气辅注射成型运动界面的Level Set方法数值模拟

给出气液两相流数学模型,选取Cross-WLF模型作为熔体的黏度模型,采用Level Set/SIMPLEC方法模拟了气体辅助注射成型中气体穿透过程,追踪到了不同时刻的运动界面(气熔界面和熔体前沿界面),描述了运动过程中不同时刻速度和温度等重要物理量的分布情况,分析了熔体温度、气体延迟时间和注射压力对气体穿透时间和穿透长度的影响。数值结果表明,Level Set/SIMPLEC方法可以准确追踪气体穿透过程中的两个运动界面;熔体温度、延迟时间和气体注射压力对气体穿透长度有显著影响。     

熔体充模过程动态模拟及流场分析

将Level Set／Ghost方法应用于聚合物成型研究，实现了非等温情况下注射成型聚合物熔体充模阶段的动态模拟；得到了正确的流线分布和不同时刻的温度、压力等值线分布。对Level Set／Ghost方程的求解，空间方向采用高分辨率、稳定且无振荡的5WENO（the fifth—order weighted essentially non—oscillatory）格式进行离散，时间方向采用稳定的TVD-RK（total variation diminishing Runge Kutta）方法进行离散。物理量控制方程采用一般的有限差分格式进行数值求解。结果表明，Level Set／Ghost方法可以准确追踪非等温聚合物熔体前沿界面的位置，并能精确描述前沿界面的形状，同时可以实现动态流场物理量的准确模拟。     

带有矩形嵌件薄壁型腔内熔接过程动态模拟

为了准确模拟具有对称结构的带有矩形嵌件的薄壁型腔内熔接线的动态形成过程,采用Level Set/Ghost方法追踪充填阶段聚合物熔体前沿界面。引入具有高阶精度且数值稳定无振荡的5WENO（the fifth order weighted essentially nonoscillatory）格式对Level Set/Ghost方程进行数值求解,耦合求解物理量控制方程的一般差分格式实现熔接过程的动态模拟。数值算例对整个流场的压力、温度及速度进行了分析和讨论,并将熔接区域的压力、温度和非熔接区域的压力、温度进行了比较。数值结果与理论分析结果一致,且与前人数值结果相比有很好的精度。     

充模过程的Level Set两相流模拟

采用Level Set两相流方法模拟了熔体充模过程,避免了处理复杂的边界以及用Ghost方法将熔体内的速度值外推到熔体外的情况。分别对型腔水平中面与垂直中面的充模过程进行了模拟。讨论了不同注射速度、不同注射口数量以及不同Reynolds数对充模过程的影响,得出了不同时刻各种情况下熔体界面的位置与充模过程刚结束时型腔内的压力分布,分析了熔体在型腔内运动的不同阶段的特点及形成不同阶段的原因。结果表明,在注射口宽度与型腔宽度相差不大的情况下,如果采用中低速充模,则整个充模运动过程以比较平稳的扩展性运动为主,充模较完全,熔体不发生破裂,制件效果较好。充模速度越大,熔体达到平稳流动的时间越短,充模过程越短。数值模拟结果与实验结果一致,同时表明Level Set两相流方法在求解拓扑性质发生较大变化问题时具有很大的优势。     

基于八叉树自适应网格技术的LevelSet运动界面追踪方法

Level Set方法因能有效地处理界面处复杂的拓扑结构变化以及大变形问题,广泛应用于界面追踪领域。在Level Set方法追踪运动界面时引入八叉树网格技术,通过八叉树网格的细化和粗化技术减少计算网格数量和计算内存并提高计算效率和计算精度。因为八叉树网格为非均匀网格,其相邻网格的层数值可能不相同,所以不能直接采用WENO格式离散Level Set函数得到网格处的函数值,进而提出八叉树网格离散模型解决这一问题,并提出基于八叉树网格距离场重新初始化方法减少Level Set方法的质量损失,最后将基于八叉树网格技术的Level Set方法应用于两个给定速度场的运动界面模拟算例以及基准件方腔的铸造充型过程的模拟。模拟结果表明该方法可以提高界面的精度,同时改善质量守恒性。     

基于八叉树自适应网格技术的Level Set运动界面追踪方法

Level Set方法因能有效地处理界面处复杂的拓扑结构变化以及大变形问题,广泛应用于界面追踪领域。在Level Set方法追踪运动界面时引入八叉树网格技术,通过八叉树网格的细化和粗化技术减少计算网格数量和计算内存并提高计算效率和计算精度。因为八叉树网格为非均匀网格,其相邻网格的层数值可能不相同,所以不能直接采用WENO格式离散Level Set函数得到网格处的函数值,进而提出八叉树网格离散模型解决这一问题,并提出基于八叉树网格距离场重新初始化方法减少Level Set方法的质量损失,最后将基于八叉树网格技术的Level Set方法应用于两个给定速度场的运动界面模拟算例以及基准件方腔的铸造充型过程的模拟。模拟结果表明该方法可以提高界面的精度,同时改善质量守恒性。     

基于Fluent的三维注塑充填界面追踪方法研究

充填阶段是注塑成型中最复杂也是最重要的阶段。考虑到Moldflow软件在注塑成型模拟中的局限性,越来越多的学者使用Fluent等通用计算流体动力学(CFD)软件进行注塑成型模拟。然而,大多数基于通用CFD软件的注塑充填模拟中都忽略了气体相。基于Fluent软件实现了三维注塑充填模拟,并将没有考虑空气相,以及考虑空气相时使用两种不同界面追踪方法的模拟结果分别与Moldflow进行了对比。结果表明,在基于Fluent的注塑充填模拟中应该考虑空气,且使用流体体积函数(VOF)和水平集(Level Set)的耦合方法 (CLSVOF)比单纯的VOF方法界面追踪效果更好。     

