三维粘弹性熔体注塑成型充填和保压过程的数值模拟研究
发布时间：2023-10-26 20:10
注塑成型因具有生产效率高、成型精度高、易于成型复杂形状制品等优点而成为塑料成型加工领域中最重要的方法之一。在注塑成型充填和保压过程中,材料性能、模具结构、工艺参数等对型腔内熔体的流动状态、热状态和受力状态产生非常重要的影响,直接关系到最终制品的外观质量和力学性能。然而,传统的解析和实验研究方法难以解决注塑成型这一复杂的工程问题。随着计算流变学理论的日趋成熟,数值模拟为研究聚合物熔体充填和保压过程提供了一种强有力的工具。目前,大多数充填和保压过程的数值模拟研究都基于2.5维粘性模型,无法准确预测厚壁或复杂型腔内粘弹性聚合物熔体的复杂流变行为以及热力学行为。鉴于此,本文针对注塑成型过程中熔体流动及传热的特点,首先给出了合理描述三维非等温粘弹性聚合物熔体充填和保压过程的数学模型。其次,针对上述三维计算模型,发展了有效求解相应控制方程的数值方法。最后,结合区域扩充技术,成功模拟了三维复杂型腔内非等温粘弹性聚合物熔体的充填和保压过程。本文主要工作如下:(1)为了突破2.5维模型的限制,采用描述粘性熔体充填过程的三维非等温牛顿-粘性两相流数学模型。该模型基于Level Set函数将型腔内气体和粘性...
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 聚合物流动过程的研究综述
1.2.1 聚合物流体的本构方程
1.2.2 粘弹性流体流动的数值模拟研究现状
1.3 注塑成型过程及流动诱导残余应力的研究综述
1.3.1 充填过程数值模拟研究现状
1.3.2 保压过程数值模拟研究现状
1.3.3 注塑成型流动诱导残余应力研究现状
1.4 本文的主要内容及结构安排
第二章 三维Level Set方法及数值格式
2.1 Level Set方法
2.1.1 Level Set演化方程
2.1.2 重新初始化方程
2.2 数值求解格式
2.2.1 WENO格式
2.2.2 TVD Runge-Kutta时间离散格式
2.3 修正的Level Set方法
2.4 修正Level Set方法的有效性验证
2.5 本章小结
第三章 三维注塑成型充填过程的数学模型和数值方法
3.1 熔体前沿界面追踪方程
3.2 三维粘性熔体充填过程的数学模型
3.2.1 牛顿-粘性流体两相流模型
3.2.2 Cross-WLF粘度模型
3.2.3 边界条件
3.3 三维粘弹性熔体充填过程的数学模型
3.3.1 牛顿-粘弹性流体两相流模型
3.3.2 非等温XPP本构模型
3.3.3 XPP本构方程的能量源项
3.3.4 应力边界条件
3.4 粘弹性流体流动与传热的数值方法
3.4.1 控制方程的离散
3.4.2 基于同位网格的动量插值方法
3.4.3 界面应力插值
3.4.4 非等温粘弹性熔体充填过程的计算流程图
3.5 模型与数值方法的有效性验证
3.5.1 溃坝问题
3.5.2 Oldroyd-B流体平面Poiseuille流
3.5.3 等温XPP流体圆柱绕流
3.5.4 非等温XPP流体圆柱绕流
3.6 本章小结
第四章 三维粘性熔体充填过程的数值模拟
4.1 引言
4.2 PP和 ABS材料基于Cross-WLF模型的流变曲线
4.3 平板型腔充填过程模拟
4.4 区域扩充法
4.5 带嵌件型腔充填过程模拟
4.6 半球壳型腔充填过程模拟
4.7 本章小结
第五章 三维粘弹性熔体充填过程的数值模拟
5.1 引言
5.2 等温粘弹性熔体充填过程模拟
5.2.1 熔体前沿界面的演化
5.2.2 压力分布
5.2.3 流动诱导残余应力分布
5.2.4 XPP模型流变参数对法向应力差的影响
5.3 非等温粘弹性熔体充填过程模拟
5.3.1 熔体前沿界面的演化
5.3.2 压力分布
5.3.3 温度分布
5.3.4 流动诱导残余应力分布
5.3.5 成型工艺参数对法向应力差的影响
5.3.6 能量源项对法向应力差的影响
5.4 本章小结
第六章 三维粘弹性熔体保压过程的数学模型及数值模拟
6.1 引言
6.2 三维粘弹性熔体保压过程的数学模型
6.2.1 控制方程
6.2.2 Tait状态方程
6.3 数值方法
