阮楊　宋稼祺

摘 要：直角擠出機(jī)頭是生產(chǎn)纖維增強(qiáng)PVC軟管、電纜包覆層的重要模具，其流道結(jié)構(gòu)對(duì)熔體流動(dòng)的穩(wěn)定性和均勻性有著重要影響。本文基于流體動(dòng)力學(xué)理論，利用POLYFLOW軟件對(duì)流道進(jìn)行了有限元分析，研究了機(jī)頭入口與壓縮段之間采用直線型過(guò)渡結(jié)構(gòu)對(duì)熔體流動(dòng)的影響。通過(guò)對(duì)比分析不同傾斜角度的直線過(guò)渡段的引起的速度、壓力的變化，得到了直線過(guò)渡段傾斜角度對(duì)擠出機(jī)頭流動(dòng)的影響規(guī)律，仿真分析結(jié)果對(duì)直角擠出機(jī)頭流道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：擠出成型；流動(dòng)平衡；POLYFLOW；有限元

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.007

0 引言

熔體在流道中所經(jīng)過(guò)的路徑不同會(huì)引起流動(dòng)不均勻，在設(shè)計(jì)和優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)時(shí)，要盡量使其所經(jīng)的路徑距離相等[1]。在直角擠出機(jī)頭的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，模具入口段與壓縮段之間的過(guò)渡結(jié)構(gòu)一般采用曲線過(guò)渡和直線型過(guò)渡這兩種結(jié)構(gòu)[2-4]。國(guó)內(nèi)對(duì)于擠出機(jī)頭流道的仿真分析主要是集中流道壓縮段和成型段參數(shù)的優(yōu)化[5-7]，本文應(yīng)用polyflow有限元分析軟件對(duì)直角擠出機(jī)頭流道內(nèi)熔體流動(dòng)情況進(jìn)行模擬，分析了直線型過(guò)渡結(jié)構(gòu)傾斜角變化時(shí)對(duì)管材擠出成型的影響及規(guī)律，從而為改善直角擠出機(jī)頭流道性能提供理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

本文以生產(chǎn)纖維增強(qiáng)PVC軟管的直角擠出機(jī)頭為例，將入口段與壓縮段之間的直線型過(guò)渡結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)有限元分析軟件對(duì)直線過(guò)渡段傾斜角度的不同引起的流道速度、壓力等的變化規(guī)律進(jìn)行分析。在本問(wèn)題中根據(jù)研究聚合物熔體流動(dòng)時(shí)通常采用的熔體不可壓縮、層流、壁面無(wú)滑移、忽略慣性力等簡(jiǎn)化與假設(shè)，不考慮溫度對(duì)流動(dòng)的影響[8]，纖維增強(qiáng)PVC軟管的生產(chǎn)材料為聚氯乙烯，其機(jī)頭模具處溫度為170 ℃～180℃[9]。分析過(guò)程中，采用 Bird-Carreau 等溫非牛頓粘性模型進(jìn)行流動(dòng)狀態(tài)的對(duì)比分析，其本構(gòu)方程的形式為：

選取polyflow軟件自帶材料數(shù)據(jù)庫(kù)中PVC的材料參數(shù)，由于n=0.292 （小于0.7），為了加快計(jì)算的收斂速度，仿真時(shí)采用Picard迭代。

1.2 幾何模型

如圖1所示，直角擠出機(jī)頭主要由機(jī)頭體、芯棒、口模、壓蓋等組成，機(jī)頭流道則由機(jī)頭體3、口模5的內(nèi)壁、芯棒1的外壁組成。機(jī)頭內(nèi)部的流道一般分為四個(gè)部分，即成型段（區(qū)域Ⅰ）、壓縮段（區(qū)域Ⅱ）、擴(kuò)展區(qū)（區(qū)域Ⅲ）和歧管區(qū)（區(qū)域Ⅳ）。具有一定壓力的熔體從入口處流經(jīng)歧管區(qū)（區(qū)域Ⅳ）到達(dá)擴(kuò)展區(qū)時(shí)，熔體由于芯棒的分流作用，流動(dòng)橫截面由圓形變成封閉的環(huán)狀，由模具出口擠出時(shí)就形成了管材。

1-芯棒；2-機(jī)頭入口；3-機(jī)頭體；4-口模；5-壓蓋；α-傾斜角；Ⅰ-成型段；Ⅱ-壓縮段；Ⅲ-擴(kuò)展區(qū)；Ⅳ-歧管區(qū)；L1-定型段長(zhǎng)度；L2-壓縮段長(zhǎng)度；L3-擴(kuò)展區(qū)長(zhǎng)度；L4-歧管區(qū)長(zhǎng)度

1.3 有限元模型

直角擠出機(jī)頭的流道是關(guān)于面對(duì)稱的，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，通過(guò)只分析流道三維模型的一半，由分析的結(jié)果通過(guò)對(duì)稱操作得到整個(gè)流道的結(jié)果，來(lái)降低計(jì)算量[10]。模型網(wǎng)格劃分采用ANSYS workbench平臺(tái)polyflow默認(rèn)前處理網(wǎng)格劃分軟件ICEMCFD進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，流道的模型尺寸如下圖2所示。