短纤维增强熔体三维充模模拟及制品性能预测

基于气-液-固三相模型,给出了适用于三维流场的纤维质心虚拟速度、纤维平动与取向、动量交换源项的求解公式,建立了描述短纤维增强聚合物熔体充模过程的三维模型。采用同位网格有限体积法和Level Set界面追踪技术,实现了充模过程的三维动态模拟。并且,根据模拟计算出的平均取向角,提出了三维取向短纤维增强复合材料力学性能参数计算的一种简化模型。数值结果表明:三维模拟技术可有效反映注塑成型充模的流动过程和喷泉效应;纤维取向分析可量化显示纤维在型腔中的表层-芯层结构取向;弹性模量计算结果与实验结果吻合较好。     

复杂两相流中界面追踪方法——VOSET的性能分析

界面追踪方法-VOSET(coupled Volume-of-Fluid and Level Set method)结合了VOF和Level Set两种方法的优点,克服了这两种方法的缺点.VOSET方法采用VOF方法捕捉两相间的界面,保持了两相间的质量守恒,克服了Level Set方法质量不守恒的缺点;利用几何计算方法...     

三维非等温非牛顿流体充模过程的建模与模拟

为了避免使用速度延拓法处理自由表面边界条件,更真实地反映非牛顿熔体的充模过程,耦合Navier-Stokes方程组,建立了三维实体气液两相流模型。采用基于SIMPLE算法的同位网格有限体积法求解流场物理量,并结合Level Set界面追踪技术实现了非等温熔体充模阶段的动态模拟。为防止出现三维情形下棋盘型压力场,利用同位网格动量插值技术,解决压力与速度失耦的问题。分析了充模过程中,流场物理量的变化情况,研究了注射速率、入口温度等对充模过程及熔体凝固层厚度的影响,得出了与实验相吻合的模拟结果。数值结果表明,三维实体气液两相流模型能更准确地描述聚合物熔体的充模过程;当注射速率较大、入口温度较高时,充模时间较短,熔体凝固层的厚度较小。     

New approach to develop a 3D non-isothermal computational framework for injection molding process based on level set method

The simulation of three-dimensional (3D) non-isothermal, non-Newtonian fluid filling process is an extremely difficult task and remains a challenging problem, which includes polymer melt flow with free surface coupled with transient heat transfer. This paper presents a full 3D non-isothermal two-phase flow model to predict the complex flowinmelt filling process,where the Cross-WLFmodel is applied to characterize the rheological behavior of polymer melt. The governing equations are solved using finite volume method with SIMPLEC algorithm on collocated grids and the melt front is accurately captured by a high resolution level set method. A domain extension technique is adopted to dealwith the complex cavities, which greatly reduces the computational burden. To verify the validity of the developed 3D approach, the melts filling processes in two thin rectangular cavities (one of them with a cylindrical insert) are simulated. The predicted melt front interfaces are in good agreement with the experiment and commercial software prediction. For a case with a rather complex cavity, the dynamic filling process in a hemispherical shell is successfully simulated. All of the numerical results show that the developed numerical procedure can provide a reasonable prediction for injection molding process.     

注塑制品微结构的三维数值模拟分析

构建带有圆柱阵列微结构的微注射制品3D模型,采用聚丙烯为原料,应用针对不可压缩性流体的三维有限元方法,根据优化的有限元网格实现体积控制来预测熔体的前沿流动。结果发现基于3D数值模拟方法很好的模拟出微注射制品不同填充阶段的流动状态、温度场和速度分布。厚度方向微结构的充填过程滞后于流动前沿径向的推进,因此不利于微结构区域气体的排出;微圆柱结构充填时具有喷泉状流动前沿。     

3D Viscoelastic Simulation of Jetting in Injection Molding

A three‐dimensional model and algorithm were proposed to simulate the jetting phenomenon in injection molding. The Giesekus model was employed to describe the viscoelastic behavior of the incompressible, non‐isothermal polymer flow, and the volume of filling method was used to track the jetting free surface and advancing melt front. The governing and constitutive equations were discretized by finite volume method. To improve the precision and stability of the numerical method, a modified pressure implicit with splitting of operator algorithm was proposed to solve the pseudo Navier–Stokes problem, and an iterative scheme was constructed to determine the solution of the coupled nonlinear equations. Numerical results showed this method successfully predicted the snake‐like flow in thin‐wall cavities and buckling flow in thick‐wall cavities. The viscoelastic characteristics of polymer influenced the reptile swing frequency and amplitude. Finally, a suitable nonlinear parameter in the Giesekus model improved the precision of simulation. POLYM. ENG. SCI., 59:E397–E405, 2019. © 2019 Society of Plastics Engineers     

Research on a Numerical Schemes for Capturing Free Front during Injection Molding

In order to capture the free front in injection molding filling precisely, the numerical method is studied for the H-J (Hamilton Jacobi) equations. The central WENO (Weighted Essentially Non-Oscillatory) scheme for the level set equations, the third-order central WENO scheme in space respectively and the third-order TVD R-K (Total Variation Diminishing Runge–Kutta) scheme in time, are used for capturing the melt flow front in injection molding filling. The numerical results show the high-order WENO scheme can capture discontinuity precisely and the melt flow front can be captured precisely using this kind of numerical method during the injection molding filling.