基于POLYFLOW的汽車密封條擠出口模逆向設(shè)計(jì)研究*

(貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 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(jì)則是決定擠出產(chǎn)品好壞的重要因素。對(duì)口模擠出成型的研究主要有兩個(gè)方面：一是對(duì)口模的流道形狀進(jìn)行優(yōu)化，即擠出成型的口模設(shè)計(jì)；二是對(duì)口模的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，即擠出成型的工藝設(shè)計(jì)[1]。早期的汽車密封條生產(chǎn)企業(yè)在對(duì)口模的設(shè)計(jì)和改進(jìn)過(guò)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(jì)過(guò)程流程圖，該方法的特點(diǎn)是對(duì)擠出口模的設(shè)計(jì)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(jì)試驗(yàn)、口模試制的周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本高[2]。汽車密封條的擠出成型過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程，傳統(tǒng)的“試差法”無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其擠出流動(dòng)行為。隨著有限元分析軟件的不斷完善，數(shù)字化設(shè)計(jì)方法逐步取代“試差法”，成為汽車密封條擠出成型過(guò)程流動(dòng)分析以及口模設(shè)計(jì)與優(yōu)化的有效工具。應(yīng)用高性能計(jì)算機(jī)來(lái)模擬汽車密封條的擠出成型過(guò)程，對(duì)擠出脹大的行為進(jìn)行預(yù)測(cè)成為現(xiàn)實(shí)，如圖2所示為擠出口模數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程流程圖。

圖1 擠出口模試差法設(shè)計(jì)過(guò)程流程圖

圖2 擠出口模數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程流程圖

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)汽車密封條的擠出口模設(shè)計(jì)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(duì)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(cè)試，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(duì)橡膠熔體擠出過(guò)程自由表明的變形進(jìn)行分析，應(yīng)用計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)軟件POLYFLOW的逆向擠出功能，采用multimode pom-pom粘彈性模型，對(duì)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(shí)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(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)軟件POLYFLOW對(duì)汽車密封條擠出機(jī)機(jī)頭中儲(chǔ)料模腔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比驗(yàn)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(lái)判斷儲(chǔ)料模腔結(jié)構(gòu)的合理性，從而優(yōu)選出所需要的儲(chǔ)料模腔的流道結(jié)構(gòu)[5]；薛平等應(yīng)用流體動(dòng)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(duì)工字型木塑異型材的擠出口模進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]；王剛等應(yīng)用流體動(dòng)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(guò)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(cè)的口模形狀較為合理[7]。

作者運(yùn)用計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)軟件POLYFLOW模擬擠出成型方法，對(duì)某款汽車密封條的擠出口模進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)密封條熔融體通過(guò)口模的擠出流動(dòng)過(guò)程和逆向擠出口模截面形狀的模擬分析，提出了一種相對(duì)簡(jiǎn)潔的汽車密封條擠出口模的逆向設(shè)計(jì)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(jì)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(guò)渡段為20 mm，成型段為10 mm，自由表面為40 mm共四個(gè)計(jì)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(duì)于流體動(dòng)力學(xué)分析，有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量與平滑度對(duì)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(jì)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(dòng)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(duì)于黏性力很小，故忽略不計(jì)[8]。

在密封條工廠實(shí)際生產(chǎn)中，用來(lái)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(lái)進(jìn)行新產(chǎn)品的生產(chǎn)。在對(duì)密封條口模進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)邊界條件設(shè)置為：

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

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(duì)象的不同，選用不同的毛細(xì)管壁面邊界條件：本文考慮無(wú)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(dòng)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(jì)中，由于自由表面、成型段和過(guò)渡段的網(wǎng)格會(huì)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(guò)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(cè)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(cè)固定截面；其次，定義口模過(guò)渡段為網(wǎng)格重置區(qū)域和預(yù)測(cè)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(wèn)題的三維優(yōu)化網(wǎng)格法(Optimesh 3D)。進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，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(jì)算。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 汽車密封條逆向擠出流動(dòng)特性的分析

通過(guò)三維逆向擠出設(shè)計(jì)，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(chǎng)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(dòng)，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(shí)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(dòng)軌跡。密封條熔融體進(jìn)入輸入段、過(guò)度段和成型段時(shí)，流速隨著口模橫截面積的減小而增大，在通過(guò)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(méi)有壁面效應(yīng)的影響，此時(shí)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(guò)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(dòng)。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(dòng)；進(jìn)入過(guò)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(kāi)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(dòng)的過(guò)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(jì)密封條擠出口模是根據(jù)密封條橫截面形狀來(lái)預(yù)測(cè)口模橫截面形狀，模擬過(guò)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(jì)，如圖11所示為密封條橫截面形狀圖。通過(guò)計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)軟件POLYFLOW對(duì)密封條逆向擠出過(guò)程進(jìn)行求解，得到預(yù)測(cè)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(shí)際應(yīng)用的口模進(jìn)行比對(duì)，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(duì)汽車密封條擠出口模的逆向設(shè)計(jì)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(shí)材料特性合理選擇本構(gòu)方程進(jìn)行描述，通過(guò)對(duì)密封條逆向擠出過(guò)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(cè)出擠出口模橫截面的形狀圖，經(jīng)與企業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用的口模進(jìn)行比對(duì)，其形狀合理，該方法可以有效地預(yù)測(cè)口模形狀，大幅度減少設(shè)計(jì)和修模時(shí)間，且成本低，具有重要的指導(dǎo)意義。

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