黃雪梅 1甜刻，柳和生 1，2正勒，黃興元 1得院，黃益賓 3，余忠 3章贞，江詩(shī)雨 1
(1. 南昌大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院祥绞，南昌 330031 ； 2. 華東交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院鸭限，南昌 330013 蜕径；
3. 上饒師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，江西省塑料制備成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室败京，江西上饒 334001)
摘要：應(yīng)用 Poly?ow軟件構(gòu)建模型兜喻；截取口模內(nèi)30mm、口模外50mm的熔體赡麦，模擬不同入口流率和不同開(kāi)口臂長(zhǎng)對(duì)U型擠出制件拐角處剪切速率和X朴皆，Y，Z向流動(dòng)速度的影響隧甚，應(yīng)用Origin后處理軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析车荔。研究表明，U型制件擠出時(shí)戚扳，U型件拐角處靠近口模壁的剪切速率遠(yuǎn)大于中心位置的剪切速率忧便，入口流率越大或臂長(zhǎng)越短，其對(duì)應(yīng)的剪切速率越大帽借，在口模內(nèi)同一流線上的剪切速率基本是定值珠增，但在口模出口接近5mm 處會(huì)迅速降低；U型件靠近口模壁處的X砍艾，Y蒂教，Z向流動(dòng)速度和靠近中心線位置的X，Y 向速度脆荷，在口模內(nèi)起始25mm的距離內(nèi)為0凝垛，但在口模出口接近5mm左右懊悯，速度會(huì)劇變，入口流率越大和開(kāi)口臂長(zhǎng)越短梦皮，變化越劇烈炭分，其中靠近口模壁的最后5mm的X向流動(dòng)速度指向負(fù)方向，Y向流動(dòng)速度指向正方向剑肯；而靠近截面中心線處最后5mm的速度方向先正后負(fù)捧毛，入口流率越大或臂長(zhǎng)越短，Y向流動(dòng)速度在出口處的變化越劇烈让网；靠近U型截面中心線的熔體的Z向流動(dòng)速度在口模內(nèi)起始25mm段距離內(nèi)較均勻呀忧，在最后5mm開(kāi)始慢慢降低。
關(guān)鍵詞：擠出成型溃睹； 開(kāi)口臂尺寸而账； U 型件；拐角
隨著社會(huì)的飛速發(fā)展丸凭，工業(yè)用型材的需求越來(lái)越多福扬，在人們的生產(chǎn)、生活及科研應(yīng)用中惜犀，各類塑料異型擠出制件的應(yīng)用也越來(lái)越多铛碑。但異型材的擠出成型過(guò)程比較復(fù)雜，難于得到理想的形狀和尺寸虽界，近年來(lái)汽烦，不斷有專家學(xué)者對(duì)異型材擠出開(kāi)展了不同的研究 [1-6]。柳和生等 [7] 基于流率平衡提出了橡膠材質(zhì)的異型材擠出口模的設(shè)計(jì)方法莉御。張廣冬等[8]對(duì)傳統(tǒng)的聚合物擠出成型的模流系數(shù)進(jìn)行了修正撇吞，并進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證，蔣標(biāo)等[9]根據(jù)硬質(zhì)聚氯乙烯 (PVC-U) 熔體特性礁叔，引入了拉比諾維茨修正的哈根-伯肅葉公式計(jì)算公式牍颈，對(duì)模頭內(nèi)熔體壓力影響因素進(jìn)行了分析和檢測(cè)對(duì)比。郭凱 [10] 針對(duì)異型材擠出口模設(shè)計(jì)效率琅关、自動(dòng)化程度低煮岁，結(jié)合 UG/Open二次開(kāi)發(fā)、UDO關(guān)聯(lián)技術(shù)及MFC技術(shù)開(kāi)發(fā)了塑料異型材擠出定型模系統(tǒng)并進(jìn)行了驗(yàn)證涣易。