汽车橡胶密封条挤出成型过程的计算机模拟研究
姓名：***申请学位级别：博士专业：材料学指导教师：周持兴;俞炜
20081101
上海交通大学博士学位论文汽车橡胶密封条挤出成型过程的计算机模拟研究摘要汽车橡胶密封条由ＥＰＤＭ橡胶复合材料通过挤出加工成型。由于橡胶材料的挤出胀大特性，挤出体与挤出口型形状不一致，所以挤出口模设计需要根据所需产品断面修正。目前在生产中口模的设计主要是通过“试差法＂不断调试修正来完成，效率低、成本高。如果能够通过计算机模拟橡胶挤出流动状态、预测挤出产品形状并优化设计口模结构，则可以大量节约产品调试成本和时间，这将对汽车橡胶密封件产业的发展具有重要意义。当前在橡胶产品挤出加工计算机模拟领域，公开发表的文献不多，而且多局限于简单形状产品流动状态的局部分析。即使在我公司所接触的世界知名汽车密封条企业，利用计算机模拟方法设计挤出口模也是一大难点，还未完全应用于生产中，出于保密原因，更是没有相关公开文献发表。本文就是在没有多少前人经验可借鉴的背景之下，结合企业需求开展研究。即应用ＰＯＬＹＦＬＯＷ软件对ＥＰＤＭ橡胶密封条的挤出成型及口模设计进行分析，建立从材料流变性能测试、流变模型选择到挤出过程模拟分析和口型流道设计的方法，通过实际挤出验证，指导生产中口模设计与工艺优化。摘要采用ＲＨ７－２双筒毛细管流变仪和Ｇｅｍｉｎｉ２００平板旋转流变仪测试研究了ＥＰＤＭ混炼胶的流变性能。实验表明，在小振幅的动态剪切流场下，ＥＰＤＭ材料的储能模量远大于其损耗模量，说明材料以弹性响应为主，表现为类固体行为。在稳态流动条件下，材料弹性很弱，可以忽略。采用Ｂｉｒｄ－Ｃａｒｒｅａｕ粘性模型可很好拟合ＥＰＤＭ６０橡胶熔体的稳态剪切流场中得到的流变曲线。通过不同结构橡胶密封条的挤出模拟详细地分析了壁面滑移、牵引速度、流量对挤出状态的影响。分析结果表明：壁面滑移对挤出状态影响很大，口模内壁表面越光洁，就越容易发生壁面滑移；牵引速度越大，挤出断面越小；流量越大，挤出断面越大。若要挤出得到相同大小的断面，流量和牵引速度的调整符合正比的线性关系，这点对实际生产调试具有重要指导意义。虽然ＰＴＴ粘弹性模型比Ｂｉｒｄ－Ｃａｒｒｅａｕ纯粘性模型更符合实际，但弹性引起的变化所占比例较小，所以在实际应用中，针对复杂的计算模型，由于计算方法、软硬件、时间与成本的限制，采用粘性模型更有实际意义。综合上述研究结果，一方面结合流量平衡原理及正向模拟分析，提出了一套可以定量计算口模流道大小、形状及深度的设计方法。另一方面，根据速度重分布原则，结合正向模拟和逆向模拟，提出了一套可以定量计算挤出口模口型形状和大小的设计方法。上述设计方法在实际操作中应用都很方便。此外，通过分析，发现变ＩＩ上海交通大学博士学位论文截面流道结构比单一截面流道结构好，挤出口模的压力小、能耗少。将上述模拟方法用于解决企业的实际问题，取得了重要成果。如在小机头优化设计过程中，得到了速度、压力和流量更为平衡的流道结构；在解决机头焦烧问题过程中，找到了焦烧产生的位置和原因，提出了新的套筒结构；运用逆向设计方法设计的某头道密封条口模成功用于生产中；又如通过流量平衡准则，重新设计了一种新式结构的挤出机头，解决了机头焦烧、压力大、温度分布不均、挤出效率不高等问题，并应用在申雅公司的六号生产线上。这些研究成果说明本课题的研究已经达到了生产应用的阶段，在国内汽车密封条行业开创了在橡胶挤出加工领域应用计算机模拟的新方向。奎途塞的主要剑堑点归纳翅王！．结合ＣＡＥ模拟技术，提出了一套进行汽车橡胶密封条挤出口模结构设计的数字化分析计算方法，结合ＣＡＤ／ＣＡＭ技术，形成了完整的口模结构设计／分析／ａｎ工的３Ｃ技术平台（ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ）。具体内容表现在以下５个方面：１材料模型分析：通过纯粘性模型和粘弹性模型的分析结果和实验验证比较，认为ＥＰＤＭ混炼胶在稳态剪切流场中主要表现为高粘性、低粘弹性。从而为ＥＰＤＭ橡胶的挤出分析应用纯粘性模型提供依据，避免了应用粘弹性模型而带来的大量问题。ⅡＩ摘要２工艺分析：通过模拟结构复杂的橡胶密封条的挤出流动状态，详细分析并得到了壁面滑移、流量及挤出牵引速度和断面挤出胀大的关系，对橡胶密封条实际挤出过程中工艺参数的调试具有现实指导意义。３流道设计：通过流量平衡原理和正向分析，提出了口模挤出流道形状、大小和深度的定量设计计算方法。４口型设计：根据速度重分布原则，结合逆向分析、正向分析和口型膨胀分析，提出了一套进行ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出口型逆向设计的方法。５实际应用：１）解决机头焦烧问题：分析容易引起胶料焦烧的区域，优化机头结构，从而解决了申雅淮安分公司的橡胶密封条挤出生产线的机头焦烧问题。２）新型机头设计（专利申请准备中）：分析熔体的流动状态，优化设计了一种新型的机头结构，在申雅上海公司的６号线上得到了应用，效果反映很好。该新型结构公司正准备申请专利。