基于POLYFLOW的汽車密封條擠出口模結(jié)構(gòu)優(yōu)化

熊巧巧，陳啟鵬

（1.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550008；2.貴州師范大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550001）

基于POLYFLOW的汽車密封條擠出口模結(jié)構(gòu)優(yōu)化

熊巧巧1，陳啟鵬2

（1.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550008；2.貴州師范大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550001）

文對(duì)某款汽車密封條擠出成型過(guò)程進(jìn)行研究，建立密封條熔融體擠出流動(dòng)的本構(gòu)方程，運(yùn)用計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)軟件POLYFLOW對(duì)密封條熔融體通過(guò)口模的擠出流動(dòng)特性進(jìn)行模擬分析，對(duì)擠出脹大的原因加以闡述。通過(guò)對(duì)密封條擠出脹大橫截面與擠出口模橫截面的相對(duì)位移情況的對(duì)比，最終提出該款密封條擠出口模的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

汽車密封條；流動(dòng)特性；擠出脹大；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

汽車密封條制造過(guò)程中，擠出成型是運(yùn)用最廣泛的成型加工方法。影響密封條擠出成型的因素很多，主要有口模形狀，材料特性，生產(chǎn)工藝等。由于橡膠密封條有擠出脹大效應(yīng)，傳統(tǒng)口模設(shè)計(jì)方法是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出口模形狀，經(jīng)反復(fù)調(diào)試后最終確定口模形狀。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用CFD軟件模擬密封條擠出脹大過(guò)程，研究口模結(jié)構(gòu)與材料特性、工藝參數(shù)關(guān)系的技術(shù)已逐漸發(fā)展起來(lái)。

戴元坎等運(yùn)用黏性模型逆向擠出方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單口型，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果［1］；柳和生等采用黏彈性模型逆向擠出方法模擬了L型口模內(nèi)熔融體的流變性［2］；陳晉南等采用非等溫模型逆向擠出方法模擬了密封條流變性［3］；Debbaut.B等采用multimode pom-pom黏彈性模型對(duì)擠出口模內(nèi)的黏彈性流體進(jìn)行逆向的三維仿真分析，合理的預(yù)測(cè)出黏彈性流體擠出成型的口模截面形狀［4］。前人大多研究逆向擠出口模的結(jié)構(gòu)。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，設(shè)計(jì)某款汽車密封條口模，討論復(fù)雜結(jié)構(gòu)密封條對(duì)EPDM密封條熔融體流變性影響，為汽車密封條擠出成型提供技術(shù)支持。

1 建立模型

1.1 幾何模型

在計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)軟件POLYFLOW的前處理軟件Gambit中建立風(fēng)窗密封條的幾何模型并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用六面體網(wǎng)格單元，采用穩(wěn)態(tài)三維有限元模型來(lái)進(jìn)行分析；如圖1所示風(fēng)窗密封條的尺寸規(guī)格為：高為9.3 mm，長(zhǎng)度為80 mm，寬為14 mm，自由擠出部分長(zhǎng)度為40 mm。圖2為密封條口模內(nèi)流道模型圖，將計(jì)算區(qū)域分為口模段和自由段，分別表示密封條熔融體在口模段內(nèi)受到口模的限制形狀不變；自由段脫離口模后發(fā)生自由形變。網(wǎng)格的質(zhì)量與平滑度對(duì)結(jié)果的精確至關(guān)重要，為使結(jié)果收斂，選用六面體主導(dǎo)法［5］。

圖1 密封條橫截面形狀

圖2 密封條口模內(nèi)流道模型圖

1.2 本構(gòu)方程

根據(jù)密封條熔融體和口模結(jié)構(gòu)，現(xiàn)做如下簡(jiǎn)化和假定：密封條熔融體為液體，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；壓力梯度在橫截面上為零；熔融體密度為常數(shù)，該密封條熔體在120 ℃下黏性強(qiáng)、彈性弱，可以被看成是廣義的牛頓流體。

