可降解塑料片材機(jī)頭流道的流場(chǎng)分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

周磊，張禮華*，陳景銘，毛旭，陳曙光，邱建成

（1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100；2.江蘇飛鴿友聯(lián)機(jī)械股份有限公司，江蘇 張家港 215613）

0 前言

隨著塑料行業(yè)的迅速發(fā)展，塑料產(chǎn)品的種類和用途也越來(lái)越多元化，但是目前大部分塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)原料主要成分為聚乙烯、聚丙烯、聚酯等，此類材料難以降解，對(duì)環(huán)境的污染很大。隨著國(guó)家可持續(xù)發(fā)展政策和綠色制造的推動(dòng)，可降解塑料已然成為了當(dāng)下塑料產(chǎn)品發(fā)展的方向。

可降解塑料是一種新型的環(huán)保塑料，一般以從生物質(zhì)資源提煉出來(lái)的可降解材料作為原料，在一定的自然環(huán)境中可最終降解為二氧化碳和水，綠色環(huán)保無(wú)污染。本文采用的可降解材料從天然植物中提取原料，以水作為發(fā)泡劑，粉狀原料擠出發(fā)泡成型后，可以在水中完全降解。塑料擠出成型技術(shù)可以讓塑料原料在一定的溫度和壓力條件下通過(guò)機(jī)筒及內(nèi)部螺桿的作用［1］，受到擠壓并向前推送到機(jī)頭中，經(jīng)過(guò)機(jī)頭流道擠出并離模發(fā)泡成型為塑料成品。

其中，擠出機(jī)頭的流道設(shè)計(jì)能力是影響擠出成品的關(guān)鍵，關(guān)乎成品的成型質(zhì)量［2］。某工廠以上述可降解原料進(jìn)行可降解塑料片材擠出成型時(shí)，片材會(huì)產(chǎn)生波浪狀的褶皺，同時(shí)由于片材擠出機(jī)頭出口壓力分布不均勻，部分地方容易堵塞，無(wú)法形成規(guī)整平滑的可降解塑料片材。由此，本文基于三維建模軟件Solidworks和黏彈性材料流動(dòng)有限元模擬仿真軟件Polyflow［3］，首先建立原有片材機(jī)頭流道的三維模型，并使用Polyflow進(jìn)行可降解塑料片材擠出過(guò)程的模擬分析，根據(jù)模擬仿真的結(jié)果以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)原有機(jī)頭流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化［4-5］，解決現(xiàn)有可降解塑料片材難以擠出發(fā)泡成型問(wèn)題，為后續(xù)可降解塑料機(jī)頭流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

如圖1所示為片材機(jī)頭實(shí)體圖，片材機(jī)頭由上下兩部分合模，形成中間的擠出流道。機(jī)頭實(shí)體中流道部分上下對(duì)稱，從圖中可以看出片材擠出機(jī)頭中流道的結(jié)構(gòu)布局，使用Solidworks建立塑料片材擠出機(jī)頭流道的三維模型［6］，如圖2所示。

圖1 片材機(jī)頭實(shí)體圖Fig.1 Solid diagram of the sheet head

圖2 片材機(jī)頭流道模型Fig.2 Runner model of the sheet head

片材擠出機(jī)頭流道分為入口段、擴(kuò)展段、壓縮段和成型段，雙螺桿擠入的熔體從機(jī)頭入口段進(jìn)入，熔體通過(guò)擴(kuò)展段緩解入口壓力并均勻散開(kāi)，在壓縮段對(duì)其進(jìn)行加壓擠出，最后經(jīng)過(guò)成型段擠出并離模發(fā)泡成型為可降解塑料片材。

1.2 基本假設(shè)

