基于数值模拟的注塑成型工艺优化和制品性能研究

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1、摘要摘要聚合物加工过程是决定制品最终结构性能的中心环节，通过对成型过程数值模拟，研究加工条件的变化规律，预测材料成型过程中各种物理场的定量关系，实现成型过程的优化和控制，是当今聚合物加工研究的前沿课题。论文针对注塑成型过程，以成型过程模拟一设计灵敏度分析～成型工艺优化一制品性能为主线，构造成型过程的数理模型，数值实现成型过程的动态分析和设计灵敏度分析，并将现代优化算法与数值模拟相结合优化工艺参数，数值和实验分析了工艺参数与制品性能之间的关系。主要工作包括：1．从粘性流体力学的质量、动量和能量方程出发。针对塑料注射成型特点，通过对充模和保压过程物理

2、变量和几何变量的量纲分析，建立了三维薄壁制件充模流动和保压过程的理论模型和控制方程。2．论文采用FEM／FDM／CVM求解压力场、温度场以及熔体前沿的自动更替，数值分析不仅可以获得诸如充模模式、熔接线和气穴的位置、注射压力、保压压力和体积收缩的大小等重要的设计数据，而且可以获得不同时刻、不同位置模具内的温度、压力、剪切速率等物理量的变化与分布。3．论文从注塑模充模过程控制方程出发，首次建立了成型过程物理场对设计参数瞬态连续灵敏度分析理论，并利用数值方法实现了注射充模过程压力场、温度场、速度场等物理场对设计参数的灵敏度计算。4．论文首次将遗传算法和

3、数值模拟技术相结合用于注塑成型注射速度的优化，确定了螺杆速度——行程曲线或MFA--充填百分比曲线中的最佳控制点，以及控制点处的螺杆速度或注射体积流率的最优值。5．论文通过对相同工艺条件下熔体绕过不同障碍物数值和实验研究，发现决定PA66(Zytel70G33L)熔接线的强度主要因素是两股熔体相遇时的熔接角，熔接线强度会随着熔接角的增大而加强。6．论文利用Taguchi方法设计了L9实验矩阵，分析了注射压力、熔体温度、注射流率和保压压力等工艺因素对具有熔接线和无熔接线试样的力学行为影响程度，预测了最优的拉伸强度和工艺条件，与实验取得了很好的一致。

4、论文得到国家“863”计划项目(2002AA336120)“基于模拟仿真的聚合物成型加工一微观结构演化一制品质量控制的研究”资助关键词：注塑成型，数值模拟，灵敏度分析，工艺优化，熔接线，制品性能英文摘要ABSTRACTThebehaviorandperformanceofpolymerpartsaremainlydeterminedbyitsprocessing．It’Soneoffrontiersinthefieldofpolymerprocessingtostudyonthedetailvariationsofprocessingcondit

5、ions，predictquantitativerelationsamongthedifferentphysicalfieldsandrealizetheoptimizationandcontrolofthesystembasedonthenumericalsimulation．Thepresentdissertationpaysattentiontothepolymerprocessingsimulation，thedesignsensitivityanalysis，theoptimizationofprocessingconditionsan

6、dtheper-formanceofmoldedpartsintheinjectionmolding．Themathematicalmodelsandnumericalalgorithmsaredevelopedforthedynamicsimulationofthepolymerproc—essing，aswellasthedesignsensitivityanalysis；themodemoptimizationalgorithmsandnumericalsimulationareintegratedtooptimizeprocessingc

7、onditions；thequanti—tiverelationsbetweenprocessingconditionsandmechanicalbehaviorsofmoldedpartswithorwithoutweldlinearestudied．Themainresultsareasfollow：1．Followingtheprinciplesofconservationofmass，momentumandenergyofincompressibleorcompressibleviscousflow，thedimensionsofphys

8、icalandgeometricalvariantsinfillingandpackingphaseareanalyzedindetai