密封條熔融體材料為三元乙丙密封條，擠出溫度為120 ℃，分析過(guò)程中，采用Bird-Carreau等溫非牛頓黏性模型進(jìn)行擠出脹大的對(duì)比分析，Bird-Carreau 等溫非牛頓黏性模型為：

通過(guò)材料參數(shù)擬合后得到的結(jié)果如表1所示。

表1 Bird-Carreau 等溫非牛頓黏性模型材料參數(shù)

1.3 邊界條件的建立

密封條熔融體在擠出口模出口后，發(fā)生自由變形，形成自由表面，由于自由段的擠出脹大引起網(wǎng)格變化，則自由表面需要進(jìn)行網(wǎng)格重置，該方法可以根據(jù)自由段網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置的變化自適應(yīng)口模段的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。如圖3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，其邊界條件的設(shè)置為：

（1）流動(dòng)入口邊界條件：入口流量 Q=1000；

（2）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；

（3）自由表面邊界條件：自由表面的密封條熔融體法向應(yīng)力和法向速度均為零；

（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。

圖3 密封條擠出口模三維有限元分析模型的邊界條件示意圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 汽車密封條正向擠出流動(dòng)特性分析

假設(shè)密封條壁面為無(wú)滑移邊界條件，入口流量Q=1 000，材料模型為Bird-Carreau等溫非牛頓粘性模型。如圖4所示為密封條擠出口模有限元模型計(jì)算后的擠出脹大變形圖，圖中表明在密封條熔融體從口模段進(jìn)入自由段后發(fā)生了明顯的擠出脹大現(xiàn)象；該密封條熔融體在Y軸方向上的最大位移由最初的9.3 mm處膨脹到9.92 mm處增加了0.62 mm。

圖4 密封條擠出仿真模型脹大變形圖

如圖5所示為密封條擠出仿真入口處流速等值線圖，由圖可知密封條熔融體的最大流動(dòng)速度為47.8 mm/s，中心流速最大，流速受密封條熔融體黏性影響向壁面方向遞減，并出現(xiàn)流速等值線。圖6為密封條擠出仿真流速曲線圖，從圖上看密封條熔融體在口模段流速為勻速且分為不同的速度梯度，當(dāng)密封條熔融體進(jìn)入自由段時(shí)，產(chǎn)生速度重分布，中心區(qū)域的熔融體流速大幅減小，壁面附近的熔融體流速增大，最后使流速均衡分布。密封條熔融體在擠出成型過(guò)程中處于“固—液共存”的狀態(tài)，呈現(xiàn)高黏彈性使得密封條在流出口模時(shí)產(chǎn)生彈性恢復(fù)；當(dāng)密封條熔融體脫離壁面束縛時(shí)產(chǎn)生速度重分布；彈性恢復(fù)和速度重分布使自由段密封條擠出脹大。

圖5 密封條擠出仿真入口處流速等值線圖

圖6 密封條擠出仿真流速曲線圖

2.2 汽車密封條正向擠出口模截面形狀分析

通過(guò)三維正向擠出設(shè)計(jì)，得到密封條口模內(nèi)流道熔融體擠出脹大圖，由圖4可知，熔融體在密封條口模內(nèi)流道流動(dòng)，到口模段出口后出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，完全膨脹后得到密封條最終形狀。圖7為密封條擠出物形狀圖和口模橫截面形狀圖，其橫截面面積分別為ST1=69.08 mm2和ST=50.02 mm2，相對(duì)于密封條擠出物橫截面，密封條口模橫截面積較小，擠出脹大比計(jì)算公式為：

圖7 密封條擠出截面形狀前后對(duì)比

式中：B為擠出脹大比，ST1為完全松弛后擠出物的面積，ST為密封條（出口）的口模面積。密封條擠出脹大比為1.38，密封條擠出后膨脹38%，產(chǎn)生較大變形。

通過(guò)對(duì)密封條橫截面上各個(gè)位移較大的點(diǎn)進(jìn)行特性分析，分析密封條橫截面上各個(gè)部分的擠出脹大情況。如圖7和表2所示，以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，對(duì)比分析密封條橫截面和密封條口模橫截面上各特征點(diǎn)之間的位移變化。

