短纖維增強(qiáng)注塑流動(dòng)的宏介觀模擬研究.pdf

1、短纖維增強(qiáng)注塑成型過程經(jīng)歷了相當(dāng)復(fù)雜的變形歷史和相態(tài)變化，如熔融、熔體流動(dòng)、固化等一系列非等溫、非平衡過程，并伴隨有相變、分子取向、可能的結(jié)晶和纖維取向等復(fù)雜的物理化學(xué)變化，是一個(gè)典型的多尺度問題。研究聚合物及其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在整個(gè)成型加工過程中的變化規(guī)律，建立結(jié)構(gòu)形態(tài)與成型加工條件及制品宏觀性能之間的定量關(guān)系，已成為聚合物成型加工領(lǐng)域的前沿問題。本文以實(shí)驗(yàn)分析為基礎(chǔ)，采用耗散粒子動(dòng)力學(xué)方法實(shí)現(xiàn)了短纖維增強(qiáng)聚合物熔體流動(dòng)的介觀模擬研究，建

2、立了短纖維增強(qiáng)注塑充填流動(dòng)的宏介觀雙尺度耦合模型。其中所做的主要工作如下：
　　 1.實(shí)驗(yàn)研究了剪切速率、溫度、纖維濃度、長徑比等參數(shù)對短纖維增強(qiáng)聚合物熔體黏度影響變化規(guī)律和小振幅振蕩剪切流場、穩(wěn)態(tài)剪切流場、瞬態(tài)剪切流場的黏彈性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：短纖維增強(qiáng)聚合物熔體是假塑性流體，短纖維的加入并未改變聚合物基體材料的流動(dòng)曲線類型；短纖維含量較低時(shí)，體系黏度變化不明顯，當(dāng)含量超過20％后，短纖維增強(qiáng)聚合物熔體黏度開始升高；短纖維長徑

3、比越大，對熔體黏度影響越明顯。
　　 2.發(fā)展了單纖維在流場中的動(dòng)力學(xué)方程、纖維取向分布函數(shù)隨時(shí)間的演化方程和取向張量的演化方程。分析了纖維運(yùn)動(dòng)、取向和流場及其自身參數(shù)的關(guān)系。研究結(jié)果表明：(1)短纖維粒子周期性運(yùn)動(dòng)與所受的剪切流場、長徑比有關(guān)，剪切速率越大，旋轉(zhuǎn)周期越短：長徑比越大，旋轉(zhuǎn)周期越長。(2)在不同剪切速率流場中，纖維取向分布有很大變化。剪切速率越大，取向分布越窄，越趨向于剪切流動(dòng)方向。
　　 3.構(gòu)造了短纖

4、維增強(qiáng)聚合物分子和分子鏈的粗化模型，提出了基于耗散粒子動(dòng)力學(xué)的熔體流動(dòng)數(shù)值模擬方法。將短纖維增強(qiáng)聚合物熔體近似為包含圓柱狀固體顆粒的流固兩相流結(jié)構(gòu)，建立了耗散粒子動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程及粗化鏈構(gòu)象變化方程。按照第三類固液邊界條件解決了熔體粒子穿透壁面帶來的不平衡問題，完成了單纖維聚合物熔體在代表性體積單元內(nèi)流動(dòng)的耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬。模擬結(jié)果表明：高分子粗化鏈的伸展率隨剪切速率的增大而增大，且隨時(shí)間步的累積逐漸變大；高分子粗化鏈沿著流場流動(dòng)方向取

5、向，剪切速率愈大，取向越明顯；短纖維也沿著流場流動(dòng)方向取向，剪切速率愈大，取向越明顯。模擬結(jié)果與完成的30％短玻纖增強(qiáng)聚丙烯的注塑成型制品存在的“Skin-Core”結(jié)構(gòu)相符，初步實(shí)現(xiàn)了短纖維增強(qiáng)聚合物熔體體系的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和動(dòng)態(tài)行為的定性描述。
　　 4.建立了短纖維增強(qiáng)聚合物熔體注塑充填流動(dòng)的宏介觀雙尺度耦合模型?；诟褡硬柶澛Ｗ舆\(yùn)動(dòng)原理，采用Chapman-Enskog多尺度級數(shù)證明了介觀運(yùn)動(dòng)方程和宏觀運(yùn)動(dòng)方程求解問題的

6、一致性。在此基礎(chǔ)上，將短纖維增強(qiáng)注塑充填流動(dòng)過程近似為由包含大尺度的宏觀流動(dòng)和小尺度短纖維運(yùn)動(dòng)所組成的宏介觀雙尺度問題，將小尺度短纖維的運(yùn)動(dòng)和取向等信息貫穿到宏觀流場中，建立了宏觀流場和短纖維取向相耦合的控制方程。用有限元方法模擬了流場中物理量的大小和變化規(guī)律以及短纖維取向分布，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雙尺度耦合方法可以更準(zhǔn)確地描述宏觀流場內(nèi)短纖維的取向分布規(guī)律。
　　 上述研究成果豐富和發(fā)展了聚合物成型加工理論，開辟了聚合物成