POLYFLOW在高分子成型加工中的應用研究進展

邊洋震，劉君峰，許忠斌，朱科，葉如清，林增榮，成明祥

(1.浙江大學能源工程學院，浙江 杭州 310027；2.浙江大學機器人研究院，浙江 寧波 315000；3.德清申達機器制造有限公司，浙江 湖州 313200)

0 引言

在高分子成型加工中，擠出、吹塑等傳統的設計方法一般采用理論計算法和實驗法。通過實驗來獲取最優(yōu)設計的方法常受到多種人為和環(huán)境因素限制與影響，并且資金投入大、研究周期長，不利于快速應對各種生產要求與任務；而理論計算法因其計算量龐大需要大量人力，并且只能精確計算特殊條件下的情況，范圍有限。在數字化設計方法逐步取代試差法的背景下，通過POLYFLOW商業(yè)軟件進行數值模擬能夠克服前面兩種方法存在的弊端。此外，數值模擬可以形象地使用流線圖、云圖等再現流動情景，更加直觀和精準地分析流場，以便對設備和生產工藝進行優(yōu)化。

1 POLYFLOW軟件與模擬分析步驟

POLYFLOW是基于有限元法的計算流體動力學軟件，其中包含了許多實用的模型和完善的算法[1]。POLYFLOW相較于其他流體計算軟件具有完備黏彈性模型體系，并對AutoCAD、SolidWorks等軟件兼容，因此可以用來解決牛頓/非牛頓流體及線性/非線性問題。

20世紀90年代以來，因計算流體和計算機的發(fā)展，POLYFLOW軟件得到快速發(fā)展，并應用于包裝、電子電氣等諸多工業(yè)部門，而且它可以提高設計精度，降低設計成本并縮短設計周期，在工業(yè)設計中獲得越來越廣泛的應用，從而促進高分子加工行業(yè)的發(fā)展。

POLYFLOW在高分子成型加工中的模擬分析步驟如下：

（1）建立有限元模型：設計或讀入幾何模型；定義材料屬性；劃分網格（節(jié)點及單元）。

（2）施加載荷并求解：施加載荷、設定約束條件；求解。

（3）查看結果：查看分析結果；檢驗結果（分析是否正確）。

2 POLYFLOW在擠出中的應用

POLYFLOW用于擠出方面的數值模擬主要有兩類[2]：

（1）正向分析：對于給定的口模形狀與參數，可以用POLYFLOW來分析不同工藝條件下制品擠出成型的各種參數，如制品的最終形狀、口模處的壓力變化等，由此來確定最佳工藝條件。

（2）逆向分析：與正向分析過程相反，是根據已知的制品形狀，運用POLYFLOW的逆向分析功能來設計口模。優(yōu)點是不依賴經驗口模并直接給出口模形狀，但仍然需要正向分析來檢驗和優(yōu)化。

擠出成型是高分子成型加工過程中重要的工藝之一。在擠出成型過程中存在不穩(wěn)定現象，并且在異型材擠出設備中存在復雜功能塊部位的尺寸超差問題[3]和高分子材料擠出脹大導致的尺寸不一等問題，因此需要優(yōu)化擠出參數和預測擠出形狀，利用POLYFLOW可以有效地分析和解決上述難題。

張振[3]等以POLYFLOW為平臺運用有限元數值計算方法對固定功能塊進行數值模擬分析，結合擠出模頭設計制造的實踐給出了流道結構合理設計的數值方法，構造形狀復雜功能塊的流道模頭以保證整個擠出模頭出口平均流速一致；趙峰[4]等應用POLYFLOW對塑木墻板大截面異型材擠出機頭流道進行仿真設計，獲得了熔體在流道中的流動狀況，通過分析速度云圖和壓力云圖并結合正交實驗法，得到優(yōu)化的流道結構，從而減少修模次數，提高設計效率；甘學輝[5]等基于POLYFLOW研究十字形纖維在熔融紡絲過程中的變形，獲得距離噴絲孔長度對熔體速度和細流截面形狀的影響規(guī)律，基于這個變化規(guī)律并結合逆向分析，優(yōu)化設計結構來減小擠出脹大的影響；張磊[6]等運用POLYFLOW對高熔指聚丙烯在同向雙螺桿擠出機的機頭中的流動情況進行分析，獲取相應的壓力場、速度場、剪切速率場和黏度場，并以此改進機頭結構，使得物料流動均勻，各模孔均勻出條。

POLYFLOW在微管分析和設計中相較其他軟件更占優(yōu)勢。任重[7]等應用POLYFLOW揭露氣輔技術應用于塑料微管擠出可以解決傳統塑料微管擠出時存在的擠出變形、擠出脹大和熔體破裂等問題的機理：利用氣輔技術在口模和熔體之間形成縫隙-氣墊膜層，使熔體在口模出口時沒有產生徑向流速和多余壓力降，使擠出的塑料管尺寸更加均勻、壁厚更薄，并通過實驗驗證氣輔技術確實可以解決上述問題；劉同科[8]等基于POLYFLOW，模擬氣液兩相流共擠出，分析了內氣墊層氣體在離開口模后進入微管腔內的流動情況，研究了其對微管擠出成型的影響，得出內氣墊層氣體對微管成型有較大影響，并揭露了其機理：在擠出口模前內氣墊層氣體會對微管產生擠壓作用使微管管壁變薄，擠出口模后內氣墊層氣體在微管內流動與外界形成壓差導致微管變形；肖建華[9]等運用POLYFLOW結合漸變法，研究在不同壓力下微通道塑料薄膜（MCF）擠出時表面形狀和尺寸的變化，揭示了MCF離開口模后在牽引力的作用下微管截面由圓形變成橢圓的機理；傅志紅[10]等用POLYFLOW結合實驗研究了注氣壓力對微管擠出成型的影響，通過位置矢量圖和速度分布圖得出注氣壓力過小則注汽效果不明顯，注氣壓力過大則會影響熔體擠出的流動狀態(tài)，通過壓力云圖確定了合理的注氣壓力范圍。黃興等運用POLYFLOW模擬柔性矩形微管（RMT）的微擠出過程[11]，為研究微米尺度的通道由毫米尺度的模具形成的機理和新理論模型提供了直觀的參數；同時對RMT擠出過程中工藝參數和口模結構[12]對其長寬比的影響，建立了數學關系，并以此對芯模幾何形狀進行優(yōu)化以獲得盡可能大的長寬比。劉君峰[13]等運用POLYFLOW模擬分析了MCF在擠出過程中微通道的變形機理，如圖2，通過分析各參數對微通道的橫截面形狀的影響，利用分通道獨立注氣提升微通道尺寸均一性。

