注塑成型三维流动的数值模拟

建立了非等温、粘性、不可压缩、非牛顿流体流动的控制方程。为了避免同时求解耦合的压力场、速度场,本文通过修改Galerkin方法的变分方程,导出了关于压力场的拟Poisson方程,用迭代法独立地求解连续性方程、动量方程,并进行速度一粘度迭代求出最终的压力场、速度场。由于直接使用Galerkin方法求解能量方程容易引起温度场的振荡,本文采用隐式格式及“上风”法离散能量方程,用超松驰迭代法求解温度场的代数方程组。比较了模拟结果与等温管道流动的解析解及法兰的实际注射结果,算例表明本文方法可以预测注射成型流动过程中的一些重要特征。与传统Galerkin方法相比,本文方法可以减少内存,提高数值方法的稳定性。     

注塑模充模过程动态分析

注塑成型是利用型腔模制造理想制品主要的成型加工方式 ,塑料熔体的流动行为将直接影响着最终塑件的质量 ,塑料熔体在三维薄壁型腔内的流动属于带有运动边界的粘性不可压缩流体的流动 ,本文针对塑料注塑成型特点 ,经过量纲分析和引入合理而必要的假设 ,得到了适合于充模分析的数学模型。控制方程的求解主要包括三个阶段 :压力场、温度场和流动前沿位置的确定。数值求解采用有限元法求解压力场、有限差分法求解温度场、并利用控制体积法跟踪熔体前沿 ,实现了充模过程的动态模拟     

注塑成型充填／后充填过程统一的可压缩流动分析

注塑成型是重要的塑料成型工艺,成型过程中熔体在模腔中的流动和传热对最终制品的性能和质量有重要的影响,因此,精确预测注塑过程的流动及传热历史,并进一步预测注塑制品的收缩、翘曲和机械性能等性能和质量指标具有重要意义。为了精确地描述成型过程中材料的流动及传热行为,本文针对注塑成型过程的工艺特点,将充填后充填过程作为一个统一的过程,考虑材料可压缩性及相变对充填和后充填过程的影响,建立了充填后充填过程的统一数学模型。采用有限元/有限差分/控制体积混合数值方法,实现了注塑成型充填后充填一体化模拟。数值模拟结果与实验结果的对比,验证了本文模型和算法。     

注塑成型流动诱导应力的数值计算

根据注塑成型的特点引入合理的假设,简化了粘性、可压缩、非等温塑料熔体流动的控制方程及基于PTT(Phan Thien Tanner)模型的本构方程,用分部积分法推导了关于压力场的拟Poisson方程,用待定系数法导出了流动应力的解析表达式.用有限元法求解压力场,有限差分及"上风"法离散求解温度场,根据解析表达式计算速度场及应力场,再进行应力-速度迭代求出非线性问题的最终解.比较了PC材料的模拟结果与光弹实验结果,模拟结果与实验结果基本一致.     

注塑成型喷射现象数值模拟及机理分析

喷射是熔体充填过程中一种特殊流动形态,也是注塑成型的不良现象,为了预测射流长度、形态演化,揭示喷射的产生机理,建立了粘性、非等温的熔体三维流动模型,构造了熔体流动前沿演化的输运方程。用有限体积法离散控制方程,提出了压强与速度及速度与温度的两重解耦合方案,开发了模拟程序,分析了模拟成型过程中粘性力、惯性力、速度、温度、压力等物理量的大小及变化规律。基于模拟结果分析了粘性力、惯性力的大小对喷射的影响,发现:当惯性力大于粘性力时产生喷射现象,随着粘性力增大,射流变为蛇形流;射流长度依赖于注射速度,速度越大,射流越长,熔体温度对射流长度基本没有影响。此外,实验结果表明,注塑成型喷射现象数值模拟及机理分析方法可以较好地预测射流长度、蛇形流的形态以及蛇形流中、后端摆动幅度。     

基于ALE描述的压缩流动三维粘弹性数值模拟

塑料熔体压缩流动中在主流动平面及厚度方向均有速度变化,结合了剪切和拉伸两种流动特征。为了准确描述和模拟塑料熔体的压缩流动,本文基于粘弹性及ALE原理建立了熔体三维流动理论模型,构造了有限元求解的变分方程。为了避免整体求解计算量大、稳定性差的缺陷,提出了两重迭代解耦合算法分别求解耦合的连续方程、动量方程、本构方程、能量方程,开发了模拟程序。开展了等厚度板及变厚度板的注压成型实验及相应的数值模拟,结果表明:压缩过程中出现压力变化小于4.57%的平台现象;温度呈指数规律下降;塑料入口、流动末端第一法向应力差比平均值分别高1.73MPa、0.87MPa,变厚度区域第一法向应力差比平均值高1.16MPa。本文提出的理论模型和数值算法能够较好地表征压缩过程中熔体的压力、温度变化、应力演化。     