关键词：橡胶密封条，流变模型，挤出成型，计算机模拟，口模设计ＩＶ上海交通大学博士学位论文ＳｔｕｄｙｏｆｔｈｅＥｘｔｒｕｓｉｏｎＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＡｕｔｏＳｅａｌｉｎｇＳｔｒｉｐｏｆＲｕｂｂｅｒＡｂｓｔｒａｃｔＡｕｔｏｓｅａｌｉｎｇｓｔｒｉｐｏｆｒｕｂｂｅｒｉｓｐｒｏｄｕｃｅｄｔｈｒｏｕｇｈｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗｉｔｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｏｆＥＰＤＭｒｕｂｂｅｒｍｉｘｔｕｒｅ．Ｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｗｅｌｌｉｎｇｉｓｗｉｄｅｌｙｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｒｕｂｂｅｒｅｘｔｒｕｓｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｕｃｅｓｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｅｘｔｒｕｄｅｄｐｒｏｆｉｌｅ，ａｎｄｒｅｑｕｉｒｅｓｄｉｅｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｔａｒｇｅｔｐｒｏｄｕｃｔ．Ｕｎｔｉｌｒｅｃｅｎｔｌｙ，ｄｉｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｆｏｒｒｕｂｂｅｒｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｌａｒｇｅｌｙｄｏｍｉｎａｔｅｄｂｙｅｍｐｉｒｉｃａｌｋｎｏｗ—ｈｏｗａｎｄｒｅｐｅａｔｅｄｔｒｉａｌｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｏｎｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｄｅｓｉｇｎｓ．Ｂｕｔｉｔｏｆｔｅｎｌｅａｄｓｔｏｎｏｎｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅｍｏｕｌｄｓａｎｄｒｅｓｕｌｔｓ，ｅｖｅｎｈｉｇｈｃｏｓｔａｎｄｔｉｍｅｃｏｎｓｕｍｉｎｇ．Ｉｆｔｈｅｒｕｂｂｅｒｅｘｔｒｕｓｉｏｎａｎｄｐｒｏｆｉｌｅｆｏｒｅｃａｓｔａｎｄｄｉｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｃａｎｂｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｅｎｔｒｉａｌｃｏｓｔａｎｄｔｉｍｅｃｏｎｓｕｍｉｎｇｃａｎｂｅｓａｖｅｄｍｕｃｈ，ａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｑｕａｌｉｔｙｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｔｏｏ，ｗｈｉｃｈｈａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｄｕｓｔｒｙｏｆＡｕｔｏｒｕｂｂｅｒｓｅａｌｉｎｇ．Ｕｎｔｉｌｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｏｐｅｎｉｎｇｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｒｕｂｂｅｒｓｅａｌｉｎｇｅｘｔｒｕｓｉｏｎｗｅｒｅｎｏｔｍｕｃｈ，ａｎｄｍｏｓｔｏｆｔｈｅｍｗｅｒｅｌｉｍｉｔｅｄｔｏｔｈｅｌｏｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｅｌｔｆｌｏｗｉｎｇｏｆｓｉｍｐｌｅｐｒｏｆｉｌｅ．ＥｖｅｎｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄｆａｍｏｕｓｃｏｍｐａｎｉｅｓｏｆＡｕｔｏｓｅａｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ，ｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＶ摘要ａｒｅａｌｓｏａｂｉｇｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ，ｗｈｉｃｈｈａｓａｆａｒｄｉｓｔａｎｃｅｔｏｂｅｕｓｅｄｐｒａｃｔｉｃａｌｌｙ．