柳和生等[11]采用PPT黏彈模型對(duì)T異型材擠出口模內(nèi)黏彈流動(dòng)進(jìn)行研究画机，模擬發(fā)現(xiàn)，在口模出口處流動(dòng)速度新症、剪切 速率步氏、壓力、應(yīng)力分布劇變徒爹，應(yīng)力易集中發(fā)生在口模截面的拐角處荚醒。楊佳黎等[12]運(yùn)用Poly?ow逆向擠出功能對(duì)T型材變形傾向進(jìn)行預(yù)測(cè)芋类，在此基礎(chǔ)上對(duì)T型材擠出口模進(jìn)行了設(shè)計(jì)。Rutgers等[13]采用線型低密度聚乙烯研究了不同通道幾何形狀及壁面條件對(duì)擠出制件表面不穩(wěn)定性的影響界阁。Sienz等[14]利用有限元程序中的微分法進(jìn)行敏感度分析梗肝，并嘗試以壓力降、平均切向流動(dòng)速度及熱傳導(dǎo)等參數(shù)為性能指標(biāo)并進(jìn)行了模具設(shè)計(jì)铺董。
綜上所述，異型材難于成型在于其形狀復(fù)雜禀晓，有很多拐角精续，其流動(dòng)速度很不均勻，受型材拐角處的影響很大粹懒。筆者從熔體入口流率和U型件的開(kāi)口臂尺寸兩個(gè)方面來(lái)探討其對(duì)拐角處擠出成型過(guò)程的影響重付。
1 理論模型
1．1 幾何模型和有限元模型
以一種U形件為研究對(duì)象，該U型件截面如圖1所示凫乖，相應(yīng)的U型件截面參數(shù)見(jiàn)表1确垫，其中B為U型件寬度，H為開(kāi)口臂長(zhǎng)帽芽，t為壁厚删掀，Y為重心 距下底面的距離。應(yīng)用Poly?ow軟件导街，以U型件開(kāi)口方向中軸線為Y軸正向披泪，U型件底部最下邊緣線指向右為X軸正向，以右手笛卡爾直角坐標(biāo)系確定Z軸正向搬瑰，構(gòu)建模型款票，截取口模內(nèi)30mm、口模外50mm的熔體來(lái)進(jìn)行研究泽论。U型件的三維圖及網(wǎng)格劃分和邊界設(shè)置如圖2所示艾少，各模型對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)見(jiàn)表1。
圖 1 U 型件截面
a—三維圖翼悴；b—網(wǎng)格劃分
圖 2 口模內(nèi)外所截取熔體的三維圖及其網(wǎng)格劃分
1．2 基本假設(shè)和基本方程
假設(shè)熔體都是不可壓縮的缚够，視整個(gè)流動(dòng)過(guò)程為層流，在流動(dòng)過(guò)程中忽略慣性力和質(zhì)量力的作用抄瓦。熔體為黏性流體潮瓶。在假設(shè)成立的情況下，聚合物擠出成型過(guò)程中的流動(dòng)滿足聚合物流變學(xué)中的連續(xù)方程钙姊、動(dòng)量方程及能量方程[15-16]毯辅，微分黏彈本構(gòu)模型選用Phan-Thien-Tanner (PTT) 本構(gòu)模型[17]，方程如式(1) 所示：
exp[tr(T1 )]T1 + λ[(1 - ) + ] = (1)
2(1 - ηr )η0 D
式中：ε——與熔體拉伸特性有關(guān)的材料參數(shù)煞额；
λ——熔體松弛時(shí)間思恐；
ηr——黏度比沾谜， ηr=η 1/η0，其中胀莹， η 1 為熔體零剪 切黏度中的黏性分量基跑；
η0——熔體的零剪切黏度；
T1——偏應(yīng)力張量描焰；
ξ——與熔體剪切黏度有關(guān)的材料參數(shù)媳否；
▽
T1 ——偏應(yīng)力張量上熔體的上隨體導(dǎo)數(shù)； 1 ——偏應(yīng)力張量上熔體的下隨體導(dǎo)數(shù)荆秦；
D——形變速率張量篱竭。