1.4 邊界條件

有限元網(wǎng)格劃分完成后，在polydate建立一個(gè)有限元分析的穩(wěn)態(tài)任務(wù)，子任務(wù)則選擇generalized newtonian isothermal flow problem。模型只有一個(gè)計(jì)算域，計(jì)算時(shí)需要設(shè)定入口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件和對(duì)稱面邊界條件，其具體設(shè)置分別為：

（a）入口邊界條件：入口體積流量 Q =5cm3/s（真實(shí)值的一半）；（b） 出口邊界條件：切向力和法向力為0；（c）壁面邊界條件： 考慮無(wú)壁面滑移邊界條件，即剪切速 度和法向速度均為零；（d）對(duì)稱面邊界條件： 自由擠出，在不考慮外力牽引的條件下，忽略重力和慣性的影響，即密封條熔體與口模壁面間的法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力均為零。

2 結(jié)果分析

直線型過(guò)渡結(jié)構(gòu)的傾斜角需要合理取值，設(shè)計(jì)角度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致歧管區(qū)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，使得整個(gè)擠出模具流道過(guò)長(zhǎng)，熔體在流道內(nèi)流經(jīng)的距離增大，擠出所需的壓力增大；如果設(shè)計(jì)角度過(guò)大，對(duì)于減小熔體質(zhì)點(diǎn)在在流道中所經(jīng)過(guò)的路徑距離差距不能起到應(yīng)有的效果。本次對(duì)傾斜角的取值設(shè)定在40°～60°之間。在流道模型壓縮比、壓縮角、成型段長(zhǎng)度、入口直徑以及模具整體長(zhǎng)度等其他位置尺寸不變的情況下，對(duì)過(guò)渡段直線傾斜角以步長(zhǎng)2.5°取值，經(jīng)過(guò)9次計(jì)算，得出了各傾角下流場(chǎng)內(nèi)的壓力分布和速度分布。下面討論直線型過(guò)渡段的傾斜角度對(duì)擠出速度和流場(chǎng)內(nèi)壓力分布的影響規(guī)律。

2.1 流道壓力降分析

圖3是直線型過(guò)渡段傾斜角度改變后，流道內(nèi)沿x軸方向y-z平面的截面平均壓力變化的情況。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)直線型過(guò)渡段的傾斜角在40°～60°小范圍變化時(shí)，對(duì)流道壓力的影響很小，流道壓力的變化曲線幾乎重合。同一流道內(nèi)的壓力沿x軸方向不斷的減小，平均壓力曲線的斜率在壓縮段（x=0.08～0.135m）較小，在成型段（x=0.135～0.17m）較大，說(shuō)明流道壓力在成型段下降的速率比壓縮段大，流道的壓力差產(chǎn)生的主要區(qū)域是成型段[11]。

由圖4可見(jiàn)，在保持流道其他幾何參數(shù)不變的情況下，隨著直線型過(guò)渡段的傾斜角增大，流道整體壓力降是呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。傾斜角在40°～50°范圍內(nèi)，隨角度增大，流道整體壓力降下逐漸降低；在50°～60°范圍內(nèi)時(shí)，流道整體壓力降的變化較小，趨于穩(wěn)定。流道最大壓力降較最小壓力降大1.6%。

2.2 流道速度分析

由圖5可見(jiàn)，直線型過(guò)渡段的傾斜角不同時(shí)，對(duì)熔體流動(dòng)平均速度的影響較小，熔體在流道各區(qū)域的流動(dòng)速度相差不大，平均流速的變化曲線基本重合。在流道內(nèi)，熔體流動(dòng)的平均速度沿x軸方向逐漸增大，在出口處速度達(dá)到最大值。熔體流動(dòng)速度的增加主要在壓縮段，在成型段逐漸趨于穩(wěn)定，壓縮段和成型段交匯附近是速度增長(zhǎng)率最大區(qū)域。

由圖6可見(jiàn)，熔體擠出的速度隨著直線型過(guò)渡段傾斜角度的增大呈現(xiàn)周期性變化，擠出速度最大值比速度最小值大6.5%，傾角取值在45°、55°、60°附近時(shí)，擠出速度較大。

3 結(jié)論

（1）其他條件一定時(shí)，在一定角度范圍內(nèi)，增大直線型過(guò)渡結(jié)構(gòu)傾斜角可以降低流道整體壓力降，角度的變化對(duì)流道內(nèi)壓力的影響效果不大。

（2）其他條件一定時(shí)，在一定角度范圍內(nèi)，流道出口熔體擠出速度隨著直線型過(guò)渡結(jié)構(gòu)傾斜角的增大，呈現(xiàn)周期性變化，在45°、55°、60°附近時(shí)，擠出速度較大。

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作者簡(jiǎn)介：阮楊（1991-），男，湖北京山人，碩士研究生在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。