注塑成型充模过程的温度场计算

对注塑成型过程中充填阶段的非等温效应的数值模拟进行了研究 ,模拟了非牛顿流体在任意形状型腔内的流动。这里 ,数学模型是基于非牛顿流体在非等温状态下的广义 Hele-Shaw流动 ,利用有限元 /有限差分混合数值方法求解流场中的压力和温度分布     

高温激波管化学非平衡流动数值模拟研究

为了预测氢氧定容燃烧驱动的高温激波管性能,需要准确分析激波管非定常化学非平衡流动过程.本文在破膜前的驱动段定容燃烧以及破膜后的化学非平衡流动数值模拟中,引入双时间步长方法,发展高温激波管化学非平衡流动数值模拟方法,该方法在时间上具有二阶精度.计算结果与目前存在的激波管流动解析解以及零维化学反应系统的数值解进行了比较,吻合较好.对于典型高温激波管状态,采用有限体积方法离散准一维流动Euler控制方程,并通过将流动过程和化学反应动力学过程耦合求解,获得了激波管内部的化学非平衡流动特征.     

带有障碍物溃坝流动问题的有限元数值模拟研究

针对下游带有障碍物的溃坝流动问题,本文基于两相流动模型,在有限元算法框架下对其进行数值模拟研究。依据水平集(Level Set)方法追踪运动界面,并引入了一个简单的修正技术,保证较好的质量守恒性。为了精确表示运动界面,采用稳定和有效的间断有限元方法求解双曲型Level Set及其重新初始化方程。对于两相统一Navier-Stokes方程,首先利用分裂格式对其解耦,然后通过SUPG (Streamline Upwind Petrov Galerkin)方法进行数值求解。模拟研究了下游带有障碍物的牛顿流体溃坝流动问题,得到的数值结果与文献已有模拟结果及实验结果均吻合较好。此外,还考虑了幂律型非牛顿流体,并分析了不同特性非牛顿流体对于溃坝流动过程和界面形态等的影响。     

非等温黏弹性复杂流动的改进SPH方法模拟

非等温黏弹性流体广泛存在于自然界和工业生产中,准确预测黏弹性流体的非等温流动机理和复杂流变特性有着重要的应用价值.文章提出一种改进的光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法对非等温黏弹性复杂流动进行了数值模拟,其中流体的黏弹特性通过eXtended Pom-Pom本构模型来表征.为了提高模拟结果的精度,采用了一种核函数梯度的修正算法;为了灵活地施加边界条件,发展了边界粒子和虚拟粒子相联合的边界处理方法;为了消除流动过程中的拉伸不稳定性,施加了粒子迁移技术.运用改进SPH方法数值模拟了液滴撞击固壁和F型腔注塑成型问题,通过与Basilisk软件得到的结果进行比较验证了改进SPH方法求解非等温黏弹性流体的有效性.通过利用不同粒子初始间距进行计算,评价了改进SPH方法的数值收敛性.研究了非等温流动相较于等温流动的不同流动特征,深入分析了不同热流变参数对流动过程的影响.数值结果表明,文章提出的改进SPH方法可稳定、准确地描述非等温黏弹性复杂流动的传热机理、复杂流变特性和自由面变化特性.     

注塑流动与传热分析的四边形单元控制体积法

阐述了注塑分析的基于Hele-Shaw假设四边形单元控制体积法。由于四边形控制体积法会产生不对称矩阵的方程组,求解压力时把方程不对称的部分移到方程右边,这样方程转化为对称的线性方程组。在求解转化后的线性方程组时,只在压力求解区域改变时更新方程的右边。注塑分析的时间步长进行自动调整,并大致保证流动前锋在两个时间步内向前流动大略一单元层。与现有文献的计算结果比较表明四边形单元控制体积法可以有效地模拟中面模型的注射过程,该方法并可以与三角形单元混合使用,且可应用于基于表面的注塑分析方法。     

Two‐dimensional non‐Newtonian injection molding with a new control volume FEM/volume of fluid method