1．3 材料物性參數(shù)
在數(shù)值模擬中，采用的聚合物是熔體密度為973kg/m3的聚丙烯 (PP)步绸。
1．4 邊界條件設(shè)置
熔體入口流率分別為5×10-5掺逼，5×10-4，1×10-3瓤介， 5×10-3m3/s吕喘。
熔體與口模壁采用的是無(wú)滑移邊界條件，此處與口模壁相鄰邊界表面上熔體的法向速度和切向速度都為0刑桑。
自由表面設(shè)置為free surface氯质，指定自由表面的入口和出口，采用迎風(fēng)面算法保持其計(jì)算的收斂祠斧。
在出口位置病梢，熔體末端未施加任何牽引力，此處與口模壁相鄰熔體邊界上熔體的法向應(yīng)力和切向速度都為0梁肿。
2 結(jié)果與討論
先構(gòu)造6個(gè)平面蜓陌，坐標(biāo)分布為Z=20，25吩蔑，29钮热，31，35烛芬，45mm 隧期。平面1在口模內(nèi)離口模出口10mm，平面2在口模內(nèi)離口模出口5mm赘娄，平面3在口模內(nèi)離口模出口1mm仆潮，平面4在口模外離口模出口1mm，平面5在口模外離口模出口5mm遣臼，平面6在口模外離口模出口15mm性置，通過(guò)模擬得到入口流率為1×10-3m3/s 時(shí)，6個(gè)平面上熔體的剪切速率和流動(dòng)速度如圖3所示揍堰。
圖 3 入口流率為 1 × 10-3 m3 時(shí) 6 個(gè)平面上熔體的剪切速率和流動(dòng)流動(dòng)速度
從圖3可以發(fā)現(xiàn)：
(1) 口模出口外凸點(diǎn)拐角處熔體的剪切速率無(wú)變化鹏浅，均為0嗅义。
(2) 在內(nèi)拐角處熔體的剪切速率變化較大，故建立直線L1隐砸，其坐標(biāo)為 (0.008 5之碗，0.00 4，0) 和 (0.008 5季希，0.00 4褪那，0.03)，如圖4所示式塌。
(3) 同樣武通，發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)拐角的中間熔體的流動(dòng)速度最大，故在此位置也設(shè)置一條直線L2珊搀，其坐標(biāo)為(0.010 5，0.002尾菇，0)和(0.010 5境析，0.002，0.03)派诬，如圖4所示劳淆。
圖 4 構(gòu)建的直線 L1 和 L2
為了研究不同入口流率、不同開(kāi)口臂長(zhǎng)對(duì)熔體流動(dòng)中剪切速率和流動(dòng)速度的影響默赂，選用4種不同入口流率 (5×10-5沛鸵，5×10-4，1×10-3缆八，5×10-3m3/s) 和4種不同開(kāi)口臂長(zhǎng) (見(jiàn)表1) 分別對(duì)U型件進(jìn)行模擬曲掰，然后應(yīng)用Origin后處理軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
2．1 剪切速率分析
在開(kāi)口臂長(zhǎng)為15mm 條件下奈辰，入口流率不同時(shí)栏妖，直線L1和L2上熔體的剪切速率如圖5所示。從圖5可以看出奖恰，入口流率越大吊趾，直線L1和L2上熔體的剪切速率越大，并且在口模內(nèi)起始25mm的一段距離內(nèi)瑟啃，同一流線上熔體的剪切速率基本是定值论泛，僅在出口前大概5mm后，熔體的剪切速率急劇變小蛹屿。對(duì)比圖5a和圖5b可以發(fā)現(xiàn)屁奏，U型槽拐角處靠近口模壁的剪切速率遠(yuǎn)大于中心位置的剪切速率。
在入口流率分別為1×10-3m3/s 和5×10-3m3/s條件下错负，開(kāi)口臂長(zhǎng)不同時(shí)了袁，直線L1和L2上熔體的剪切速率如圖6朗恳、圖7所示。從6载绿、圖7可以看出粥诫，在入口流率相同條件下，開(kāi)口臂長(zhǎng)越短崭庸，直線L1和L2上熔體的剪切速率越大怀浆。入口流率不同時(shí)，直線L1和L2上熔體的剪切速率的變化曲線接近怕享。
