成型温度对聚合物微型机械模内组装成型流固耦合变形的影响

由于聚合物模内组装成型的微型机械制造精度和组装配合精度主要受控于二次成型熔体充填流动与一次成型固体微型零件之间的流固耦合作用,因此通过有限元数值模拟,系统研究了二次成型熔体注射温度对流固耦合变形的影响,并揭示了其影响机理。研究结果表明,增加二次成型熔体的注射温度,可使二次成型熔体的充填流动与一次成型固体微型轴表面间的流固耦合作用效应减弱,并使一次成型固体微型轴整体温度场趋于不均匀,从而导致一次成型固体微型轴流固耦合弯曲应力和弯曲变形减小,而热应力和热变形增加。增加二次成型熔体的注射温度可减小流固耦合变形,但二次成型熔体的注射温度过大,又会导致一次成型固体微型轴表面融化,影响装配配合界面的成型质量。     

聚合物微型零件的热流固耦合变形特性

以聚合物微型机械运动副模内微装配成型为研究对象,研究了二次成型过程参数和微型轴约束对二次成型充填流动诱发的预成型固体微型轴热流固耦合变形的影响规律和机理。结果表明,预成型微型轴的热流固耦合变形随着二次成型熔体注射温度的提高而增加,而随着预成型微型轴在二次成型模腔中二端的约束程度增加而减小;减小二次成型充填熔体的注射温度或增大微型轴约束程度有利于减小二次成型熔体充填流动诱发的预成型微型轴的热流固耦合变形,可提高聚合物微型运动副微装配成型加工精度。     

基于黏弹性热流固耦合作用的模内微装配成型过程数值模拟

模内微装配成型技术有望成为高效低成本产业化聚合物微小机械系统制造技术,而如何准确预测和精确控制热流固耦合变形仍是其工业化的技术瓶颈。为此研究建立了考虑二次黏弹性熔体充填流动边界约束作用的模内微装配成型黏弹性热流固耦合变形的理论预测模型,研究表明热流固耦合变形受控于微装配面所承受的热流固耦合压力、黏弹性支撑正应力、黏性摩擦拖曳剪切应力和微型轴的抗变形刚度,且随成型熔体注射速度提高而减小,而微型轴近表面局部跨越393 K区域的PMMA刚度急剧下降是导致微型轴热流固耦合变形随熔体注射速度增加而减小的主控因素。     

基于黏弹性热流固耦合作用的模内微装配成型过程数值模拟

模内微装配成型技术有望成为高效低成本产业化聚合物微小机械系统制造技术,而如何准确预测和精确控制热流固耦合变形仍是其工业化的技术瓶颈。为此研究建立了考虑二次黏弹性熔体充填流动边界约束作用的模内微装配成型黏弹性热流固耦合变形的理论预测模型,研究表明热流固耦合变形受控于微装配面所承受的热流固耦合压力、黏弹性支撑正应力、黏性摩擦拖曳剪切应力和微型轴的抗变形刚度,且随成型熔体注射速度提高而减小,而微型轴近表面局部跨越393 K区域的PMMA刚度急剧下降是导致微型轴热流固耦合变形随熔体注射速度增加而减小的主控因素。     

黏弹特性对模内微装配成型热流固耦合变形的影响

建立了综合考虑二次成型黏弹性熔体充填流动约束环境影响的模内微装配成型过程黏弹性热流固耦合变形机理的理论模型,并通过有限元数值模拟,研究了二次成型熔体黏度对模内微装配成型过程黏弹性热流固耦合变形的影响规律。结果表明,黏弹性热流固耦合作用诱导的预成型微型轴变形的驱动力来源于微装配界面形成的热流固耦合压力和黏性拖曳剪应力,而二次成型熔体流动的弹性正应力对耦合变形具有抑制作用,微装配界面的热流固耦合载荷和微型轴的变形均随着二次充填熔体的黏度增大而增大,减小二次成型熔体黏度有利于提高其微装配加工精度。     

模内微装配成型预成型微型部件颈缩熔断的失效机理

基于聚合物微型机械模内微装配成型加工面临的共性关键科学问题——在二次成型高温熔体充填流动环境下,如何避免预成型微型部件产生颈缩熔断失效问题,研究建立了高温熔体充填流动诱发颈缩熔断失效过程的机理模型。研究表明,预成型微型轴颈缩熔断损伤的直接驱动力是应变软化,一旦预成型微型轴出现应变软化,就必然会诱导颈缩熔断损伤。而应变软化现象的形成受控于其材料的初始屈服应力,初始屈服应力与二次成型注射温度呈负关联关系。当熔体注射温度由200℃增至240℃时,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微型轴的初始屈服应力由16.5 MPa降至9.89 MPa,降幅高达40.1%,而其颈缩断面的颈缩率由44.5%增至70%。二次熔体注射温度越高,微型轴越易诱发应变软化和颈缩熔断损伤。     