A new method based on volume of fluid for interface tracking in the simulation of injection molding is presented. The proposed method is comprised of two main stages: accumulation and distribution of the volume fraction. In the first stage the equation for the volume fraction with a noninterfacial flux condition is solved. In the second stage the accumulated volume of fluid that arises as a consequence of the application of the first one is dispersed. This procedure guarantees that the fluid fills the available space without dispersion of the interface. The mathematical model is based on two‐phase transport equations that are numerically integrated through the control volume finite element method. The numerical results for the interface position are successfully verified with analytical results and numerical data available in the literature for one‐dimensional and two‐dimensional domains. The transient position of the advance fronts showed an effective and consistent simulation of an injection molding process. The nondispersive volume of fluid method here proposed is implemented for the simulation of nonisothermal injection molding in two‐dimensional cavities. The obtained results are represented as transient interface positions, isotherms and pressure distributions during the injection molding of low density polyethylene. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

成型充填过程的ALE有限元模拟

在ALE框架中提出了一个用于成型充填过程有限元数值模拟的模型。应用ALE参考构形及ALE参考粒子速度描写充填过程中的熔体质量运动。摒弃了Hele-Shaw近似假定,因而所提出的模型能用于非薄壁型腔中高分子材料充填过程的数值模拟。应用基于时域分步算法的Taylor-Galerkin方法,对控制成型充填过程的守恒方程建立了弱形式。对移动自由面附近的充填材料区构造了网格生成算法与网格重划分方案。给出了在几种不同形状的典型腔体中充填过程的数值模拟结果,表明了所提出的ALE有限元模型模拟充填过程的有效性。     

A vectorial algorithm with finite element method for prediction of powder segregation in metal injection molding

The design of the mold and the choice of the injection parameters for metal injection molding (MIM) is required to maintain homogeneity of the filled mixture. However, powder segregation is unavoidable in MIM because of the significant difference in densities of the metallic powder and the polymer binder. To achieve an effective prediction of segregation effect, a biphasic model based on mixture theory is employed. The viscous behaviors of each phase and the interaction coefficient between the flows of the two phases should be determined. The solution of two coupled Navier–Stokes equations results in a tremendous computation effort. The previous development of an explicit algorithm makes the biphasic simulation much faster than that of the classic methods. However, it is strongly desired to reduce or even eliminate the numerous global solutions for pressure fields at each time step. Hence, a new vectorial algorithm is proposed and developed to perform the simulation only by vectorial operations. It provides the anticipated efficiency in the simulation of biphasic modeling, and the advantage to use the classic elements of equal‐order interpolations. Some results produced by the two algorithms are compared with the experimental values to validate the new vectorial algorithm. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

塑料注射成型保压过程的数值模拟

保压过程是塑料注射成开型一个重要阶段，它直接关系到最终制件的内部结构、尺寸稳定性和变形等，本文在对塑料注射成型保压过程进行深入分析的基础上，基于合理的假设和选用恰当的材料模型，导出了保压过程可压缩、非牛顿粘性流体在模具型腔中非等温流动的控制方程，采用有限元/有限差分混合法实现了对保压过程的模拟，并通过算例讨论了保压压力、浇口凝固时间、锁模力等工程关心的实际问题。     

气体辅助注射成型气体穿透界面计算模型研究

气体辅助注射成型由于其显著的优越性得到了迅速地推广应用，对气辅成型过程的计算机模拟成为当前研究的热点课题。针对气辅成型充填模拟的关键问题－气体穿透界面的求解，首次提出了采用匹配渐近展开法求解气体穿透厚度的计算模型，初步的模拟计算获得了与实验一致的结果。     

基于黏弹性的微注射成型流动模拟

应用有限元方法研究了微注射成型中瞬态、可压缩、非牛顿熔体流动的黏弹性对流动前沿及流动平衡的影响。基于Phan-Thien-Tanner模型建立了熔体流动的本构方程,利用Hele-Shaw假设和简化建立了瞬态、可压缩、非牛顿熔体流动的连续性方程、动量方程、能量方程;为了有效地描述微注射成型的尺寸效应,采用了边界滑移和表面张力边界条件。通过分部积分和待定系数法导出了带有边界信息的变分方程和求解应力分量的半解析公式,构造了有限元离散求解及超松驰迭代算法。模拟结果表明:熔体的黏弹性对浇口附近的压力和后续的熔体流动前沿有重要影响;与黏性模型相比,黏弹性模型可以控制模拟压力的快速增长,减少不同型腔之间的充填差异,与短射实验结果也更吻合。