溢流法水辅共注塑填充过程的粘弹模拟与实验研究
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
一、选题背景
由于塑料制品的中空与否不会在很大程度上影响其力学性能，从节省材料的方面考虑不必生产壁厚很大的实心制品，同时这种制品采用传统注塑方法又难以成型。正是为了适应这种趋势，新式的高分子材料加工成型技术不断的被研究开发以及推广开来，这其中就包括了流体辅助注塑（Fluid-Assisted InjectionMolding，简称 FAIM）和共注塑(Co-Injection Molding，简称 CIM）。流体辅助注塑包括气辅注塑（Gas-Assisted Injection Molding，简称 GAIM）和水辅注塑（Water-Assisted Injection Molding，简称 WAIM）两种，与传统注射成型相比较，流体辅助注射成型减少了型芯，而直接把高压流体注入高分子熔体中并且直接利用所注入的流体自身进行保压，保压结束时将流体排出形成中空腔。这种新型的加工成型技术可以使产品的材料利用率得到提高，减少产品表面缺陷的同时还使其残余应力显著降低，这些优点都是传统注射成型所无法匹及的[1,2]。最早对其的研究是从上个世纪 70 年代开始的，如今，其中的气辅成型技术已经在国内外的塑料加工行业得到了快速的发展。同时，水辅成型技术也出现在人们的视野中，并以其优越的成型特点越来越得到关注。由于流体辅助注射成型的特殊性，其适合生产中空制品、管件以及棒状零件等。最早提出共注塑技术的是在上个世纪 70 年代，但由于其对相关设备和材料的要求较特殊，直到近年来随着人们环保意识的增强以及工业自动化水平的提高才得以迅速的发展，所生产的产品覆盖多个行业，包括航空、电子、汽车、建材和医疗器械等等。
二、研究目的和意义
作为新型辅助注射成型技术，水辅共注塑技术从一出现就表现了良好的使用前景：水辅共注塑同时具备了水辅注塑和共注塑的特点，除了拥有水辅注塑的优点，还能满足制品外表面强度要求的同时也能保证内表面平滑，可以根据各层高分子材料特性生产出多功能复合注塑件；可以回收废旧塑料作为熔体内层循环利用，同时中空的设计更能节省原材料。随着现如今人们环保意识的增强、能源的利用越来越“精打细算”、对塑料制品的质量和多样性要求越来越高的情况下，这种以水为介质，可成型中空件的新工艺必将会越来越受到重视，所适用的领域也会越来越广。但是，正是因为技术的提出较晚，并且因为以往的水辅设备的不完善以及机械自动化程度不高，水辅共注塑直到近几年才引起关注，关于它们的实验现如今才得以展开，甚至目前为止除了课题组以外没有发现关于水辅共注塑方面的工艺实验研究报道。同时对于它的理论研究更是处在初步阶段，其中只有水辅注塑（可视为水辅共注塑中较简单的一种，即顺序注入的两熔体为同一种熔体）的研究报道，而且其中的熔体都采用纯粘本构模型，这与高分子熔体玻璃态所具有的粘弹特性有本质区别，关于水相注入时熔体流动的描述必然会有差异；水辅共注塑过程中还涉及到两种不同熔体和水的多相分层流动，由于不同聚合物熔体间的流变性能差异，以及水在内层熔体的穿透过程中与其接触的内层熔体性能突变使其流动过程变得非常复杂。因此，水辅助共注塑的成型机理要比水辅注塑、共注塑以及气辅共注塑复杂的多，而国内外至今鲜有关于水辅共注塑成型机理研究的公开报道。因而为给水辅共注塑技术的应用发展提供理论指导与技术支持，深入研究它的流动机理，从本质上去探索其成型过程的影响因素、影响机理及影响规律，并由此提出其工艺设计方法就显得非常迫切及重要。
三、本文研究涉及的主要理论
水辅注塑作为一种新型的聚合物成型方法，可以成型中空或者部分中空塑料制品。该技术作为气辅注塑的补充，在冷却时间以及制品壁厚质量方面都具有相当大的优势，具有很好的发展前景。类似于气辅注塑形成中空腔的原理[3]，水辅注塑将介质气体用介质水来代替，高压水注入填充了单一熔体的型腔内，推动熔体前行，但与气辅注塑不同的是，由于水的传热系数较大，介质水的前沿与高温熔体接触形成了一层很薄的塑料固化膜，就像一个高粘度型芯继续推动熔体前行填充整个型腔，最终形成中空腔，保压后通过排水系统将水排出。水辅注塑可分为四种：欠料法、溢料法、回流法和流动法[4]，如图 1.1 所示。
