短纤维增强聚合物共混挤出—注塑成形过程联合仿真

作     者：王子钦 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张云

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：短纤维增强 共混挤出 注塑成形 纤维断裂 联合仿真 

摘      要：短纤维增强聚合物比强度高、易于成形,广泛应用于汽车、电子和机械等领域。共混挤出和注塑成形分别是短纤维增强聚合物最常见的制备和成形工艺。数值模拟可以减少共混挤出与注射成形工艺的试错次数,优化材料、产品设计与工艺参数。然而,目前共混挤出和注塑成形过程的模拟仿真存在材料和工艺信息孤立,产品优化协同困难的问题,难以满足高分子产品高端化和定制化的发展需求。为此,本文开展了共混挤出-注塑成形过程的联合仿真研究,主要工作如下:首先,提出同向啮合双螺杆挤出机螺杆与模具的简化结构模型,并结合螺杆运动规律和材料参数混合定律,建立了共混挤出过程全区域一维流场的计算模型和方法。PC/ABS、PA6/GF两种材料体系下不同工艺条件(材料配比、螺杆转速和模具类型等)的温度场和压力场模拟与实验结果误差均小于10%,验证了算法的可靠性和稳定性。在全区域流场模拟基础上,建立了考虑纤维含量的纤维断裂概率模型与纤维断裂位置预测模型,构造并求解纤维断裂长度守恒方程,实现了共混挤出过程的纤维断裂模拟与纤维长度分布预测。20%、30%和40%纤维含量和25 rpm、40 rpm和55 rpm螺杆转速的玻纤增强PA6挤出模拟与实验结果相比,纤维长度分布趋势整体一致,平均纤维长度预测误差为11.74%、12.37%、16.87%(不同纤维含量)和19.80%、12.37%、23.24%(不同螺杆转速)。建立了考虑纤维含量的流变模型和PVT预测模型,并计算出等效力学性能与热膨胀系数,提出了共混挤出-注塑成形过程的联合仿真方法,实现了共混挤出过程的全区域流场模拟和纤维断裂模拟与注塑模拟和产品性能分析的贯通。为了验证联合仿真的准确性,通过模流-结构联合分析预测三种纤维含量玻纤增强PA6拉伸试样的弹性模量模拟结果,并与拉伸实验结果进行对比,相对误差分别为9.94%、8.32%、3.72%,验证了联合仿真的准确性。