6.3.1 控制方程离散
6.3.2 基于延迟修正的高分辨率AVLSMART格式
6.3.3 压力方程
6.3.4 CLEAR算法的实施步骤
6.4 模型及数值方法的有效性验证
6.5 三维粘弹性熔体保压过程的数值模拟
6.5.1 平板型腔保压过程模拟
6.5.2 半球壳型腔保压过程模拟
6.6 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 本文创新点
7.3 研究展望
参考文献
攻读博士学位期间发表论文情况
致谢
本文编号：3856903
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 聚合物流动过程的研究综述
1.2.1 聚合物流体的本构方程
1.2.2 粘弹性流体流动的数值模拟研究现状
1.3 注塑成型过程及流动诱导残余应力的研究综述
1.3.1 充填过程数值模拟研究现状
1.3.2 保压过程数值模拟研究现状
1.3.3 注塑成型流动诱导残余应力研究现状
1.4 本文的主要内容及结构安排
第二章 三维Level Set方法及数值格式
2.1 Level Set方法
2.1.1 Level Set演化方程
2.1.2 重新初始化方程
2.2 数值求解格式
2.2.1 WENO格式
2.2.2 TVD Runge-Kutta时间离散格式
2.3 修正的Level Set方法
2.4 修正Level Set方法的有效性验证
2.5 本章小结
第三章 三维注塑成型充填过程的数学模型和数值方法
3.1 熔体前沿界面追踪方程
3.2 三维粘性熔体充填过程的数学模型
3.2.1 牛顿-粘性流体两相流模型
3.2.2 Cross-WLF粘度模型
3.2.3 边界条件
3.3 三维粘弹性熔体充填过程的数学模型
3.3.1 牛顿-粘弹性流体两相流模型
3.3.2 非等温XPP本构模型
3.3.3 XPP本构方程的能量源项
3.3.4 应力边界条件
3.4 粘弹性流体流动与传热的数值方法
3.4.1 控制方程的离散
3.4.2 基于同位网格的动量插值方法
3.4.3 界面应力插值
3.4.4 非等温粘弹性熔体充填过程的计算流程图
3.5 模型与数值方法的有效性验证
3.5.1 溃坝问题
3.5.2 Oldroyd-B流体平面Poiseuille流
3.5.3 等温XPP流体圆柱绕流
3.5.4 非等温XPP流体圆柱绕流
3.6 本章小结
第四章 三维粘性熔体充填过程的数值模拟
4.1 引言
4.2 PP和 ABS材料基于Cross-WLF模型的流变曲线
4.3 平板型腔充填过程模拟
4.4 区域扩充法
4.5 带嵌件型腔充填过程模拟
4.6 半球壳型腔充填过程模拟
4.7 本章小结
第五章 三维粘弹性熔体充填过程的数值模拟
5.1 引言
5.2 等温粘弹性熔体充填过程模拟
5.2.1 熔体前沿界面的演化
5.2.2 压力分布
5.2.3 流动诱导残余应力分布
5.2.4 XPP模型流变参数对法向应力差的影响
5.3 非等温粘弹性熔体充填过程模拟
5.3.1 熔体前沿界面的演化
5.3.2 压力分布
5.3.3 温度分布
5.3.4 流动诱导残余应力分布
5.3.5 成型工艺参数对法向应力差的影响
5.3.6 能量源项对法向应力差的影响
5.4 本章小结
第六章 三维粘弹性熔体保压过程的数学模型及数值模拟
6.1 引言
6.2 三维粘弹性熔体保压过程的数学模型
6.2.1 控制方程
6.2.2 Tait状态方程
6.3 数值方法
6.3.1 控制方程离散
6.3.2 基于延迟修正的高分辨率AVLSMART格式
6.3.3 压力方程
6.3.4 CLEAR算法的实施步骤
6.4 模型及数值方法的有效性验证
6.5 三维粘弹性熔体保压过程的数值模拟
6.5.1 平板型腔保压过程模拟
6.5.2 半球壳型腔保压过程模拟
6.6 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 本文创新点
7.3 研究展望
参考文献
攻读博士学位期间发表论文情况
致谢
本文编号：3856903
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