Ｉｎｔｈｅｂａｓｅｏｆａｂｏｖｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｉｎｔｈｉｓｐｒｏｊｅｃｔ，ｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｄｉｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｅａｌｉｎｇｓｔｒｉｐｏｆＥＰＤＭｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈＰｏｌｙｆｌｏｗｓｅｔｕｐｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ａｗｈｏｌｅａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｗａｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒｕｂｂｅｒｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｔｅｓｔｉｎｇ，ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｔｕｄｙｉｎｇ，ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇ，ａｎｄｔｅｓｔｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈｒｅａｌｒｕｂｂｅｒｐｒｏｆｉｌｅ．ＴｈｅｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＥＰＤＭｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｗｉｔｈＲＨ７—２ＣａｐｉｌｌａｒｙＲｈｅｏｍｅｔｅｒａｎｄＧｅｍｉｎｉ２００Ｆｌａｔ－ｐｌａｔｅＲｏｔａｔｉｏｎａｌＲｈｅｏｍｅｔｅｒ．ＴｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｔｏｒｉｎｇｍｏｄｕｌｕｓｏｆＥＰＤＭｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗａｓｆａｒｂｉｇｇｅｒｔｈａｎｔｈｅｉｒｌｏｓｓｍｏｄｕｌｕｓｉｎｄｙｎａｍｉｃａｌｓｈｅａｒｆｌｏｗｉｎｇｆｉｅｌｄｏｆｓｍａｌｌｖｉｂｒａｔｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅ，ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｉｓｔｈｅｍａｉｎｒｅｓｐｏｎｓｅ．Ｉｎｔｈｅｓｔｅａｄｙｆｌｏｗｉｎｇ，ｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｏｆＥＰＤＭｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗａｓｖｅｒｙｗｅａｋａｎｄＣａｎｂｅｏｍｉｔｔｅｄ．ＴｈｅＢｉｒｄ—ＣａｒｒｅａｕｖｉｓｃｏｓｉｔｙｍｏｄｅｌｍｅｔｔｈｅｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｎｔｈｅｓｔｅａｄｙｆｌｏｗｉｎｇｏｆＥＰＤＭｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｖｅｒｙｗｅｌｌ．Ｆｒｏｍｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｅｖｅｒａｌｒｕｂｂｅｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｗａｌｌｓｌｉｐ，ｔｒａｃｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｆｌｕｘｔｏｓｅａｌｉｎｇｓｔｒｉｐｓ，ｔｈｅｅｘｔｒｕｄｉｎｇｓｔａｔｕｓｗｅｒｅｔｏａｎａｌｙｚｅｄｄｅｔａｉｌｅｄｌｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｗａｌｌｓｌｉｐｈａｄｂｉｇｉｎｆｌｕｅｎｃｅｅｘｔｒｕｄａｔｅ．Ｂｉｇｇｅｒｔｒａｃｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｄｕｃｅｄｓｍａｌｌｅｒｅｘｔｒｕｄａｔｅ，ａｎｄｂｉｇｇｅｒｆｌｕｘｉｎｄｕｃｅｄｂｉｇｇｅｒｅｘｔｒｕｄａｔｅ．Ｆｏｒｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｇｅｔｔｉｎｇｔｈｅｓａｍｅｅｘｔｒｕｄａｔｅ，ｔｈｅａｄｊｕｓｔｏｆｆｌｕｘａｎｄｔｒａｃｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙａｃｃｏｒｄｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｉｒｅｃｔｌｉｎｅａｒｒｅｌａｔｉｏｎ．Ｖ１上海交通大学博士学位论文ＡｌｔｈｏｕｇｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｗｉｔｈＰＴＴｖｉｓｃｏ—ｅｌａｓｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｗａｓｍｏｒｅａｃｃｏｒｄａｎｔｗｉｔｈｔｈｅｒｅａｌｉｔｙｔｈａｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｗｉｔｈＢｉｄｒ－Ｃａｒｒｅａｕｖｉｓｃｏｓｉｔｙｍｏｄｅｌ，ｂｕｔｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｗａｓｓｔｉｌｌｗｅａｋｌｙ．Ｉｎｒｅａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｆｏｒｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｐｒｏｆｉｌｅ，ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｄｓ，ｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅ，ｔｉｍｅａｎｄｃｏｓｔ，ｉｔｉｓｍｏｒｅｒｅａｌｉｔｙｔｏｕｓｅｖｉｓｃｏｓｉｔｙｍｏｄｅｌｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ｏｎｅＳｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇｔｈｅａｂｏｖｅｓｔｕｄｉｅｓ，ｏｎｔｈｅｈａｎｄ，ｕｎｉｔｉｎｇｗｉｔｈｆｌｕｘｂａｌａｎｃｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｄｉｒｅｃｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｅｗｗａｙｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇｄｉｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｓｅｔｕｐ．Ｏｎｔｈｅｏｔｈｅｒｓｅｔｕｐｈａｎｄ，ａｎｅｗｗａｙｏｆｉｎｖｅｒｓｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｅｔｏｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｓｈａｐｅｗａｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｒｅａｒｒａｎｇｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．ｃｒｏｓｓＭｏｒｅｏｖｅｒ，ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅａｄａｐｔｉｖｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｗｉｔｈｖａｒｉａｔｉｏｎａｌｓｅｃｔｉｏｎｗａｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｓｔｒａｉｇｈｔｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｗｉｔｈｓｉｎｇｌｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ，ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｆｏｒｍｅｒｗａｓｓｍａｌｌｅｒａｎｄｔｈｅｎｓａｖｉｎｇｅｎｅ逛ｌｙｃｏｎｓｕｍｉｎｇ·Ｉｍｐｏｒｔａｎｔａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｗｅｒｅａｃｑｕｉｒｅｄａｆｔｅｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｂｏｖｅｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｔｏｓｏｌｖｅｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｔｈｅｒｅａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ，ｆｒｏｍｓｏｌｖｉｎｇｖｕｌｃａｎｉｚａｔｉｏｎｏｆＥＰＤＭｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｎｓｉｄｅｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄ，ｔｈｅｐｌａｃｅｏｆｆｏｕｎｄ，ａｎｄｔｈｅｎａｖｕｌｃａｎｉｚａｔｉｏｎｗａｓｎｅｗｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ｔｏＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｌｕｘｂａｌａｎｃｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｎｅｗｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄＷａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｖｕｌｃａｎｉｚａｔｉｏｎ，ｈｉ曲ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｕｎｅｖｅｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｌｏｗｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｗｈｉｃｈＷａｓｕｓｅｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｉｎＶｌＩ摘要ｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｌｉｎｅ－－６ｏｆＳｈａｎｇｈａｉＳａｉｃ．－ＭｅｔｚｅｌｅｒＳｅａｌｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（４Ｓｃｏｍｐａｎｙ）．Ｔｈｅｓｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｔｕｄｙｉｎｇｏｆｔｈｉｓｐｒｏｊｅｃｔｈａｓｒｅａｃｈｅｄｔｈｅｒｅａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄｓｔａｒｔａｎｅｗｐｈａｓｅｓｏｆＣＡＥｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｐｐｌｉｅｄｉｎｒｕｂｂｅｒｅｘｔｒｕｓｉｏｎｆｉｅｌｄｉｎｄｏｍｅｓｔｉｃｒｕｂｂｅｒｓｅａｌｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｔｈｅｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋａｒｅｌｉｓｔｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ＷｉｔｈＣＡＥｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｏｆａｕｔｏｓｅｔｏｆｄｉｇｉｔａｌｄｅｓｉｇｎｉｎｇｗａｙｏｆｆｏｒｗａｒｄ，ｔｈｅｎｕｎｉｔｉｎｇｏｆｒｕｂｂｅｒｓｅａｌｗａｓｂｒｏｕｇｈｔＣＡＤ／ＣＡＭｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ３Ｃ（ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ）ｓｙｓｔｅｍｓｅｔｄｅｓｉｇｎｉｎｇ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｄｅｔａｉｌｅｄｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ１ａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｗａｓｔｈｅｆｏｌｌｏｗ５ｓｉｄｅｓ．ｕｐ．ＴｈｅａｒｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆＥＰＤＭｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓＦｒｏｍｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｖｉｓｃｏｓｉｔｙｍｏｄｅｌａｎｄｖｉｓｃｏ—ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｍｏｄｅｌｗｉｔｈｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔ，ｉｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔＥＰＤＭｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈａｓｈｉｇｈｖｉｓｃｏｓｉｔｙａｎｄｌｏｗｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｉｎｔｈｅｓｔｅａｄｙｓｈｅａｒｆｌｏｗｉｎｇｓｕｐｐｌｙｅｄｔｈｅｐｒｏｏｆｏｆｕｓｉｎｇｖｉｓｃｏｓｉｔｙｍｏｄｅｌｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄ．ＷｈｉｃｈＥＰＤＭｃｏｍｐｏｓｉｔｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄａｖｏｉｄｅｄｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｕｓｉｎｇｖｉｓｃｏ—ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｍｏｄｅｌ．２ＰｒｏｃｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｅｘｔｒｕｄｉｎｇｆｌｏｗｉｎｇｏｆｃｏｍｐｌｅｘｒｕｂｂｅｒｓｅａｌ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｗａｌｌｓｌｉｐ，ｆｌｕｘ，ｔｒａｃｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｗｅｌｌｉｎｇｗａｓｇａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｗａｓｕｓｅｆｕｌｔｏｉｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅｄｅｂｕｇｇｉｎｇｏｆｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．上海交通大学博士学位论文３ＤｅｓｉｇｎｏｆｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅＷｉｔｈｆｌｕｘｂａｌａｎｃｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｄｉｒｅｃｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｅｗｗａｙｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇｓｅｔｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｌｌｙｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓ’Ｓｓｉｚｅ，ｓｈａｐｅａｎｄｄｅｐｔｈｗａｓ４Ｄｅｓｉｇｎｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｌｉｐｕｐ．Ｗｉｔｈｖｅｌｏｃｉｔｙｒｅａｒｒａｎｇｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｄｉｒｅｃｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｉｎｖｅｒｓｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｄｉｅｌｉｐｅｘｐａｎｓｉｏｎ，ａｎｅｗｗａｙｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｌｌｙｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｌｉｐｏｆｒｕｂｂｅｒｓｅａｌｗａｓ５Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．ｔｈｅｖｕｌｃａｎｉｚａｔｉｏｎｉｎｓｉｄｅｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄ：ｓｅｔｕｐ．１）ＳｏｌｖｉｎｇＴｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｖｕｌｃａｎｉｚａｔｉｏｎａｒｅａｉｎｓｉｄｅｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄ，ｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄｕｓｅｄｉｎ４Ｓｃｏｍｐａｎｙ（ＨｕａｉａｉｌＳｕｂｓｉｄｉａｒｙ）ｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｖｕｌｃａｎｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍ．２）Ｄｅｓｉｇｎｏｆｎｅｗｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄ：Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｆｌｕｘｂａｌａｎｃｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｎｅｗｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄｗａｓａｎｄｕｓｅｄｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎｌｉｎｅ·－６ｏｆＳｈａｎｇｈａｉＳａｉｃ·－ＭｅｔｚｅｌｅｒＳｅａｌｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（４Ｓｃｏｍｐａｎｙ）ａｎｄａｃｑｕｉｒｅｄｇｏｏｄｒｅｓｕｌｔｓＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ａｕｔｏｓｅａｌｉｎｇｓｔｒｉｐｏｆｒｕｂｂｅｒ，Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌ，Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ＣＡＥｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＤｅｓｉｇｎｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅＩＸ符号说明符号说明刀流动指数粘度零剪切粘度极限剪切粘度与弹性相关的粘度剪切应力表观剪切速率松弛时间ｍ流动指数７仉ｒ／·粘度比复数粘度屈服应力与粘性相关的粘度玑，７００刁１ｆｆ０，７２Ｋ粘度系数密度频率７ｄｐ名国，，剪切速率活化能缈焓挤出胀大比复数模量损耗模量第二法向应力差粘性应力分量普适常数时间上随流时间导数下随流时间导数区域边界的法向量Ｅ，ＱＢ角速度储能模量Ｇ·Ｇ’Ｇ．’Ⅳｌ丁第一法向应力差二阶偏应力张量Ⅳｌ疋足正毛丁弹性应力分量参考温度ｆ温度损耗角正切压力旦互尘ｔａｎ６互刀一ｐＸ上海交通大学博士学位论文一１，熔体速度矢量切向力厶Ｐ法向力滑移指数加速度矢量可回复剪切魏森伯格数流体的切向速度应力分量牵引速度石｛Ｄ外力（体积力）矢量二阶形变速率张量德博拉数流体的法向速度壁面滑移速度流体的Ｚ向速度流量一口ＳＲ４哆％ＶＪＶ删虼Ｑｋ，％，～ＶｐｕｌｌＤｌ完全松弛后挤出物的盲释ＤＲ毛细管料筒的内径Ｌｏ毛细管长度毛细管（出口）的△ＰＥＮＴ总入口压力降弹性压力降出口压力降节点速度矢量Ｄｏ直径ＡＰＥＡＰｖ一Ｘ粘性入口压力节点坐标厶Ｒ咄“ＸＩ附件四：上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者答名夜乞办日期：砂啊年ｆｆ月ｌ》日附件五：上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在本论文属于年解密后使用本授权书。不保密回。（请在以上方框内打“√”）…一签名袁渺……：１日期：∥ｌ孵‘ｆ月ｔｌＥ１日期：勿渗１１月ＩＩＥｌ上海交通大学博士学位论文第一章绪论１．１研究背景汽车是人们日常工作生活中必不可少的交通运输工具，安全、舒适、经济是人们选择汽车的基本条件，橡胶密封条作为汽车中必不可少的零部件起着重要的密封连接作用，具有防水防尘、隔音防噪、隔震缓冲、美饰外观等功能。近些年来，随着新型汽车开发周期的不断缩短，越来越要求汽车零部件供应商如汽车密封条供应商能够和整车厂实行同步开发，在概念设计阶段就开始介入同步设计密封条，这就要求供应商具备相应的同步设计开发能力，不但要具备丰富的结构设计及验证能力，还需要有高效快速的生产制造能力。橡胶密封条是含多种化合物组分的聚合物复合材料，经过成型加工制得，挤出成型是最基本的成型方法之一，口模是挤出成型加工中的关键，对实现聚合物材料加工工艺要求、使用要求和外观造型要求起着不可替代的作用。对挤出成型的研究不外乎有以下两个方面：一是优化口模的口型及流道形状，即口模设计；二是优化挤出成型的工艺条件。无论是进行口模设计还是工艺优化，以往工业生产中往往采用“试差法＂，如图１．１所示，该方法的特点是要反复的修模，试模成本高，新产品试制周期长。随着截面复杂的密封条挤出制品的剧增、生产供货快速反应能力提高的要求及生产成本和废品日益降低的要求，该方法日益显出其局限性。橡胶熔体经过挤出机、机头和口模挤出成型是个复杂的流体动力学过程，也是个材料流变学过程，“试差法＂是难以准确把握其流动特性的。随着计算机技术的发展，数值模拟方法逐渐成为聚合物加工流动分析以及口模设计与优化的强有力的工具。计算机辅助设计（ＣＡＤ）与计算机辅助工程（ＣＡＥ）技术的快速发展，使得人们能够应用计算机来模拟口模中熔体的流动情况，预测挤出胀大行为，对口模实现数字化设计，如图１．２所示。用数字设计的口模在计算机上完成试模过程，可以减少第一章绪论盲目试模的实验次数，优化成型工艺条件，提升产品性能与质量、降低生产成本。国外已有很多学者将ＣＡＤ／ＣＡＥ技术应用于树脂、塑料、纤维等成型生产过程，领先于国内的研究水平，并已取得了很大的经济效益，代表了聚合物加工方法与技术的发展方向。然而，在橡胶产品挤出加工领域，尽管采用计算机模拟分析也是一个重要的研究方向，但离实际应用还有很大距离，针对结构复杂的汽车橡胶密封条的挤出模拟及其口模及流道结构设计分析的公开发表的文献更少。本课题研究的就是运用ＣＡＥ分析的方法模拟汽车橡胶密封条挤出过程，分析其内部速度、压力的变化及分布情况，合理优化挤出口型及挤出流道的结构，并通过实际产品的挤出加以验证，为ＣＡＥ分析在橡胶密封条生产实际中的应用工作提供指导，因此，开展本项目的研究对于促进橡胶密封件生产的技术进步具有重要的意义。图１．１挤出口模试差法设计过程流程图Ｆｉｇ．１．１Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｉｅｗｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆ‘＇ｔｒｉｆｌａｎｄｅ们，’２上海交通大学博士学位论文本课题来源于国家自然科学基金“十五＂重大项目０５课题《反应挤出中化学流变学与输送过程的研究》和上海汽车工业科技发展基金项目（０３１４）《汽车橡胶密封件挤出成型过程模拟ＣＡＥ分析技术研究》，针对复杂截面的橡胶密封件，系统地进行挤出成型模拟技术的研究。