微流控芯片注射成型过程的数值模拟研究

以生物测试上广泛使用的微流控芯片为研究对象,研究使用聚合物微型注塑方法进行类似产品大规模、批量化生产的可能性。在建立微流控芯片结构模型的基础上,运用聚合物成型分析软件Moldllow对其在不同工艺参数下的成型过程进行了系统研究。结果表明,熔体温度的改变对充填时间的影响甚微,充填时间随着注射速度的增加而明显缩短,注射压力随熔体温度的增加而减小,随注射速度的增加而增加。增加熔体温度和注射速度可以降低翘曲变形。     

微型机械运动副模内微组装成型热流固耦合变形模拟

提出了一种新型规模化高效低成本聚合物微型机械系统模内微组装成型加工技术,并针对其成型过程特点,建立了描述模内微组装成型过程成型热流固耦合变形机理的理论模型。通过有限元数值模拟,研究了模壁温度对模内微组装成型过程的影响规律。结果表明,模内微组装成型的微装配加工精度受控于热流固耦合压力场和不均匀温度场,且其热流固耦合变形随着模壁温度的升高而增大;减小模壁温度有利于提高其微装配加工精度。     

塑封成型过程芯片热流固耦合变形机理数值模拟研究

基于Castro-Macosko 固化动力学模型,建立了描述塑封填充过程及其芯片热-流-固多场耦合翘曲变形形成过程的理论模型,并揭示了其变形机理。结果表明,芯片热流固耦合翘曲变形先随熔体充填流动时间的增加而快速增加,达到最大值之后逐渐减小,并趋于恒定;芯片热-流-固耦合综合翘曲变形主要由热-流-固耦合压力场诱发的翘曲变形和不均匀温度场诱发的热变形组成,芯片热流固耦合压力场诱发的变形为向外的翘曲变形,且正比于芯片上下表面熔体充填不平衡流动的流长差和充填流动速度差,并沿轴向呈先增后减的对称抛物线分布,热-流-固耦合压力场诱发的翘曲变形远大于不均匀温度场诱发的热变形,芯片热-流-固耦合综合翘曲变形主要由热-流-固耦合压力场诱发的变形控制。     

微注塑成型充模流动中的对流换热行为

微注塑成型中,由于尺度效应,使聚合物熔体与微模具型腔壁面间的对流换热行为与常规注塑成型不同,其对流传热系数亦发生了明显变化。通过采用微型注塑机、温度传感器和微模具等组成的对流换热实验装置,对PP、POM和ABS聚合物熔体,以不同的注射速度填充厚度尺寸为0.510、0.420、0.325 mm,表面粗糙度分别为Ra0.062、0.393、0.695 μm微型腔时的模具温度分布进行测量,获得了模具的热通量,进而求得熔体与型腔壁面间的对流传热系数。结果表明,微尺度下实验聚合物熔体与型腔壁面间的对流传热系数,均随注射速度和型腔表面粗糙度值的增加以及型腔厚度尺寸的减小而明显增大;但聚合物材料性能不同时,其对流传热系数差别也较大。     

LDPE熔体在圆锥型短口模挤出过程的粘弹行为研究

主要研究不同入口圆锥角短口模流道挤出流动过程中聚合物熔体的粘弹特性,以及在口模流动过程压力损失,入口弹性贮能和挤出胀大比之间的关系。对于不同的口模入口角,有不同的剪切速率与剪切应力的规律,流变曲线各自不同。同时,不同的圆锥入口角,表现出不同的Bagley校正因子对应不同的挤出胀大值,反映了聚合物熔体在不同圆锥入口角短口模挤出过程拉伸弹性形变特性的差异。聚合物熔体在不同入口圆锥角短口模挤出流动过程的压力降,依赖口模流道的几何形状(入口角、长径比)、温度、流动速率等,入口损失主要归因于拉伸形变的弹性贮能。     

振动剪切作用下聚合物熔体的非仿射网络结构模型——振动参数对聚合物熔体弹性的影响

利用非仿射瞬态网络结构本构模型来分析正弦脉动流场中的聚合物熔体第一、第二法向应力差系数的变化规律，以及振动参数(振动频率和振幅)对聚合物熔体的影响作用。结果表明，在实际加工中可以通过增加振幅或振动频率来降低聚合物熔体的弹性，此模型还可以预测到最佳振幅或最佳振动频率。     

端面变形对液体动压型机械密封液膜瞬态特性的影响

建立动环-液膜-静环动压型机械密封双向流固耦合模型,针对逆流泵送状态,对密封环及液膜流场进行非定常耦合计算,分析了密封环变形和液膜压力的瞬态特性,并通过流固耦合前后流场对比,分析了密封环端面变形对液膜压力脉动的影响。研究结果表明：与未考虑变形时相比,双向流固耦合计算结果更加符合实际;静环端面变形随时间呈周期性变化,且越靠近内径出口处,变形量的波动程度越大;密封环端面变形对外径处压力脉动影响较小,但会明显增强内径处压力脉动,且转速越大,压力脉动增强的程度越大,介质压力在压力较低的工况下对变形后液膜压力脉动程度的影响不明显;密封环端面的变形只影响压力脉动的程度,不改变压力脉动的频率。     

聚合物多层共挤成型离模膨胀过程的三维黏弹性数值模拟

共挤成型中,聚合物黏弹特性与过程参数波动的耦合作用会产生波动的离模膨胀,使得根据共挤制品的形状设计相应的共挤定型口模在工程上仍是一项技术挑战。基于这一技术问题,通过建立的稳态有限元数值算法,系统研究了过程参数和黏弹性流变性能参数对共挤成型离模膨胀的影响规律和机理。研究结果表明,多层共挤口模芯壳层熔体离模膨胀是由熔体的二次流动引起,主要取决于芯壳层熔体二次流动的方向与强度。熔体二次流动的方向与第二法向应力差的正负号有关,而熔体二次流动的强度则与第二法向应力差大小呈正比。芯层熔体的离模膨胀与口模出口和混合区进口处芯层熔体向外的二次流动强度呈正比,而壳层熔体的离模膨胀取决于壳层熔体内外界面向外的二次流动的相对强度。研究还表明芯、壳层熔体及口模整体的离模膨胀随着壳层熔体黏度的增大而增加,而随着壳层熔体进口流量的增大而减小。     

A level set based immersed boundary method for simulation of non-isothermal viscoelastic melt filling process

In this work, the polymer melt filling process is simulated by using a coupled finite volume and level-set based immersed boundary (LS-IB) method. Firstly, based on a shape level set (LS) function to represent the mold boundary, a LS-IB method is developed to model the complex mold walls. Then the non-isothermal melt filling process is simulated based on non-Newtonian viscoelastic equations with differ-ent Reynolds numbers in a circular cavity with a solid core, and the effects of Reynolds number on the flow patterns of polymer melt are presented and compared with each other. And then for a true polymer melt with a small Reynolds number that varies with melt viscosity, the moving interface, the temperature distributions and the molecular deformation are shown and analyzed in detail. At last, as a commonly used application case, a socket cavity with seven inserts is investigated. The corresponding physical quantities, such as the melt velocity, molecular deformation, normal stresses, first normal stress differ-ence, temperature distributions and frozen layer are analyzed and discussed. The results could provide some predictions and guidance for the polymer processing industry.     

衣架式流延模头内熔体流动与模具变形的三维耦合数值模拟

利用Polyflow软件对一种衣架式流延模头内熔体的流动和模具变形进行了三维耦合数值模拟。结果表明:衣架式模头中熔体的流动可视为歧管内(沿歧管方向)和狭缝中(沿挤出方向)的压力流的组合;模头狭缝表面在模具厚度方向的变形沿挤出方向近似为线性增加,而沿模具宽度方向为非线性减小;模具变形后的熔体出口流率由狭缝的实际间隙和扇形区出口处的压力共同决定,单位宽度的出口流率沿模具宽度方向先增加后减小。     

汽车A柱下饰板注射成型工艺仿真分析

采用正交试验和Moldflow数值模拟相结合的方法,对汽车A柱下饰板的注射成型过程进行了分析,研究了模具温度、熔体温度、注射时间和保压压力等工艺参数对残余应力和翘曲变形的影响。通过极差分析得到,熔体温度对翘曲变形影响最大,保压压力对残余应力影响最大,最佳工艺参数组合为模具温度40 ℃,熔体温度205 ℃,注射时间5 s,保压压力45 MPa;通过仿真分析与实际成型方案进行比较,汽车A柱下饰板的翘曲变形由3.847 mm降为3.121 mm,残余应力由66.95 MPa降为65.21 MPa。