2．2 X 向流動(dòng)速度分析
在開(kāi)口臂長(zhǎng)為15mm 條件下执赡，入口流率不同時(shí)，直線L1和L2上熔體的X向流動(dòng)速度如圖8所示函筋。從圖8a可看出沙合，直線L1上熔體的X向流動(dòng)速度絕 對(duì)值在口模出口前約5mm后急劇加大，方向?yàn)閄軸負(fù)向跌帐，入口流率越大首懈，熔體的X向流動(dòng)速度絕對(duì)值也越大，但是入口流率過(guò)大時(shí)谨敛，熔體的X向流動(dòng)速度絕對(duì)值不增反降究履。從圖8b可看出，在口模內(nèi)起始約25mm一段距離內(nèi)脸狸，熔體的X向流動(dòng)速度為0最仑，在口模出口前約5mm左右，熔體的X向流動(dòng)速度方向急劇發(fā)生變化炊甲，速度方向換向泥彤，在出口處熔體的X向流動(dòng)速度達(dá)到最大值。截面尺寸一致時(shí)卿啡，入口流率越大全景，熔體的X向流動(dòng)速度絕對(duì)值越大。
在入口流率為1×10-3m3/s條件下牵囤，開(kāi)口臂長(zhǎng)不同時(shí)爸黄，直線L1和L2上熔體的X向流動(dòng)速度如圖9所示。從圖9a可看出揭鳞，開(kāi)口臂長(zhǎng)不同時(shí)炕贵，直線 L1上熔體的X向流動(dòng)速度與圖8中同一截面不同入口流率時(shí)熔體的X向流動(dòng)速度的變化規(guī)律接近。開(kāi)口臂長(zhǎng)越短野崇，熔體的X向流動(dòng)速度絕對(duì)值越大称开，隨著開(kāi)口臂長(zhǎng)逐漸增加，熔體的X向流動(dòng)速度越來(lái)越接近，當(dāng)開(kāi)口臂長(zhǎng)增加到一定程度后鳖轰，熔體的X向流動(dòng)速度不增反降清酥，方向?yàn)閄軸負(fù)向。從圖9b可看出蕴侣，開(kāi)口臂長(zhǎng)不同時(shí)焰轻，直線L2上熔體的X向流動(dòng)速度在出口前約5mm方向發(fā)生急劇變化，速度方向換向昆雀，在出口處熔體的X向流動(dòng)速度達(dá)到最大值辱志，開(kāi)口臂長(zhǎng)越短，出口處熔體的X向流動(dòng)速度越大
2．3 Y向流動(dòng)速度分析
在開(kāi)口臂長(zhǎng)為15mm 條件下狞膘，入口流率不同時(shí)揩懒，直線L1和L2上熔體的Y向流動(dòng)速度如圖10所示。從圖10a可知挽封，入口流率不同時(shí)已球，在口模內(nèi)起始約25mm的一段距離內(nèi)，直線L1上熔體的Y向流動(dòng)速度為0辅愿，在離口模出口處約5mm后智亮，熔體的Y向流動(dòng)速度急劇加大，入口流率越大渠缕，熔體的Y向流動(dòng)速度越大。從圖10b可以看出褒繁，直線L2上熔體的Y向流動(dòng)速度在出口前5mm左右方向急劇變化亦鳞，速度方向先正后負(fù)，熔體的Y向流動(dòng)速度絕對(duì)值也在出口處達(dá)到最大值棒坏，入口流率越大燕差，出口處熔體的Y向流動(dòng)速度絕對(duì)值越大，方向?yàn)閅軸負(fù)向坝冕。
在入口流率為1×10-3m3/s 條件下徒探，開(kāi)口臂長(zhǎng)不同時(shí)，直線L1和L2上熔體的Y向流動(dòng)速度如圖11所示喂窟。從圖11a可看出测暗，直線L1上熔體的 Y向流動(dòng)速度在離口模出口處約5mm 位置時(shí)，熔體的Y向流動(dòng)速度急劇加大磨澡，開(kāi)口臂長(zhǎng)越短碗啄，熔體的Y向流動(dòng)速度越大，流動(dòng)速度方向?yàn)閅軸正向稳摄。從圖11b可以看出稚字，直線L2上熔體的Y向熔體的流動(dòng)速度絕對(duì)值在離口模出口處大概5mm 位置發(fā)生急劇變化，流動(dòng)速度方向換向，先正向后負(fù)向胆描，開(kāi)口臂越短瘫想，熔體的Y向流動(dòng)速度絕對(duì)值越大，方向?yàn)閅軸負(fù)向昌讲。