本文基于熊巧巧等的《基于POLYFLOW的汽車密封條擠出口模逆向設計研究》[14]和《基于POLYF LOW的汽車密封條擠出口模結構優(yōu)化》[15]兩篇論文來介紹POLYFLOW正向分析和逆向分析在擠出成型中的應用：

2.1 模型建立

建立幾何和數學模型：建立幾何模型并根據流道復雜度進行網格劃分；根據質量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律以及本構方程來建立相應數學模型（一般根據相應的數學模型選擇相應的黏性流體模型）；設置相應的邊界條件，并重置網格。

2.2 計算結果分析：

（1）正向分析：正向分析得到密封條熔體擠出脹大圖、入口處流速等值線圖和流速曲線圖，可以分析截面上各特征點之間的關系，發(fā)現口模上的凸點有橫向收縮，縱向延伸的趨勢，口模上凹點位移相對較小,有橫向延伸的趨勢，如圖3，設計口模時需相應減小凸點與凹點的尺寸，以此設計并優(yōu)化口模。

（2）逆向分析：三維逆向設計是根據制品已知的橫截面形狀來設計口模橫截面形狀，通常先根據制品形狀參數得到相應的熔體擠出脹大圖和速度場分布圖來分析流體在不同擠出位置時的形狀，運用POLYFLOW數值設計的功能以制品的橫截面形狀為口模內流道來建立幾何模型得到預測的密封條擠出口模橫截面形狀圖，然后再進行正向分析來優(yōu)化。

3 POLYFLOW在吹塑與熱成型中的應用進展

吹塑成型主要用在擠出之后（擠出吹塑），與擠出成型和注塑成型相比，可以成型性能較高、形狀較為復雜的制品，并且其模具價格低廉、生產成本低，在生產中小型產品中有較大的優(yōu)勢。但由于吹塑的特殊性，其制品大多為中空件，容易出現壁厚不均一等問題[16]。

莫壯壯[16]等運用POLYFLOW模擬分析，得出影響制件壁厚的因素分別為吹脹壓力、模具運動時間以及吹脹時間，通過設計正交試驗得到最優(yōu)工藝參數，從而提高產品壁厚均勻性。樊玲玲[17]等運用POLYFLOW模擬了汽油瓶吹塑成型過程，分析其吹脹壓力、型坯初始溫度（如圖4）、型坯初始壁厚對壁厚均一性的影響，并基于響應面法優(yōu)化成型工藝參數以獲得壁厚均勻的制件，從而提升制件的成型質量；胡青春[18]等

基于雙軸向拉伸吹塑成型技術運用POLYFLOW模擬PET瓶成型過程，分析成型過程中的溫度場，并對下桿停留時間、上升高度和下桿延遲時間等參數進行優(yōu)化，解決了吹塑產品PET瓶的瓶底部分力學性能不足以及瓶底積料導致PET原料大量浪費的問題。

熱成型技術是以熱塑性塑料片材為成型對象的二次成型技術，具有廣闊應用前景，但其生產過程復雜，需要的工藝參數較多，若用傳統方法試模耗時耗力，運用POLYFLOW可以提高分析效率和分析精度。

周中河[19]等運用POLYFLOW，在預拉伸階段工藝參數一致的情況下分析制杯機拉伸頭各個尺寸對于壁厚分布的影響，以經驗拉伸頭為基礎，對拉伸頭的平端直徑、拐角半徑、拐角切點高度等結構參數進行了優(yōu)化從而使制品厚度更加均勻；劉修忠[20]等結合POLYFLOW模擬了玻璃瓶的成型過程，如圖5，并分析了其成品質量，在基于經驗公式上設計了初始坯料模型，并運用逆向思維引進高度系數k定向優(yōu)化模型，最后驗證了成型效果較好的初型模的設計是通過優(yōu)化后模型的外輪廓作為初型模型腔得到的。

4 結論與展望

本文對POLYFLOW在高分子成型加工中的應用進行了歸類和舉例，得出以下結論：

（1）基于POLYFLOW進行數值模擬可獲取一系列工藝參數，對產品的制造提供理論指導，如：模擬熔體的速度分布、壓力云圖、溫度場等，根據這些參數在生產時進行優(yōu)化。

（2）采用POLYFLOW可降低設計成本、縮短產品研發(fā)周期，如：在擠出中先進行逆向分析設計口模形狀，再進行正向分析來查看擠出情況并以此進行優(yōu)化，從而降低設計時間和成本，并減少人力資源使用。

（3）POLYFLOW軟件應與時俱進，根據近年來科學研究增加新的黏彈性模型以提高模擬仿真準確性，采用內置加速器提升計算收斂速度，通過優(yōu)化界面提高用戶使用舒適度，此外還需要進一步拓展功能和使用便捷性，從而促進其在科學研究和工業(yè)生產中的應用。