考慮聚合物特性和機(jī)頭穩(wěn)定擠出的工藝條件［7］，對(duì)擠出機(jī)頭中熔體作如下假設(shè)：

（1）熔體是不可壓縮流體；

（2）由于對(duì)機(jī)頭流道是整體加熱，故流場(chǎng)為穩(wěn)定的等溫流場(chǎng)；

（3）雷諾數(shù)遠(yuǎn)小于2 000，故流動(dòng)為層流流動(dòng)；

（4）熔體的體積力遠(yuǎn)小于黏滯力，體積力可以忽略不計(jì)；

（5）塑料熔體在流道中全充滿；

（6）塑料熔體在流道內(nèi)無(wú)滑移。

1.3 控制方程

基于基本假設(shè)，機(jī)頭擠出過(guò)程中物料遵循質(zhì)量守恒定律［8］，其連續(xù)性方程如式（1）所示：

機(jī)頭擠出過(guò)程中遵守動(dòng)量守恒定律，其動(dòng)量方程如式（2）～（4）所示：

其中，Vx、Vy、Vz分別為x、y、z方向上的速度，P為壓力，τij為直角坐標(biāo)系下的應(yīng)力分量；其中i，j分別代表x、y、z方向。

1.4 材料模型

本文中所用到的新型可降解塑料主要成分是淀粉，此種可降解材料在機(jī)頭中形成的熔體也屬于非牛頓流體，常用黏彈性流體本構(gòu)方程［9］，其中Bird-Carreau模型，能反映在高低剪切速率下的熔體流動(dòng)行為。Bird-Carreau模型表達(dá)如式（5）所示。

式中η0——零剪切黏度，值為10 000

λ——松弛時(shí)間，值為0.4

γ——剪切速率

n——冪律指數(shù)，值為0.75

在黏彈性材料流動(dòng)有限元模擬仿真軟件Polyflow中選取對(duì)應(yīng)的Bird-Carreau模型，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

1.5 邊界條件

對(duì)于此機(jī)頭流道模型的邊界條件設(shè)置主要包括：

（1）入口邊界：流動(dòng)入口（inflow），流動(dòng)為自動(dòng)（Automatic），體積流速Q(mào)=5.65×10-4m3/s；

（2）出口邊界：流動(dòng)出口（outflow），作用零法向力和零切向力（fn=fs=0）；

（3）壁面邊界：由于流道壁面無(wú)滑移的假設(shè)，與機(jī)頭壁面接觸的熔體流速為0，即熔體黏附于壁上［10］，故有Vw=0。

1.6 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

將使用Solidworks建立的流道幾何模型導(dǎo)入到Ansys中的Polyflow模塊中，通過(guò)整體和局部網(wǎng)格控制方法對(duì)機(jī)頭模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分［11］。

由于網(wǎng)格的疏密程度對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響，只有保證網(wǎng)格數(shù)量的變化對(duì)計(jì)算結(jié)果基本沒(méi)有影響時(shí)數(shù)值模擬的結(jié)果才是可依據(jù)的。為了降低網(wǎng)格數(shù)量的變化對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響［12］，以片材機(jī)頭作為固定模型，在設(shè)定邊界條件和其他參數(shù)后，劃分不同數(shù)量的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量分別為：10.9×104、12×104、13.6×104、16.9×104、20.3×104、26.3×104、31.6×104。如圖3所示，對(duì)比不同網(wǎng)格數(shù)量下的熔體最大出口速度［13］，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到約17×104后，熔體最大出口速度波動(dòng)更為平穩(wěn)，相鄰解誤差小于5%，說(shuō)明網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到約17×104后，網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響在可接受范圍，滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的要求。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量下熔體的最大出口速度Fig.3 Maximum outlet velocity of melt at different mesh quantities

最終網(wǎng)格劃分后的機(jī)頭流道如圖4所示，節(jié)點(diǎn)數(shù)為58 470，單元數(shù)為169 370。

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing

1.7 機(jī)頭流道優(yōu)化

根據(jù)工廠實(shí)際生產(chǎn)可降解塑料片材的問(wèn)題反饋，片材擠出機(jī)頭擠出時(shí)出口處流動(dòng)性不均勻，部分出口處易堵塞，離模發(fā)泡時(shí)片材易彎曲卷成波浪狀，擠出的片材不規(guī)整，也難以成型。問(wèn)題解決的關(guān)鍵在于對(duì)機(jī)頭流道進(jìn)口以及內(nèi)腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)［14］，片材成品的質(zhì)量問(wèn)題和機(jī)頭流道分析表明，進(jìn)口處的尺寸過(guò)大，導(dǎo)致進(jìn)口流速以及壓力不夠，熔體無(wú)法在機(jī)頭內(nèi)均勻遍布，同時(shí)流道各轉(zhuǎn)折面沒(méi)有圓角，阻礙熔體推進(jìn)的不均勻和堵塞，流道中間面未設(shè)置分散角［15］，導(dǎo)致流道內(nèi)擠出壓力分布不均勻。