2．4 Z 向流動(dòng)速度分析
在開(kāi)口臂長(zhǎng)為15mm條件下国夜，入口流率不同時(shí)，直線L1和L2上熔體的Z向流動(dòng)速度如圖12所示剧蚣。從圖12a可看出支竹，入口流率不同時(shí)，在口模內(nèi)起始25mm的一段距離內(nèi)鸠按，直線L1上熔體的Z向流動(dòng)速度為0礼搁，在離口模出口處約5mm位置，熔體的Z向流動(dòng)速度急劇增大目尖，入口流率越大馒吴，出口熔體的Z向流動(dòng)速度越大，方向?yàn)閆軸正向瑟曲。從圖12b可看出饮戳，在口模內(nèi)起始25mm的一段距離內(nèi)，直線L2上熔體的Z向流動(dòng)速度較均勻洞拨，僅在出口前約5mm時(shí)扯罐，熔體的Z向流動(dòng)速度緩慢下降。入口流率越大烦衣，出口熔體的Z向流動(dòng)速度越大歹河。
在入口流率為1×10-3m3/s 條件下，開(kāi)口臂長(zhǎng)不同時(shí)花吟，直線L1和L2上熔體的Z向流動(dòng)速度如圖13所示秸歧。從圖13a可知，在口模內(nèi)起始約25mm 的一段距離內(nèi)衅澈，直線L1上熔體的Z向流動(dòng)速度為0键菱，僅在離口模出口處約5mm時(shí)熔體的Z向流動(dòng)速度急劇增大，開(kāi)口臂長(zhǎng)越短今布，出口熔體的Z向速度越大经备，方向?yàn)閆軸正向。開(kāi)口臂長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)部默，熔體的Z向出口流動(dòng)速度也會(huì)增大弄喘。從圖13b可知，直線L2上熔體的Z向流動(dòng)速度在口模內(nèi)起始25mm的一段距離內(nèi)比較均勻甩牺，僅在出口前約5mm位置蘑志，熔體的Z向流動(dòng)速度有緩慢下降趨勢(shì)。入口流率相同時(shí)，開(kāi)口臂長(zhǎng)越短急但，熔體的Z向流動(dòng)速度越大澎媒。
3 結(jié)論
通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)，入口流率與U型件開(kāi)口臂長(zhǎng)對(duì)剛進(jìn)入口模內(nèi)的一大段熔體的流動(dòng)規(guī)律沒(méi)有太大的影響波桩，在該段的流速比較穩(wěn)定戒努，但在靠近出口前5mm 左右，拐角處外緣及中心線位置熔體的剪切速率及X向镐躲、Y向和Z向的流動(dòng)速度都會(huì)發(fā)生很大的變化储玫。拐角中心線附近熔體的X向、Y向流動(dòng)速 度還會(huì)急劇反向萤皂。在此過(guò)程中撒穷，入口流率越大或開(kāi)口臂長(zhǎng)越短，其剪切速率及各個(gè)方向的流動(dòng)速度變化越大裆熙。另外端礼，在計(jì)算過(guò)程中假設(shè)壁面摩擦足夠大，假設(shè)熔體與壁面接觸處熔體的流動(dòng)速度均為0入录，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中蛤奥，如果能改變摩擦條件，特別是從出口前5mm 左右開(kāi)始改變摩擦條件僚稿，或許會(huì)對(duì)后續(xù)的熔體流動(dòng)狀況大有改善凡桥。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 萬(wàn)仕成 . PVC-U 異型材擠出成型過(guò)程中的變形問(wèn)題 [J]. 化學(xué)建材，2009蚀同，25(4):8- 10.
