橡胶护舷挤出进程中机头内的流场分析.docx

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橡胶护舷挤出进程中机头内的流场分析

橡胶护舷挤出进程中机头内的流场分析

汪传生李真阚璐璐张德伟

摘要：

在橡胶护舷挤出进程中，机头的机构影响胶料的流动，而胶料的流动对胶料所产生的剪切和拉伸作用是影响护舷规则成型的重要的因素。

利用ADINA对橡胶护舷挤出机头内的流场进行模拟分析，对判断机头结构的合理性，并优化机头结构，缩短机头的研发周期，具有重要的意义。

模拟分析的主要包括：

压力场、速度场、黏度场等。

Abstract:

Intheextrudingprocessofrubberfender,thestructureofdieinfluencestheflowofrubbermaterial.Theshearingactionandactionwhicharecausedbytheflowofrubbermaterialaretheimportantfactorstotheshapeofrubberfenderregularly.UsingADINAtoanalysistheflowfieldofthedie,couldjudgethestructureofthedie,andoptimizethestructure,cutthecycleofresearchanddevelopmentofdies.Themainjobincludes:

toanalysisthe,velocityfieldandfield.

前言

随着运算机技术和数学计算方式的进展，使得人们能够利用运算机对挤出机机头内胶料的流场进行模拟计算。

利用ADINA有限元分析软件对橡胶护舷挤出机头内的流场进行分析，由于通过计算能够取得相关的数据，不需进行大量的实验，从而缩短了机头的开发周期，节约了大量的资金和能源；还能够通过计算去模拟实际生产中很难达到的条件，能够避免实验进程中的各类干扰和不稳固因素。

连年来，ADINA在计算理论和求解问题的普遍性方面处于全世界领先的地位，尤其针对结构非线性、流体、流固耦合等复杂工程问题已开发出了壮大功能，被普遍应用于各个行业的工程仿真分析，包括机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源等各个领域[1]。

1.模型的成立

用有限元方式对机头内的流场进行分析,需要成立相应流场的物理模型、数学模型和有限元模型。

只有将这三种模型有机地结合在一路，才能进行有限元求解。

同时，上述模型的成立必需依赖于相应的实体模型。

在本文中成立的机头实体模型如图1所示。

图1机头实体模型

1.1物理模型

依赖于实体模型，在ADINA中成立的物理模型如图2所示：

图2ADINA中形成的物理模型

数学模型

考虑到流场的几何形状、物料性质、流动状态、加工条件等因素造成的流场复杂性，为便于研究，做以下假设：

一、流体为幂律流体；

二、流场为稳固流场，即各加载物理量不随时刻转变；

3、雷诺数较小，能够为流体流动为层流；

4、惯性力、重力等远小于粘滞力，忽略不计；

五、流体为不可紧缩流体；

六、流体在流场壁面上无滑移；

7、流体在流场内是完全充满的；

八、流场为等温流场，即流场中各点温度相等，各类物性参数不随温度转变而转变。

按照持续性方程、物料运动方程，流体本构方程和Carreau模型即可进行流场有限元模拟分析。

1.2.1持续性方程

按照质量守衡原理，密闭系统的质量维持恒定。

考虑流体通过一微元体的界面所引发的微元体内质量的转变。

由散度的概念可知，矢量

的散度div（

）等于单位体积通过微元体界面流出的质量流量。

按照质量守衡定律，它应等于微元体内单位时刻单位所减少的质量

因此有

或

上式中

和

别离为流体的密度和速度。

在挤出成型进程中，熔体在机头内的流动能够为流体不可紧缩[2]，则div=0，即体积单元内的密度不随时刻产生局部转变，故流体的持续性方程可简化为（在直角坐标系下）：