針對(duì)上述分析，對(duì)機(jī)頭流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將流道入口段直徑從240 mm減小為180 mm，入口段后的第一個(gè)轉(zhuǎn)折面添加半徑為40 mm的圓角進(jìn)行過(guò)渡，后面每段流道之間的轉(zhuǎn)折面添加半徑為55 mm的圓角進(jìn)行過(guò)渡，并對(duì)流道擴(kuò)展段及壓縮段的上下部分中間表面下凹14 mm形成圓弧凹面。流道優(yōu)化部分的結(jié)構(gòu)示意如圖5所示，優(yōu)化前后的流道模型對(duì)比如圖6所示。

圖5 機(jī)頭流道優(yōu)化示意圖Fig.5 Schematic diagram of nozzle flow channel optimization

圖6 流道模型優(yōu)化對(duì)比Fig.6 Comparison of runner model optimization

2 結(jié)果與討論

2.1 速度場(chǎng)分析

原始機(jī)頭流道和優(yōu)化流道的熔體速度場(chǎng)數(shù)值分析如圖7所示。機(jī)頭流道從機(jī)頭入口段向擴(kuò)展段延伸，流道內(nèi)部此時(shí)開(kāi)始擴(kuò)展，熔體開(kāi)始散開(kāi)向前流動(dòng)，此時(shí)的流速較小，同時(shí)靠近流道壁面的流速也相對(duì)較??；由速度場(chǎng)水平截面分布可看出從機(jī)頭的壓縮段向成型段機(jī)頭流道內(nèi)的流速逐漸增大，在機(jī)頭擠出段機(jī)頭流道內(nèi)流速達(dá)到最大值。

圖7 機(jī)頭流道熔體速度場(chǎng)數(shù)值分析Fig.7 Numerical analysis of melt velocity field in the nozzle runner

圖8為機(jī)頭流道優(yōu)化前后不同截面出口速度分布對(duì)比。可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的機(jī)頭流道整體流速得以提升，機(jī)頭出入口段流速有了明顯提升，在擴(kuò)展段，流道速度幾乎相同。

圖8 優(yōu)化前后不同截面出口速度分布對(duì)比Fig.8 Comparison of export velocity distribution of different sections before and after optimization

2.2 壓力場(chǎng)分析

原始機(jī)頭流道和優(yōu)化流道的熔體壓力場(chǎng)數(shù)值分析如圖9所示，通過(guò)機(jī)筒內(nèi)雙螺桿擠出結(jié)構(gòu)將原料擠壓推送至機(jī)頭內(nèi)，從機(jī)頭入口段至壓縮段流道內(nèi)的擠出壓力都很大，從壓力場(chǎng)水平截面分布可以看出流道壓縮段尾段擠出壓力開(kāi)始逐漸減小，直至機(jī)頭出口處降至最低，表面熔體在機(jī)頭內(nèi)部受擠出壓力向前推進(jìn)，直至最后擠出成型為片材。

圖9 機(jī)頭流道熔體壓力場(chǎng)數(shù)值分析Fig.9 Numerical analysis of melt pressure field in the nose runner

通過(guò)圖10可以看出機(jī)頭流道優(yōu)化前后不同截面出口壓力分布變化。

圖10 優(yōu)化前后不同截面出口壓力分布比較圖Fig.10 Comparison chart of outlet pressure distribution of different sections before and after optimization

優(yōu)化后的機(jī)頭流道在機(jī)頭成型段出口之前，每一段的擠出壓力都有著顯著提升，使機(jī)頭內(nèi)的熔體被更加充分地?cái)D壓，提升了充模速度、熔體流率和機(jī)頭流道內(nèi)成型段的壓力降，有利于充分離模發(fā)泡。通過(guò)優(yōu)化，更符合可降解塑料片材離模發(fā)泡的特性，有利于片材的擠出成型。

2.3 剪切速率場(chǎng)分析

原始機(jī)頭流道和優(yōu)化流道的熔體剪切速率場(chǎng)數(shù)值分析如圖11所示。原始流道的剪切應(yīng)力較大的地方主要在成型段，且存在應(yīng)力集中。優(yōu)化后，流道內(nèi)最大剪切速率有所提高，但成型段中間區(qū)域的剪切應(yīng)力有所減少，并且最大剪切速率和剪切應(yīng)力靠近兩側(cè)壁面，從而改善中間區(qū)域發(fā)生片材擠出時(shí)扭轉(zhuǎn)變形的狀況。

圖11 機(jī)頭流道熔體剪切速率場(chǎng)數(shù)值分析Fig.11 Numerical analysis of melt shear rate field of machine head runner

