基于CAE的木塑包覆口模設(shè)計及共擠模擬

        摘要: 為了降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)計效率和設(shè)計精度，結(jié)合木塑復(fù)合材料特殊的性能，借助CAE 軟件對共擠出模頭進(jìn)行輔助設(shè)計。并由制件尺寸逆向模擬口模定型段尺寸、口?？谛统叽绲扔绊懼破焚|(zhì)量的關(guān)鍵性參數(shù)，然后對異型材擠出流道的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，最后采用正向模擬對共擠模頭進(jìn)行流場分析，檢驗其可靠性。
        隨著木塑材料的廣泛應(yīng)用，對其制品的質(zhì)量和產(chǎn)量的要求也在不斷的增加。一般情況下，木塑異型材截面形狀比較復(fù)雜，表面質(zhì)量和配合尺寸精度要求比較高，在不考慮原料配比及成型工藝參數(shù)的情況下，機(jī)頭流道的結(jié)構(gòu)尺寸及形狀是決定型材制品尺寸及形狀的重要因素。
        傳統(tǒng)的模頭是依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗、材料的性能和原始參數(shù)、擠出制品的幾何形狀和尺寸以及大量的實驗驗證而來。通過這種傳統(tǒng)的試錯法設(shè)計的口模具有很大的盲目性，缺少科學(xué)依據(jù)。近些年來，國外引入了一種流體力學(xué)軟件( CFD) 軟件用于口模擠出成型的數(shù)值模擬，很大程度上促進(jìn)了此類行業(yè)的發(fā)展，而Polyflow 就是其中專用于黏彈性流體模擬的一個軟件［1－4］。通過該軟件的逆向模擬結(jié)果可以看出其變形趨勢，縮短口模設(shè)計周期，降低設(shè)計成本，對口?？谛偷脑O(shè)計有極大的指導(dǎo)作用。
        本工作開始通過CAE 軟件對制件進(jìn)行逆向模擬設(shè)計出口模口型，接著對包覆型材的擠出流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，最后運(yùn)用正向模擬對設(shè)計的模頭進(jìn)行流場分析，檢驗其可靠性［5］。
1 包覆型材模頭口型設(shè)計
        逆向擠出過程依據(jù)出口處流體速率重新分布的原理，為了避免邊長中部區(qū)域因速率大產(chǎn)生擠出膨脹而不能獲取所需形狀，必須盡可能降低該區(qū)域的尺寸，計算出擠出口型的形狀［6］。對于包覆型材的擠出成型，主要是計算出可達(dá)到生產(chǎn)要求的口模內(nèi)部尺寸。
1.1 建立有限元模型

        采用Creo 軟件建立幾何模型，對其進(jìn)行逆向擠出模擬，整體分為兩個計算域。圖1 為制件截面尺寸和形狀，取模型的四分之一進(jìn)行分析，再將其導(dǎo)入Workbench 中進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分。通過建立定型段和自由段模型，應(yīng)用逆向擠出技術(shù)對其口模進(jìn)行設(shè)計。
1. 2 建立分析任務(wù)
        在逆向擠出模擬中，將計算區(qū)域劃分兩個子區(qū)域，一是存在滑動壁面且位于口模內(nèi)的流體區(qū)域1，另一個是位于口模外的自由表面擠出物區(qū)域2，計算區(qū)域見圖2。