（1）

1.2.2运动方程

流体的运动方程是动量守衡定律对于流体运动规律的数学表达，它可由牛顿第二定律推出。

按照流体动量增加的速度等于作用在单元流体上力的总合，能够取得动量增加的速度方程为：

（2）

其中等号右边第一项为大体流动方向上的压差，第二项为应力张量，第三项为重力。

对于聚合物而一言，重力和惯性性力能够忽略，所以运动方程能够表达如下（直角坐标系）：

X方向分量：

（3）

Y方向分量：

（4）

Z方向分量：

（5）

1.2.3本构方程

在聚合物流体动力学中，幂律模型是最普遍利用的模型之一[3]。

幂律本构方程为：

（6）

式中：

——粘度（Pa·s）；

n——幂律指数；

m——稠度（N·sn/m2）；

——剪应力（Pa）

——剪切速度（1/S）。

式中的剪切速度

是一个二阶张量，其表达式如下：

（7）

1.2.4Carreau模型

为了既描述在高剪切速度下的假塑性流体的流变性质，又描述在低剪切速度下牛顿流体的流变性质，本文采用Carreau模型：

（8）

式中：

—初始粘度，也就是零剪切速度时的粘度

—粘弹性的特征时刻

—无穷剪切粘度，通常对聚合物熔体可取为零；

n—幂律指数

—混炼胶密度

有限元模型

机头内流场选用笛卡儿坐标系，如图3所示。

坐标原点设在整个流场模型的正中心位置。

为了保证计算结果的合理性和准确性，采用国际单位制，即压力单位为帕，长度单位为米，时刻单位为秒，质量单位为千克。

图3笛卡儿坐标系

网格是有限元的大体单位，是有限元计算得以进行的基础，网格质量的好坏直接关系到结果的正确性。

通过对每一个部份划分单元组，独立地生成各部份流场的节点，能够灵活控制生成单元的数量及网格密度，从而提高求解精度。

对图2所示的流场物理模型进行有限元网格划分，取得如图4所示的有限元模型。

图4有限元模型

2.边界条件的肯定

压力边界条件

压力边界条件为机头入口和出口的压力差

:

=

-

—机头流道入口的相对于大气压力；

—机头流道出口的相对于大气压力。

速度边界条件

流体在这里假定是不可紧缩的，并假定流动魏稳态流动；对于片材挤出机头来讲，其速度边界条件比较简单，除入口面、出口面和对称面外，其余所有壁面都为固定壁面，其各向速度都为零。

由于橡胶熔体的粘性较大，按照流道壁面无滑移的假设，所有与机头壁面边界接触的面上流速为零，即熔体粘附于壁上，故有：

式中

为壁上熔体流速。

本机头是规则流道，可假设其流道对称或中心面上的速度梯度为零，则：

式中y为对称中心面上的坐标。

流场的边界条件

流场的各类边界条件见表1。

表1机头流场分析中的物性参数及边界条件

物性参数

密度

（kg/m3）

幂律指数n

熔体稠度

（Pa·Sn）

熔体稠度

（Pa·Sn）

常数A

1066

1000000

10

100

边界条件

机头两端压力差（Mpa）

机头内壁表面速度（m/s）

1

0

然后，将按如实际加工条件下的工艺参数，设定有限元模型的边界条件，具体包括：

（1）概念边界点组件

（2）由于壁面无滑移，内外壁面速度为零（3）施加机头入口端压力（4）无热传递，同时把作用在边界面上的载荷化到有限元模型中的节点上，有限元模型的加载情形如图5所示。

图5加载与施加边界条件模型

对有限元模型加载完成后，需要设定各工艺操作参数，然后利用ADINA程序对机头流道有限元模型进行求解及流场分析。

3.分析结果与讨论

压力场

图6机头流道三维压力散布云图

按照ADINA分析的结果，能够取得整个流道的压力散布图机头流道整体压力降散布云图，如图6为三维压力散布等值云图，表示机头流道压力散布趋势。

图中淡绿色代表低压力值，深红色代表高压力值，颜色由深红色到淡绿色，对应数值由小到大，单位为MPa。

为了准确的了解机头的内部压力散布情形，可利用ADINA软件的CutSurface功能在机头的三维压力散布云图上取得机头中心截面压力散布云图，如图7所示，图中淡蓝色代表低压力值，粉红色代表高压力值，颜色由粉红色到淡绿色对应数值由大到小，单位为MPa。

