基于POLYFLOW的汽車密封條擠出口模逆向設(shè)計研究*

(貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550008)

0 引言

擠出成型是聚合物復(fù)合材料成型加工的最基本方法，而擠出口模的設(shè)計則是決定擠出產(chǎn)品好壞的重要因素。對口模擠出成型的研究主要有兩個方面：一是對口模的流道形狀進(jìn)行優(yōu)化，即擠出成型的口模設(shè)計；二是對口模的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，即擠出成型的工藝設(shè)計[1]。早期的汽車密封條生產(chǎn)企業(yè)在對口模的設(shè)計和改進(jìn)過程中，通常采用“試差法”，如圖1所示為擠出口模試差法設(shè)計過程流程圖，該方法的特點(diǎn)是對擠出口模的設(shè)計需要不斷重復(fù)多次的修改，盲目性較大，且新產(chǎn)品的設(shè)計試驗、口模試制的周期長，設(shè)計開發(fā)成本高[2]。汽車密封條的擠出成型過程是一個復(fù)雜的流體動力學(xué)過程，傳統(tǒng)的“試差法”無法準(zhǔn)確預(yù)測其擠出流動行為。隨著有限元分析軟件的不斷完善，數(shù)字化設(shè)計方法逐步取代“試差法”，成為汽車密封條擠出成型過程流動分析以及口模設(shè)計與優(yōu)化的有效工具。應(yīng)用高性能計算機(jī)來模擬汽車密封條的擠出成型過程，對擠出脹大的行為進(jìn)行預(yù)測成為現(xiàn)實，如圖2所示為擠出口模數(shù)字化設(shè)計過程流程圖。

圖1 擠出口模試差法設(shè)計過程流程圖

圖2 擠出口模數(shù)字化設(shè)計過程流程圖

近年來，國內(nèi)外針對汽車密封條的擠出口模設(shè)計做了大量的研究，Ana Lucia N.Silva等采用錐板流變儀和毛細(xì)管流變儀，對低剪切速率及高剪切速率下EPDM/PP 共混體的流變性能進(jìn)行測試，通過實驗驗證了EPDM/PP 共混體的粘度與剪切速率關(guān)系符合 Cross 粘性模型[3]；Debbaut.B等對橡膠熔體擠出過程自由表明的變形進(jìn)行分析，應(yīng)用計算機(jī)流體動力學(xué)軟件POLYFLOW的逆向擠出功能，采用multimode pom-pom粘彈性模型，對擠出口模內(nèi)的粘彈性流體進(jìn)行逆向的三維仿真分析，真實地描述出粘彈性流體擠出成型的口模截面形狀[4]。

戴元坎等應(yīng)用計算機(jī)流體動力學(xué)軟件POLYFLOW對汽車密封條擠出機(jī)機(jī)頭中儲料模腔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過對比驗證口模出口處擠出速度分布及擠出機(jī)機(jī)頭出口處的壓力分布來判斷儲料模腔結(jié)構(gòu)的合理性，從而優(yōu)選出所需要的儲料模腔的流道結(jié)構(gòu)[5]；薛平等應(yīng)用流體動力學(xué)軟件POLYFLOW的逆向擠出功能，建立了工字型木塑異型材擠出口模的有限元分析模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，對工字型木塑異型材的擠出口模進(jìn)行設(shè)計[6]；王剛等應(yīng)用流體動力學(xué)軟件POLYFLOW以及Bird-carreau純粘性模型，研究復(fù)雜截面形狀的汽車密封條擠出過程中牽引速率的影響，在流量相同的情況下，擠出物的截面面積隨牽引速率的增大而減小，牽引速率在1.2v0～1.6v0的范圍內(nèi)，預(yù)測的口模形狀較為合理[7]。

作者運(yùn)用計算機(jī)流體動力學(xué)軟件POLYFLOW模擬擠出成型方法，對某款汽車密封條的擠出口模進(jìn)行逆向設(shè)計，通過對密封條熔融體通過口模的擠出流動過程和逆向擠出口模截面形狀的模擬分析，提出了一種相對簡潔的汽車密封條擠出口模的逆向設(shè)計方法，該方法具有普遍的適用性，可以為企業(yè)生產(chǎn)中汽車密封條的擠出口模設(shè)計提供技術(shù)支持。