圖12是機(jī)頭流道優(yōu)化前后不同截面出口剪切速率分布對(duì)比，優(yōu)化后的機(jī)頭流道在前半部分和后半部分剪切速率都有所提升，特別是出口處的剪切速率提升更明顯。剪切速率越大，熔體在流道內(nèi)受到的拉伸拖拽效果就越強(qiáng)，越有利于物料的混合。

圖12 優(yōu)化前后不同截面出口剪切速率分布對(duì)比Fig.12 Comparison of outlet shear rate distribution of different sections before and after optimization

根據(jù)優(yōu)化流道的剪切速率場(chǎng)分布可以看出優(yōu)化后的流道的剪切應(yīng)力更加靠近兩側(cè)壁面，減少了成型段中間區(qū)域的剪切應(yīng)力，從而可以更好的改善片材機(jī)頭擠出片材時(shí)中間易產(chǎn)生波浪狀扭轉(zhuǎn)形變的問(wèn)題，使得擠出的片材更加平整，減少片材機(jī)頭流道出口兩側(cè)的堵塞。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如圖13所示為現(xiàn)場(chǎng)分別使用原始片材機(jī)頭和優(yōu)化后的片材機(jī)頭擠出可降解塑料片材成品的對(duì)比圖。可以看出左圖中原始片材機(jī)頭擠出的可降解塑料片材兩側(cè)有毛邊，其原因是擠出片材時(shí)機(jī)頭兩側(cè)有部分堵塞，導(dǎo)致了擠出的片材并不完整，兩側(cè)有明顯的缺少，并且在擠出片材后還需要卸下機(jī)頭對(duì)內(nèi)部流道內(nèi)堵住的余料進(jìn)行清理。由于擠出機(jī)頭內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)還需優(yōu)化，機(jī)頭擠出時(shí)剪切應(yīng)力、擠出壓力以及速度的大小及分布存在問(wèn)題，擠出的片材存在波浪狀褶皺，形變較大，難以使用，無(wú)法使得生產(chǎn)的片材達(dá)到客戶的需求。

圖13 片材機(jī)頭流道優(yōu)化前后擠出片材效果對(duì)比Fig.13 Comparison of extruded sheet effect before and after sheet head flow channel optimization

右圖通過(guò)對(duì)片材機(jī)頭的入口直徑、轉(zhuǎn)折面以及分散角的修改優(yōu)化，使得優(yōu)化后的片材機(jī)頭擠出的片材表面平滑均勻，消除了波浪狀褶皺，片材更為完整，機(jī)頭兩側(cè)邊緣沒(méi)有堵料，從而解決了可降解塑料片材從機(jī)頭擠出離模發(fā)泡后兩側(cè)的毛邊問(wèn)題，最終使得生產(chǎn)的可降解塑料片材更好地達(dá)到使用效果。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)擠出的可降解塑料片材不完整且表面有明顯褶皺問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有機(jī)頭流道擠出過(guò)程進(jìn)行模擬，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)機(jī)頭流道進(jìn)行了優(yōu)化，將流道入口段直徑從240 mm減小為180 mm，入口段后的第一個(gè)轉(zhuǎn)折面添加半徑為40 mm的圓角進(jìn)行過(guò)渡，對(duì)后面每段流道之間的轉(zhuǎn)折面添加半徑為55 mm的圓角進(jìn)行過(guò)渡，并對(duì)流道擴(kuò)展段及壓縮段的上下部分中間表面下凹14 mm形成圓弧凹面。

（2）通過(guò)對(duì)流道的優(yōu)化改進(jìn)，提高了機(jī)頭流道內(nèi)整體流速，減少了熔體在流道內(nèi)停留時(shí)間，提高了出入口的熔體流動(dòng)性；提高了流道成型段出口面之前的整體擠出壓力，增加了流道內(nèi)成型段的壓力降，有利于可降解塑料充分離模發(fā)泡成型；減少了成型段中間區(qū)域的剪切應(yīng)力的集中分布，改善機(jī)頭中間區(qū)域片材擠出時(shí)扭轉(zhuǎn)變形的狀況。

（3）優(yōu)化后的片材流道通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，解決了擠出的可降解塑料片材不規(guī)整且表面容易出現(xiàn)波浪狀褶皺的狀況，能夠更好地滿足可降解塑料片材產(chǎn)品的需求，實(shí)現(xiàn)綠色制造。