图7机头流道中心截面压力场散布云图

图8机头压力场等值切片图

机头压力散布云图如图6、7、8所示，在整个流道上，压力转变呈现必然梯度。

结合各部份区域的压力散布云图情形来看，在整个流道上，压力沿挤出方向递减，在几何形状发生突变区，压力转变也随之发生突变，尤其是在流道的成型段，能够看到由于流道的厚度急剧缩小，出现了明显的压力损失。

但对流道整体来讲压力损失并非是专门大，这与实际情形是相符的。

当胶料进入定型段后，压力大体趋于稳固，这也正是流道设计所需要的最终目标之一。

由于流道的中心截面的压力要高于其流道壁面的压力，由图7与图8反映出来的结果是，在机头的同一区域，机头流道三维压力散布异于其中心截面压力散布。

速度场

图9机头中心截面速度场散布云图

图10机头流道中心截面速度场散布云图

图11机头速度场等值切片图

机头中心截面速度场散布云图如图9所示，图种紫色代表低速度值，粉红色代表高速度值，颜色由紫色到绿色对应数值由小到大，单位为m/s。

从图中能够看出，机头入口处开始，沿着轴向挤出方向，速度值整体呈上升趋势，且机头中间层速度明显高于其它位置的速度。

胶料刚进入流道时，在入口段速度转变很小。

当胶料进入过渡流道段时，由于流道的截面积急剧变小且流道截面形状由圆形过渡到矩形，现在速度值发生较大转变，速度迅速升高。

胶料通过过渡流道段进入定型段时，由于流道的厚度猛烈变窄，流道的截面积变小，现在速度在中间层达到最大值，这与实际生产中情形相符。

由于胶料从过渡流道段进入机头定型段流动比较复杂，所以这一段的设计必然要有特殊的增压过渡区域。

机头定型段沿挤出方向的速度散布是不是均匀是决定胶片制品厚度是不是均匀、挤出工艺是不是合理的重要因素。

从图中能够看出，胶料从流道的增压段进入定型段后，由于流道的截面积的急剧扩张使胶料速度开始下降并最终趋于平缓，实现胶料以平稳的速度挤出。

从图10能够看出，在三维纵深切面上的速度散布情形，大体关于中心轴对称，由于挤出护舷制品结构的非对称性，所以相应的增压段到成型段压力的不对称性，通过等值切面云图能够方便、直观地观察出相应的散布情形。

粘度场

图12黏度场云图

众所周知，橡胶材料具有高粘性，有剪切变稀行为特性，所以在剪切速度大的区域，胶料的粘度应该急剧下降，如图12所示，入口处的剪切变稀现象明显，红色的区域表示粘度较大的区域，由于比较圆滑，剪切速度过小，所以粘度维持居高不下的情形，在入口处速度梯度较大，剪切变稀行为明显，另外，在出口处定型段，液体速度急剧减小，粘度变成较小的浅绿色，上半部份比下半部份严峻，这和护舷的几何形状有专门大的关系。

3.5.3速度矢量

速度本身是矢量，具有大小和方向，下图只表示了速度的大小，对于胶料的真正流向还缺乏直观地表示，下面将给出一些列速度矢量散布图，以研究胶料流动的方向性，图13为机头中心截面流场的速度矢量散布图。

图13机头流场的速度矢量散布及放大图表示

图14机头三维透视速度矢量图

从上图13能够看出，胶料通过增压段时的中心层面的速度最大，进入定型段后，由于流道截面积急剧缩小，胶料在机头定型段沿扩张方向流动，靠近流道内壁的胶料沿径向方向运动，而流道中间层周围的胶料沿挤出方向流动，其速度逐渐减小并趋于平缓，胶料在挤出进程中受到其流动产生的剪切和拉伸作用下产生明显的速度梯度。

图14能够看出整个机头宏观的胶料流动情形，通过中间支撑筋的时候胶料被剪切、分流然后急剧发生向轴线的流动趋势。

4.结论

1）ADINA能很准确地计算出机头内流场的压力散布，速度散布，功能壮大。

2）对橡胶护舷成型的稳固性和均一性的影响因素（如机头的压力、速度散布）做了比较性模拟，为优化护舷机头的机构设计提供了理论基础。

3）机头设计合理，能够保证橡胶护舷挤出的规则成型及成型质量。