流体辅助注射成型中的气辅注塑工艺相对来说已经比较成熟，在国外的商业化生产已有二十多年。水辅注塑技术虽然起步较晚，但其许多优点是气辅注塑技术所无法比拟的[5-8]，比如：（1）冷却效率高，减少生产周期。水的热传导率是气体的四十倍，热焓则是气体的四倍，冷却效果明显优于气体。同时水辅成型技术是将介质水注入型腔熔体芯部，直接与产品内部接触并且冷却效果由里到外非常均匀，所以在大大减少冷却时间的同时还能保证残余应力较为均匀的分布。有研究显示，水辅成型工艺的生产效率因为冷却时间的减少相比于气辅成型工艺能提高 4 倍甚至更多。（2）减少生产成本。由于注入水介质时水压较高，同时水介质前沿和高温熔体所形成的塑料固化膜推动作用，减少了推向模壁两侧的熔体，所以水辅成型产品的壁厚比气辅成型产品的壁厚要小，增加了原料利用率，相同体积下减轻了产品质量。同时相比较气体介质的制造和存储成本，水介质获取容易同时还能循环利用，这些都大大减少了生产成本。（3）比气辅注塑更易控制。气辅注塑注入高压气体时，由于气体的可压缩性使其流动不可预测，使得制件最终质量不稳定，熔体残余壁厚不均匀，而水介质可以克服这些缺点并且填充过程具有可重复性，由此可以排除不稳定因素更好的设计产品。
在实验和微观研究方面，Michaeli[21]将水辅注塑和气辅注塑进行对比，指出水辅注塑的冷却时间明显比气辅注塑要更少，有取代气辅注塑的趋势。Liu 等人[22]对高密度聚乙烯和尼龙 6 的混合物进行了水辅注塑实验并研究其形态，发现较高的注水压力可以成型具有较小粒子分布的管件。Ahmadzai 等人[23]采用实验的方法对水辅注塑制件的水相穿透距离、残余壁厚和收缩率之间关系进行了研究，发现穿透经历越长，熔体的残余壁厚就越小，同时收缩率也会降低。Liu 等人[24]通过实验发现不同分子量的高密度聚乙烯所形成的水辅注塑制件层间结构和分子取向也不同。Huang 等人[25]对高压注水情况下的水辅注塑制件进行分子取向方面的研究，指出其结果可能会对制件的机械性能产生影响。另外，Huang等人[26]还以聚乙烯和尼龙 6 的混合物为材料进行了水辅注塑实验，结果发现在弯管处的熔体分子相变较为明显。Wang 等人[27]则针对两种不同分子量的高密度聚乙烯材料，研究它们的水辅注塑冷却过程对熔体分子形态的影响。Zheng 等人[28]针对等规聚丙烯水辅注塑制品的结晶形态和取向分布进行实验研究，结果发现熔体填充过程中的剪切力和水相穿透时增加的压强影响了靠近模腔和靠近水相熔体的结晶行为。Liu 等人[29]采用 SAXS 仪器对高密度聚乙烯水辅注塑制件的层间结构进行分析，同时与传统注塑成型的制件进行对比。Wang 等人[30]针对熔体温度和成核剂对制件晶体结构的影响进行研究，结果显示熔体温度越低时在聚乙烯的外表面部分越易形成β晶体。Liu 等人[31]用不同种类的热塑性材料和自行研发的注水系统进行水辅注塑的实验，同时和气辅成型工艺进行了对比。Wu等人[32]则对弯管水辅注塑的填充过程进行了可视化，使其整个成型过程显得更为直观。Mulvaney 等人[33]用超声传感器观测了水辅注塑的填充过程，实时检测流体前沿速度以及熔体残余壁厚的变化。许磊等人[34]观察了水辅注塑聚丙烯制品不同位置的晶体结构，认为水的穿透对于熔体内部剪切的增加和取向结晶的形成有明显的促进作用。周伟文等人[35]观察了尼龙 6 水辅注塑制品的晶体结构，结果表明高压水的冷却作用会降低水道层熔体的结晶度并促使水道层形成较小的晶体。贾振华等人[36]对等规聚丙烯的水辅注塑制品的串晶结构进行了观察研究，重点分析了其形成、分布和片晶取向行为，指出在填充过程中流体带来的剪切应力和温度是造成各层取向差异的主要原因。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