密封條口模擠出橫截面各拐點(diǎn)位移和相對(duì)位移如表2所示，特征點(diǎn)A、C、B、G在坐標(biāo)x軸方向或者y軸方向上產(chǎn)生較大位移，特征點(diǎn)D、F、E在坐標(biāo)軸上位移較小，根據(jù)射線法和比例間隔法判斷出特征點(diǎn)A、C、B、G為凸點(diǎn)，特征點(diǎn)E、F、D為凹點(diǎn)。由表可知，口模上的凸點(diǎn)在x、y方向位移均較大，表現(xiàn)出在x方向向內(nèi)收縮，y方向向外延伸的趨勢(shì)，口模上凹點(diǎn)位移相對(duì)較小，表現(xiàn)出在x方向向外延伸的趨勢(shì)，設(shè)計(jì)口模時(shí)需相應(yīng)減小凸點(diǎn)與凹點(diǎn)的尺寸；根據(jù)密封條擠出脹大比為1.38，改進(jìn)后口模需整體縮小

表2 口模出口橫截面形狀和密封條橫截面形狀對(duì)比

27.6%。

3 總結(jié)

本文對(duì)汽車密封條擠出成型過(guò)程進(jìn)行研究，根據(jù)材料特性對(duì)擠出流動(dòng)的本構(gòu)方程做出合理的選擇，運(yùn)用計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)軟件POLYFLOW對(duì)密封條熔融體通過(guò)口模的擠出過(guò)程進(jìn)行模擬。通過(guò)對(duì)密封條擠出成型過(guò)程的研究，得出密封條擠出脹大問(wèn)題主要是由自由段的流速重分布和彈性回復(fù)引起的，并詳細(xì)對(duì)比了密封條擠出脹大橫截面與擠出口模橫截面的相對(duì)位移情況，得出密封條口模上的凸點(diǎn)表現(xiàn)出在x方向向內(nèi)收縮，y方向向外延伸的趨勢(shì)；口模上凹點(diǎn)表現(xiàn)出在x方向向外延伸的趨勢(shì)，設(shè)計(jì)口模時(shí)需相應(yīng)減小凸與凹點(diǎn)的尺寸。根據(jù)密封條擠出脹大比為1.38，改進(jìn)后口模需整體縮小27.6%。

［1] 戴元坎. 汽車密封條密封條擠出成型過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬研究［D］.上海交通大學(xué)， 2008.

［2] 柳和生，黃興元. 高分子材料的擠出脹大和熔體破裂［J］. 高分子材料科學(xué)與工程，2008（9）：36～40.

［3] 陳晉南，吳榮方.數(shù)值模擬密封條擠出口模內(nèi)熔融體的非等溫流動(dòng)［D］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（7）：626～630.

［4] DebbautB， MarchalT. Numerical simulation of extrusion process and die design for Industrial Profile［J］. Using multimode Pom-Pom model，2008（37）： 142～150.

［5]錢欣，許王定，金楊福編著. POLYFLOW基礎(chǔ)及其在塑料加工中的應(yīng)用［M］，化學(xué)工業(yè)出版社，2010.1.

（R-01）

POLYFLOW based structural optimization of automotive sealing strip extruding die

POLYFLOW based structural optimization of automotive sealing strip extruding die

Xiong Qiaoqiao, Chen Qipeng
(1. Guizhou Polytechnic College of Communications, Guiyang 550008, Guizhou, China; 2. Guizhou Normal University, Guiyang 550001, Guizhou, China)

This paper mainly researches automotive sealing strip method of the simulation of extrusion process. By establishing the constitutive equations of rubber melt on extrusion fl ow, it uses simulation analysis of the rubber melt through the die on extrusion fl ow features with the computational fl uid dynamics software POLYFLOW to explain the cause of the die swell. And then compared with seal extrusion swell of cross section and the extrusion die for cross section displacement, the structure optimization of the extrusion die structure of the sealing strip is presented.

automotive sealing strip; fl ow features; die swell; structure optimization

TQ330.43

1009-797X（2016）02-0089-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.02.035

熊巧巧（1989-），女，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用技術(shù)研究。

2014-03-14