1. 3 設(shè)置材料參數(shù)及邊界條件
        文章選用的冪律本構(gòu)模型［7］，設(shè)定該木塑材料的零剪切黏度是7 000 Pa·s，非牛頓指數(shù)n = 0. 45。松弛時間λ 取默認(rèn)值1。并假設(shè): 1) 流場是等溫穩(wěn)定的層流流場; 2) 可自動忽略重力和慣性力等體積力; 3) 流體是黏性不可壓縮的; 4) 機(jī)筒內(nèi)側(cè)壁面的物料沒有滑移。
        本模型邊界條件如上圖2，其中，邊界1 為流動入口，體積流速Q(mào) = 1. 6 × 10－6 m3 /s ( 真實流速的1 /4) ; 邊界2 和邊界3 為對稱面; 邊界4 為口模壁面，選用漸變函數(shù)為［8］: f ( s) = 1 /s; 邊界5 為自由表面，初始位置為邊界4 與邊界5 的交界線，還需要指出自由表面出口位置［7］; 邊界6 為流動出口。
        運(yùn)用網(wǎng)格重置技術(shù)，選擇的網(wǎng)格重置技術(shù)為Optimesh. 3D［9］。完成上述設(shè)置后，輸出Iges file 和CFD-Post 格式文件，運(yùn)行進(jìn)行求解。
1. 4 結(jié)果分析
        運(yùn)行后處理模塊CFD-Post 來顯示計算生成的分析結(jié)果。制品出現(xiàn)了離模脹大現(xiàn)象，出口處的尺寸需略小于制件尺寸，如圖3 所示。
        1) 流體速度分布
        此型材在各個橫截面上軸對稱，截取Z 軸截面流速分布如圖4 所示。從口模入口處開始，速度是完全發(fā)展的，而口模壁面的速度基本為零，當(dāng)流體流出口模后，速度逐漸過渡到最后成為一個恒定值?？谀Ｖ兴椒较虻乃俣瘸蕭佄锞€分布，流體的速度分布整體和入口的速度分布一致，當(dāng)熔體流出口模時，速度會發(fā)生突變，出現(xiàn)垂直于熔體流動方向的速度，隨之趨于恒定。

        另外，流體在口模出口之前20 mm 處的流速是完全發(fā)展的，而在距離口模出口后10 mm 的地方流速趨于恒定，在此之間的區(qū)域為過渡區(qū)域，所以在設(shè)計口模時，長度應(yīng)該大于20 mm。

        2) 口模設(shè)計結(jié)果
        流體從口模擠出會產(chǎn)生擠出脹大現(xiàn)象，而此逆向擠出功能能針對這種現(xiàn)象對口模提供補(bǔ)償，依據(jù)分析計算的數(shù)據(jù)來設(shè)計我們所需口模的形狀［9］。

        通過逆向分析計算得出的制件與口模的形狀對比見圖5?？梢钥闯?，所需的斷面形狀與按照所設(shè)計口型擠出的斷面形狀很接近，誤差相對較小，是可以被用在實際應(yīng)用中［6］。測量其內(nèi)部幾何尺寸，得到合理的口模三維圖，如圖6 所示。二維的截面圖如圖7所示。

2 模頭整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
        口模設(shè)計過程中，首先需要了解木塑材料的性能，木塑材料的特殊性使得需加大其壓縮比，提升熔體的壓力［10］，且需控制口模平直段長度，避免木纖維因停留時間過長發(fā)生降解。由于木塑材料的流動性比較差，所以口模設(shè)計時擴(kuò)張角和壓縮角都不能太大，避免存在或者產(chǎn)生滯留區(qū)。此外，木塑材料具有較強(qiáng)的熱敏感性，因此設(shè)計時，為了增加熱容量應(yīng)選擇比較大的結(jié)構(gòu)尺寸，來加強(qiáng)口模各處溫度的均勻性和穩(wěn)定性。
        口模內(nèi)部尺寸由以上逆向擠出分析得出，如圖7所示。由于制件尺寸較小，但必須滿足逆向計算出的口模長度要大于20 mm 的要求。平流段段長度過大會增大料流的阻力，故取L1為30 mm。
        共擠出口寬度L4由Ployflow 逆向擠出功能得出，L4 = 49. 1 mm，芯層流道寬度為L5 = 47. 6 mm。壓縮段的長度L2由經(jīng)驗取得: L2 = 65 mm。皮層熔體在入口的流道直徑D= 19. 2 mm。

