注射成型过程中多相聚合物相形态演变的建模与模拟

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利用数值模拟手段预测共混物中的相形态,对于控制材料结构和优化产品性能具有重要的理论研究意义和工业应用价值。现有的注射成型模拟主要侧重于宏观尺度的可成型性分析,未考虑到微结构的影响,计算精度不能满足实际的工程需要。同时,目前关于共混物相形态的理论研究仅限于单个分散相液滴体系,没有考虑液滴之间的相互作用,不适用于真实加工过程的模拟。为实现聚合物共混物注射成型过程中的相结构模拟,本文从机理研究、模型选择、成型过程模拟以及物理实验验证几个方面进行了研究。针对分散相最主要的演变过程:变形、破裂和凝聚,分别对其原理和关键参数进行了较系统的研究。通过分析和比较常见模型的模拟结果,采用仿射变形公式描述高剪切下的液滴瞬态大变形,以及唯象模型计算小变形和松弛回复过程;对于分散相颗粒的破裂过程采用液滴分裂或纤维破裂模型计算;凝聚过程采用实验模型或统计学概率模型描述。根据聚合物共混物在注射成型过程中的相形态演变特征,在宏观和微观两个尺度上构造了三维空间瞬态成型与相结构演化过程的模型。提出了注射成型过程中相结构与流场耦合求解的三维数值模拟方法,建立了基于PSPG (Pressure-Stabilizing/Petro-Galerkin)和SUPG (Steamline-Upwind/Petrov-Galerkin)方法的稳定有限元格式,通过微结构与宏观流场的迭代求解反映真实流场中各种因素共同作用下的分散相结构演化过程。采用数值模拟与物理实验相结合的方法研究共混物取向结构,系统地完成了获取相形态模拟所需各项材料参数以及相形态实验研究的全部实验过程。通过比较模拟结果与实验结果,分别验证了宏观流场模拟以及微观相结构模拟算法的准确性。模拟结果能够较好地反映分散相的形态规律,可以用于注射成型过程中的相形态计算与预测。通过模拟不同工艺条件下型腔内宏观流场和微观相结构的分布情况,探讨流场与相形态之间的内在联系和规律,发现成型参数对于分散相形态演化的影响是相互联系的,需要进行综合分析与评价。最后研究了相界面的分离与转变规律,通过对比相形态与静态力学性能的实验结果,初步探讨了制品静态力学性能与微观相结构之间的联系。
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