本文作者将以中空管件的溢流法水辅共注塑填充过程为研究对象，建立溢流法水辅共注塑填充过程的数学模型并对其进行高效求解；基于 OpenFOAM 平台，采用相对应的数值模拟方法编程建立一个新求解器，能对顺序注入粘弹等温多相流的流动过程进行模拟；采用新求解器研究材料参数、工艺参数对填充过程及最终形态的影响，同时用自行研发的水辅系统进行实验验证；从数值模拟和实验中总结出溢流法水辅共注塑填充过程的工艺优化指导思想，以期能更好的优化成型工艺参数。具体研究内容包括：1) 根据溢流法水辅共注塑填充过程的特点进行合理的简化和假设，在流体力学三大基本方程的基础上，结合聚合物熔体的粘弹本构方程，建立起可以反映溢流法水辅共注塑填充过程的数学模型。2) 在对溢流法水辅共注射填充过程数值模拟中，需追踪各流体的自由界面和对各场量（如速度场、压力场等）进行耦合求解，为此需要合理高效的求解算法以保证模拟的顺利进行，由此基于 OpenFOAM 平台开发出能对溢流法水辅共注塑填充过程进行数值模拟的新求解器。3) 作为先期分析，对目前研究相对较多的溢流法水辅注塑进行数值模拟和实验研究。有别于以往熔体采用纯粘本构，现采用粘弹本构对其填充过程进行模拟，同时对其工艺进行优化。4) 对溢流法水辅共注塑填充过程采用粘弹本构进行数值模拟，与采用纯粘本构的数值模拟进行对比，考察模拟时引入粘弹本构的优越性。同时，通过数值模拟系统的分析熔体材料特性和工艺参数对制品形态以及熔体内第一法向应力差的影响。5) 系统的开展溢流法水辅共注塑的实验研究，验证相关的数值模拟分析结果的正确性；通过对实验制品的系统分析得出相关的实验结论，结合数值模拟的研究结果，对溢流法水辅共注塑工艺的优化方法给出指导。
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：（略）
五、写作提纲
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 概述
1.2 水辅注塑
1.3 共注塑工艺
1.4 水辅共注塑
1.5 数值模拟技术在注塑过程中的应用
1.5.1 基于粘弹本构的注塑填充模拟研究
1.5.2 自由界面追踪的研究
1.6 基于 OPENFOAM 平台的 CFD 模拟
1.7 本课题的研究意义和主要工作
第2章 溢流法水辅共注塑填充过程的数学模型与数值方法
2.1 基本控制方程
2.1.1 假设与简化
2.1.2 连续性方程
2.1.3 运动方程
2.2 数学模型
2.3 本构方程
2.3.1 线性粘弹本构方程
2.3.2 非线性粘弹本构方程
2.3.3 多模式粘弹本构方程
2.3.4 非线性粘弹本构方程的选择
2.4 数值计算方法
2.4.1 空间离散格式
2.4.2 方程的求解
2.4.3 瞬态问题中处理时间项
2.4.4 边界条件的处理
2.5 自由界面追踪
2.6 不可压缩粘弹流动计算中的稳定化方法
2.7 本章小结
第3章 溢流法水辅共注塑填充过程的数值模拟实现
3.1 前处理
3.1.1 聚合物熔体粘弹特性的流变测量及数据处理
3.1.2 几何模型及网格划分
3.1.3 边界条件
3.2 新求解器
3.3 后处理
3.4 基于粘弹本构的模拟算例与基于纯粘本构的模拟算例对比
3.5 本章小结
第4章 溢流法水辅注塑填充过程粘弹数值模拟与实验研究
4.1 水辅注塑填充过程的粘弹数值模拟
4.1.1 几何模型以及材料物性参数
4.1.2 数值模拟结果的分析标准及基本控制参数
4.1.3 注水压力的影响
4.2 溢流法水辅注塑的实验研究
4.2.1 主要实验设备及模具
4.2.2 实验原材料
4.2.3 溢流法水辅注塑的实验与验证
4.2.4 基于正交设计的溢流法水辅注塑最佳工艺参数优化
4.3 本章小结
第5章 溢流法水辅共注塑填充过程的粘弹数值模拟
5.1 数值模拟结果的分析标准及基本控制参数
5.2 注水压力的影响
5.3 内层熔体(PP)的影响
5.3.1 内层熔体预填量的影响
5.3.2 内层熔体注射速度的影响
5.4 熔体注射顺序的影响
5.5 材料流变性能的影响
5.5.1 零剪切粘度中弹性分量 η_p的影响
5.5.2 松弛时间λ的影响
5.6 溢流法水辅共注塑工艺的合理建议
5.7 本章小结
第6章 溢流法水辅共注塑工艺的实验研究
6.1 实验平台的组成
6.1.1 模具与共注塑成型机
6.1.2 实验材料
6.2 溢流法水辅共注塑实验与验证
6.2.1 实验方法
6.2.2 实验结果
6.2.3 与其它工艺比较
6.3 对溢流法水辅共注塑工艺的补充建议
6.4 本章小结
第7章 全文总结与研究展望
7.1 全文总结
7.2 主要创新
7.3 研究展望
致谢
参考文献
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
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