        壓縮區(qū)錐角α 一般在10° ～60°范圍內(nèi)選取。對于低黏度材料可選取較大值，反之，取較小值。由于木塑黏性較高，壓縮區(qū)的錐角α 選擇23°。匯流段有效長度L3由經(jīng)驗公式得到: L3 = 121 mm。流道設(shè)計成光滑的流線型，無滯留區(qū)，無突變區(qū)，避免擴(kuò)張且要保證穩(wěn)定持續(xù)的壓縮［11－13］。流道定型段要求與口模的長度相等，所取各值均在合理范圍之內(nèi)。模頭流道的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖8 所示。
3 共擠模擬結(jié)果分析
        Cross-Law 模型相對于冪律模型更適用于低剪切速率下的流體模擬，與擠出加工成型的實際狀況比較符合［14］。故表層選用Cross-Law 模型來分析對模頭流道內(nèi)的流體。剪切黏度η 為:

式中，η0－零剪切黏度，取值為85 000 Pa·s; λ－0. 2s; γ· －剪切速率，s－1 ; m－稠度系數(shù)，0. 3。由于m =0. 3 ( 小于0. 75) ，為了防止計算發(fā)散，選用Picard迭代［15］。模型相對來說有點(diǎn)復(fù)雜，為了減少計算量，故取1 /2 模型來進(jìn)行計算。
3. 1 共擠過程壓力場分布

        在CAE 軟件里面設(shè)置邊界條件并進(jìn)行計算，最后用CFD-POST 進(jìn)行后處理。圖9 為共擠過程中殼層物料的壓力變化云圖，圖10 所示為共擠過程中芯層物料的壓力變化云圖，可以看出，壓力從入口到出口逐漸減小，入口處壓力最高。芯層入口處壓力為0. 418 MPa，出口處壓力為0. 035 MPa。由圖可見，壓力的分布相對比較合理。
3. 2 共擠過程速度場分布
        圖11、12、13 所示分別為口模入口，復(fù)合部分以及口模出口處物料的速度變化云圖，由三幅圖可以看出，物料的流速呈現(xiàn)一定趨勢，從2. 273×10－3 m·s－1到2. 273×10－2 m·s－1 不等; 流速等值線是以對稱軸為中心的環(huán)狀分布。物料在匯合前，保證橫截面橫向、豎向速度流場趨勢均勻，芯層和殼層的速度趨勢均為中間大而兩邊小，其中芯層中部區(qū)域速度最大，而殼層最大速度位于兩角中心部分。

        機(jī)頭復(fù)合部分速度場也大體滿足這個趨勢，中間部分速度大而邊緣速度小，流速等值線滿足以對稱軸為中心的環(huán)狀分布，另外，芯層和殼層界面處的速度值也在逐漸接近，且各個方向速度基本均勻。

        到口模出口處，皮層和芯層界面速度基本趨于一致，為3. 527×10－3 m/s，能基本實現(xiàn)從口模中同速擠出。由整個速度場看出，流速的分布相對來說是均勻合理的［15］。
3. 3 共擠界面剪切速率分布
        復(fù)合界面的剪切速率云圖如圖14 所示，可以看出，在復(fù)合界面處，口模內(nèi)的剪切速率大于口模外的，且中間值較大而兩邊較小，由于界面受到剪切應(yīng)力的作用會出現(xiàn)如圖所示的波浪紋等一些擠出不穩(wěn)定現(xiàn)象的可能性，從口模內(nèi)到口模外剪切速率的數(shù)值也在逐漸減小，界面相對來說比較穩(wěn)定，能實現(xiàn)我們所需的效果。

4 結(jié)語
        借助CAE 軟件逆向擠出功能對機(jī)頭定型段進(jìn)行模擬，確定口模尺寸，然后進(jìn)行共擠模頭整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后采用正向計算分析所設(shè)計模頭中物料的壓力和流動狀況，確定所設(shè)計機(jī)頭的合理性以及共擠界面的穩(wěn)定性。通過采用逆向和正向流動場模擬相結(jié)合，極大提高了設(shè)計精度和效率，減少了人力和物力浪費(fèi)。