1 建立模型

1.1 幾何模型

根據(jù)密封條橫截面形狀，運(yùn)用AutoCAD軟件繪制出密封條口模橫截面圖，導(dǎo)入有限元前處理軟件GAMBIT繪制出密封條口模內(nèi)流道圖；圖3為密封條口模內(nèi)流道模型圖，將該流道分割為四段，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并定義輸入段為10 mm，過渡段為20 mm，成型段為10 mm，自由表面為40 mm共四個計算域。圖4為密封條口模橫截面圖，其寬為14 mm，高為9.3 mm。圖5為密封條口模有限元分析模型。對于流體動力學(xué)分析，有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量與平滑度對結(jié)果的精確程度和能否收斂都起著至關(guān)重要的作用，本文選用六面體網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分。從圖5上可以看出該網(wǎng)格分布均勻，質(zhì)量較高，能顯著提高計算精度和收斂速度。

圖3 密封條口模內(nèi)流道模型圖(mm)

1.2 本構(gòu)方程

根據(jù)聚合物熔融體和密封條橫截面結(jié)構(gòu)，現(xiàn)作如下假定：橡膠熔融體為液體，且具有高黏性，可以認(rèn)為熔融體為不可壓縮流體，流動狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)層流；壓力在橫截面上的梯度為零；由于熔融體的高黏性，其他慣性力和重力相對于黏性力很小，故忽略不計[8]。

在密封條工廠實際生產(chǎn)中，用來制造密封條的三元乙丙橡膠，其生產(chǎn)工藝與配方是嚴(yán)格固定和保密的，因此密封條生產(chǎn)中一般改變密封條口模的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行新產(chǎn)品的生產(chǎn)。在對密封條口模進(jìn)行逆向設(shè)計時，我們選擇的本構(gòu)方程為Bird-Carreau模型：

(1)

1.3 邊界條件的建立

如圖6所示為密封條擠出口模三維有限元分析模型的邊界條件示意圖，現(xiàn)將密封條擠出成型口模的逆向設(shè)計邊界條件設(shè)置為：

1)流動入口邊界條件。入口流率Q=1000 mm3/s，流動形態(tài)為自動；

圖6 擠出口模有限元分析模型的邊界條件示意圖

2)壁面邊界條件。根據(jù)研究對象的不同，選用不同的毛細(xì)管壁面邊界條件：本文考慮無壁面滑移邊界條件，流體的法向速度為零(vn=0)，流體的剪切速度為零(vs=0)；

3)自由表面邊界條件。自由表面的橡膠熔體法向應(yīng)力為零(fn=0)，法向速度為零(vn=0)；

4)流動出口邊界條件。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，即橡膠熔體與口模壁面間的法向應(yīng)力為零(fn=0)，剪切應(yīng)力為零(fs=0)。

1.4 整體網(wǎng)格重置

在密封條擠出口模逆向設(shè)計中，由于自由表面、成型段和過渡段的網(wǎng)格會隨著由熔融體擠出脹大現(xiàn)象引起的自由表面位置變化而變化，因此，自由表面、成型段和過渡段都需要進(jìn)行網(wǎng)格重置。根據(jù)邊界點(diǎn)位置變化重新定義內(nèi)部網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)：首先，口模成型段為需預(yù)測的目標(biāo)等截面流道，將其定義為網(wǎng)格重置區(qū)域和預(yù)測固定截面；其次，定義口模過渡段為網(wǎng)格重置區(qū)域和預(yù)測適應(yīng)性界面，使其網(wǎng)格變化隨著成型段變化；最后，將自由表面設(shè)置為網(wǎng)格重置區(qū)域，其網(wǎng)格重置方法選擇適用于網(wǎng)格變形較大的三維擠出成型獲逆向擠出問題的三維優(yōu)化網(wǎng)格法(Optimesh 3D)。進(jìn)行模擬計算時，若因密封條熔融體非線性特性，出現(xiàn)不收斂的情況，就需要使用參數(shù)漸進(jìn)法先進(jìn)行處理，再進(jìn)行計算。

