短纖維增強注塑流動的宏介觀模擬研究.pdf

1、短纖維增強注塑成型過程經(jīng)歷了相當復雜的變形歷史和相態(tài)變化，如熔融、熔體流動、固化等一系列非等溫、非平衡過程，并伴隨有相變、分子取向、可能的結晶和纖維取向等復雜的物理化學變化，是一個典型的多尺度問題。研究聚合物及其復合材料結構在整個成型加工過程中的變化規(guī)律，建立結構形態(tài)與成型加工條件及制品宏觀性能之間的定量關系，已成為聚合物成型加工領域的前沿問題。本文以實驗分析為基礎，采用耗散粒子動力學方法實現(xiàn)了短纖維增強聚合物熔體流動的介觀模擬研究，建

2、立了短纖維增強注塑充填流動的宏介觀雙尺度耦合模型。其中所做的主要工作如下：
　　 1.實驗研究了剪切速率、溫度、纖維濃度、長徑比等參數(shù)對短纖維增強聚合物熔體黏度影響變化規(guī)律和小振幅振蕩剪切流場、穩(wěn)態(tài)剪切流場、瞬態(tài)剪切流場的黏彈性質(zhì)。實驗結果表明：短纖維增強聚合物熔體是假塑性流體，短纖維的加入并未改變聚合物基體材料的流動曲線類型；短纖維含量較低時，體系黏度變化不明顯，當含量超過20％后，短纖維增強聚合物熔體黏度開始升高；短纖維長徑

3、比越大，對熔體黏度影響越明顯。
　　 2.發(fā)展了單纖維在流場中的動力學方程、纖維取向分布函數(shù)隨時間的演化方程和取向張量的演化方程。分析了纖維運動、取向和流場及其自身參數(shù)的關系。研究結果表明：(1)短纖維粒子周期性運動與所受的剪切流場、長徑比有關，剪切速率越大，旋轉(zhuǎn)周期越短：長徑比越大，旋轉(zhuǎn)周期越長。(2)在不同剪切速率流場中，纖維取向分布有很大變化。剪切速率越大，取向分布越窄，越趨向于剪切流動方向。
　　 3.構造了短纖

4、維增強聚合物分子和分子鏈的粗化模型，提出了基于耗散粒子動力學的熔體流動數(shù)值模擬方法。將短纖維增強聚合物熔體近似為包含圓柱狀固體顆粒的流固兩相流結構，建立了耗散粒子動力學運動方程及粗化鏈構象變化方程。按照第三類固液邊界條件解決了熔體粒子穿透壁面帶來的不平衡問題，完成了單纖維聚合物熔體在代表性體積單元內(nèi)流動的耗散粒子動力學模擬。模擬結果表明：高分子粗化鏈的伸展率隨剪切速率的增大而增大，且隨時間步的累積逐漸變大；高分子粗化鏈沿著流場流動方向取

5、向，剪切速率愈大，取向越明顯；短纖維也沿著流場流動方向取向，剪切速率愈大，取向越明顯。模擬結果與完成的30％短玻纖增強聚丙烯的注塑成型制品存在的“Skin-Core”結構相符，初步實現(xiàn)了短纖維增強聚合物熔體體系的結構、性質(zhì)和動態(tài)行為的定性描述。
　　 4.建立了短纖維增強聚合物熔體注塑充填流動的宏介觀雙尺度耦合模型。基于格子波爾茲曼粒子運動原理，采用Chapman-Enskog多尺度級數(shù)證明了介觀運動方程和宏觀運動方程求解問題的

6、一致性。在此基礎上，將短纖維增強注塑充填流動過程近似為由包含大尺度的宏觀流動和小尺度短纖維運動所組成的宏介觀雙尺度問題，將小尺度短纖維的運動和取向等信息貫穿到宏觀流場中，建立了宏觀流場和短纖維取向相耦合的控制方程。用有限元方法模擬了流場中物理量的大小和變化規(guī)律以及短纖維取向分布，模擬結果和實驗結果表明：雙尺度耦合方法可以更準確地描述宏觀流場內(nèi)短纖維的取向分布規(guī)律。
　　 上述研究成果豐富和發(fā)展了聚合物成型加工理論，開辟了聚合物成