本构方程,提出了聚合物材料参数弹性模量和黏壶黏度系数的计算公式。为了验证模型的可靠性,利用该模型对聚合物平板注塑制件的内应力进行了模拟计算并与相关文献的实验结果进行比较。计算结果表明：模型对注塑内应力发展的表征可以用固体高聚物的结构和力学性能的相关研究进行解释,结果真实可靠。