2 計算結(jié)果分析

2.1 汽車密封條逆向擠出流動特性的分析

通過三維逆向擠出設(shè)計，得到密封條口模內(nèi)流道熔融體擠出脹大圖，如圖7所示，熔融體在密封條口模內(nèi)流道都是隨著流道縮小，到成型段出口后出現(xiàn)急劇膨脹現(xiàn)象，完全膨脹后得到密封條最終形狀。圖8為入口口模速度場分布圖，從圖中可以看出密封條熔融體在口模內(nèi)流道的流動，輸入段入口處的速度是完全發(fā)展的，靠近壁面位置的部位由于摩擦力和流體自身黏性流速最低，速度由外向內(nèi)逐步升高，同時形成許多等速線，使速度呈階梯型，輸入段入口處的中心區(qū)域速度最大。圖9為逆向擠出口模內(nèi)速度流線圖，可以看到密封條熔融體在口模內(nèi)的流動軌跡。密封條熔融體進(jìn)入輸入段、過度段和成型段時，流速隨著口模橫截面積的減小而增大，在通過成型段，進(jìn)入自由表面后密封條熔融體速度梯度在出成型段后的一段距離消失，且由于沒有壁面效應(yīng)的影響，此時密封條熔融體速度變?yōu)槌?shù)。圖10為逆向擠出口模內(nèi)各點(diǎn)流速與位置關(guān)系，圖中0～10 mm區(qū)域速度分為很多條等速線，且保持不變。在10～30 mm區(qū)域由于口模橫截面積的減小流速增加較快，在過渡段與成型段交界30 mm處達(dá)到最大值62.5 mm/s。在30～40 mm區(qū)域流速由于成型段橫截面不變，流速保持較恒定速度流動。在40～80 mm區(qū)域自由表面段的流速急劇減小，隨后密封條熔融體速度變?yōu)槌?shù)。

圖7 密封條口模內(nèi)流道熔融體擠出脹大圖

圖10 逆向擠出口模內(nèi)各點(diǎn)流速與位置關(guān)系

密封條熔融體進(jìn)入流道后，流體速度迅速增大，此處密封條熔融體受到劇烈的拉伸形變，速度急劇增加，發(fā)生收縮流動；進(jìn)入過渡段流道后，密封條熔融體經(jīng)歷一段距離后，其速度才充分發(fā)展；成型段出口處從中心區(qū)域到壁面的速度逐漸減少，速度梯度逐漸增加。當(dāng)密封條熔融體離開成型段后，呈自由狀態(tài)，由于之前密封條熔融體的發(fā)展在受到限制后突然釋放，一方面密封條熔融體在收縮流動的過程中，積累的一部分彈性能得以釋放，使得出口處密封條熔融體發(fā)生彈性回復(fù)脹大；另一方面密封條熔融體靠近中心區(qū)域的速度減小，靠近壁面的速度增加，出口處密封條熔融體的速度重新分布，在總流量不變的前提下，密封條熔融體在出口處向外膨脹，直至密封條熔融體的擠出速度均衡分布。

2.2 汽車密封條逆向擠出口模截面形狀分析

三維逆向設(shè)計密封條擠出口模是根據(jù)密封條橫截面形狀來預(yù)測口模橫截面形狀，模擬過程采用密封條橫截面形狀為口模內(nèi)流道幾何模型建模進(jìn)行數(shù)值設(shè)計，如圖11所示為密封條橫截面形狀圖。通過計算機(jī)流體動力學(xué)軟件POLYFLOW對密封條逆向擠出過程進(jìn)行求解，得到預(yù)測的密封條擠出口模橫截面形狀圖，如圖12所示。經(jīng)與企業(yè)生產(chǎn)中實際應(yīng)用的口模進(jìn)行比對，其形狀合理，雖然存在一定的誤差，但在可控的范圍內(nèi)，在后期進(jìn)行細(xì)微的調(diào)試和修正，便可得到真正用于企業(yè)生產(chǎn)所需的口模。

3 總結(jié)

本文對汽車密封條擠出口模的逆向設(shè)計方法進(jìn)行研究，建立汽車密封條的幾何模型，根據(jù)聚合物熔融體的真實材料特性合理選擇本構(gòu)方程進(jìn)行描述，通過對密封條逆向擠出過程進(jìn)行求解，經(jīng)模擬分析得到密封條口模內(nèi)流道熔融體擠出脹大的原因主要是由熔融體的部分彈性能得以回復(fù)和出口處熔融體速度的重分布引起的。預(yù)測出擠出口模橫截面的形狀圖，經(jīng)與企業(yè)生產(chǎn)中實際應(yīng)用的口模進(jìn)行比對，其形狀合理，該方法可以有效地預(yù)測口模形狀，大幅度減少設(shè)計和修模時間，且成本低，具有重要的指導(dǎo)意義。

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