[2] Dai Y K缅刽，Zhou C X，Yu W. Inverse designing simulation of extru-sion die of auto rubber seal and veri?cations[J]. Plastics Rubber and Composites唤崭，2007拷恨，36(4):141-148.
[3] Dai Yuankan脖律，Zheng Hong谢肾，Zhou Chixing，et al . Quick profile die balancing of automotive rubber seal extrusion by CAE technology[J]. Journal of Macromolecular Science小泉，Part A:Pure and Applied Chemistry芦疏，2008，45(12):1 028-1 036.
[4] 胡延平微姊，魏聰酸茴，程哲，等 . 基于 UG 的塑料異型材擠出模數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J]. 模具工業(yè)兢交，2018薪捍，44(6):13-17，26.
[5] Pauli L，Behr M酪穿，Elgeti S. Towards shape optimization of pro?le extrusion dies with respect to homogeneous die swell[J]. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics凳干，2012，200(12):79-87.
[6] 孫乃旭被济，田廷科救赐，李冰 . 基于計(jì)算機(jī)輔助的塑料異型材擠出成型工藝優(yōu)化 [J]. 塑料科技，2020只磷，48(5):103-106.
[7] 柳和生经磅，涂志剛，熊洪槐 . 基于流率平衡的橡塑異型材擠出口模設(shè)計(jì) [J]. 塑性工程學(xué)報(bào)钮追，2000预厌，7(1):76-78.
[8] 張廣冬，林建平畏陕，葛友華配乓，等 . 聚合物擠出成型模流平衡系數(shù)修正[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012惠毁，48(12):75-80.
[9] 蔣標(biāo)犹芹，楊衛(wèi)發(fā)，張鋼 . 塑料異型材擠出模模頭熔體壓力分析 [J].模具工業(yè)鞠绰，2019腰埂，45(8):54-58.
[10] 郭凱 . 基于特征識(shí)別的塑料異型材擠出定型模 CAD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā) [D]. 武漢 : 武漢理工大學(xué)，2020.
[11] 柳和生蜈膨，盧臣屿笼，黃興元，等 . PTT 熔體在塑料異型材擠出口模內(nèi)黏彈流動(dòng)的數(shù)值模擬 [J]. 塑料翁巍，2009驴一，38(5):98-102，4.
[12] 楊佳黎灶壶，柳和生肝断，黃興元，等 . Poly?ow 逆向擠出功能在 T 型材口模設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 [J]驰凛，塑料胸懈，2011，40(1):114-117恰响，17.
[13] Rutgers R P G趣钱，Mackley M R. The e■ect of channel geometry and wall boundary conditions on the formation of extrusion surface instabilities for LLDPE[J]. Journal of Non-Newtonian Fluid Me-chanics，2001胚宦，98(2-3):185-199.
[14] Sienz J首有，Goublomme A燕垃，Luege M. Sensitivity analysis for the design of pro?le extrusion dies[J]. Computers and Structures，2010井联， 88:(9-10):610-624.
[15] 梁基照 . 聚合物拉伸流變學(xué) [M]. 廣州 : 華南理工大學(xué)出版社利术，2015.
[16] Ferrás L L，Afonso A M低矮，Alves M A印叁，et al. Annular ?ow of viscoelastic fluids:Analytical and numerical solutions[J]. Journal of
Non-Newtonian Fluid Mechanics，2014军掂，212:80-91.
[17] 鄧小珍 . 塑料異型材氣體輔助共擠出成型的實(shí)驗(yàn)和理論研究[D]. 南昌 : 南昌大學(xué)轮蜕，2014.
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