图１．２挤出口模的数字化设计过程流程图Ｆｉｇ．１．２ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｉｅｕｓｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆＣＡＤ／ＣＡＥ１．２橡Ｊｌ，交￥ｚｌ品挤出成型模拟的国内外研究现状天然橡胶和合成橡胶都是无定型的高聚物弹性体，具有很高的柔韧性和延展性，在加工成产品之前需要添加多种配合剂得到复合体（混炼胶），以改变其加工性能和３第一章绪论使用性能，使其容易加工成所需要的制品。混炼胶的流变性能对加工过程和最终的产品形状具有重要影响，数值模拟的基础之一就是混炼胶的流变性能及其本构模型，所以本部分内容将首先介绍混炼胶流变性能及其适用的流变模型的研究现状，然后论述橡胶产品挤出成型模拟研究现状。１．２．１混炼胶流变性能测试及其本构模型的研究现状合适的材料本构模型及其参数是进行ＣＡＥ分析的基础，即在ＣＡＥ分析之前，需要通过相关的实验测试出材料本身固有的应力一应变特性，并用合适的数学关系表达式及其参数进行表征，这就是材料的本构模型。挤出加工时橡胶熔体在外力作用下发生流动（剪切流、拉伸流），呈现流变特性，其流变性能（粘性、粘弹性）极其复杂并与温度、压力、组分等诸多因素有关［１］。在流变测试中，主要研究其粘性行为、弹性行为及活化能等，并用合适的粘性模型或粘弹性模型表征，只有采用了准确的材料本构模型及其参数，才能使ＣＡＥ分析的结果正确地反映橡胶的加工流动行为。ＬｉａｎｇＪｉｚｈａｏ（２００１）【２】采用毛细管流变仪测试表明ＮＲ／ＳＢＲ共混物的粘度对压力的敏感度与挤出速度、温度等因素有关。Ｎ．Ｃ．Ｎａｙａｋ［３］于２００２年采用孟山都加工性能试验仪（ＭＰＴ８３０７７）测量了丁腈橡胶和高苯乙烯树脂复合材料的流变性能，体系粘度和剪切速率的关系服从指数定律，并且受温度及组分的影响。ＫｒｉｓｈｎａＣｈ．Ｇｕｒｉｙａ（１９９８）［４］采用Ｍｏｎｓａｎｔｏ橡胶加工测试仪、Ａ．Ｋ．Ｍａｉｔｙ（１９９９）［５］采用ＰＬＶ－１５１Ｂｒａｂｅｎｄｅｌ＂Ｐｌａｓｔｉｃｏｒｄｅｒ（扭矩塑度计）、Ｃ．Ｓｉｒｉｓｉｎｈａ＆Ｗ．Ｓｉｔｔｉｃｈｏｋｃｈｕｃｈａｉ（２０００）［６】采用ＳＲ．２００锥板流变仪、ＰｒｅｍａｍｏｎｙＧｈｏｓｈ（２０００）【７】７采用Ｒｈｅｏｔｒｏｎ锥板流变仪分别对ＥＰＤＭ配方体系中发泡剂、硫化剂及碳黑填充剂对流变性能的影响作了测试分析，认为这些成分对配方体系的流变性能均有较大影响。另外一些学者如Ｎ．ＳＯＭＢＡＴＳＯＭＰＯＰ（１９９７－２００２）［８—１０】、ＥＤｉｍｉｅｒ（２００４）【１１］贝ＥＪ使用专门设计的可视式挤出流变仪，运用颜色标定法测试天然橡胶的流动性为，研究发现准备试验样品的塑炼条件（温度、时间、方法等）对橡胶熔体的流变性能也有很大影响。上述测试研究侧重的是材料组分、加工工艺等对橡胶流变性能的影响，可为挤出工艺４上海交通大学博士学位论文研究及配方研究提供参考，但并没有为ＣＡＥ分析提供所需要的材料特性及参数。与此同时，粘弹特性是橡胶熔体的重要流变行为，需要经过测试进行表征。对于橡胶粘弹性测试的仪器有门尼粘度计、塑性计和橡胶加工分析仪，用得最多最广的是美国阿尔法公司生产的姚０００橡胶加工分析仪，可用于频率扫描、应变扫描、温度扫描及硫化性能检测【１２．１７】，其作用主要是测试橡胶共混体系的加工性能、硫化性能及体系组分的影响，在工业生产检测上应用较广，但在模拟分析的材料流变性测试中的应用研究较少。本课题将在橡胶粘弹性能的测试中尝试采用新的仪器来研究。进行橡胶流变性能测试的目的是要采用合适本构模型来表征，包括纯粘性的本构模型及粘弹性本构模型［１８—１９］。ＡｎａＬｕｃｉａＮ．Ｓｉｌｖａ等（２００２）［２０］分别采用ＳＲ－２００锥板流变仪及Ｉｎｓｔｒｏｎ４２０４毛细管流变仪测试了低剪切速率及高剪切速率下ＥＰＤＭ／ＰＰ共混体的流变性能，其粘度与剪切速率关系符合Ｃｒｏｓｓ粘性模型。由于橡胶的实际流变行为比较复杂，在橡胶制品加工过程的计算机模拟研究中，如果采用粘弹性模型是能较真实的反映其流动行为的，但是由于采用粘弹性模型使得问题的非线性大大增加，数值求解非常困难，因此大部分学者都是采用简单的流变模型来近似模拟，如幂率模型、ＣＲＯＳＳ模型等［２１－２２］。至此出现的问题是采用纯粘性模型和粘弹性模型的结果差异有多大？它们和实际结果差异又有多大？仅仅采用纯粘性模型是否合理？以往的研究中在这些方面没有比较明确地说明，在本课题的模拟研究中将首先对此进行比较分析，以便为迸一步研究提供依据。１．２．２橡胶制品挤出成型模拟研究近十几年来出现的基于各种数值计算方法的流体力学计算软件极大的推动了对聚合物加工流动的研究，同时在橡胶制品挤出加工过程方面的仿真研究也得到了发展。下面对９０年代以来有关橡胶制品挤出成型的数值模拟方面的国内外研究现状进行分析。１橡胶制品挤出成型的数学模型研究第一章绪论一般橡胶熔体不可压缩，挤出流动速度并不高，可以假设流动为稳态层流，并在忽略质量力和惯性力等假设条件下建立口模挤出的数学模型。（１）求解域根据所研究问题侧重点的不同，数值计算时所选取的求解域也各不相同。在对口模挤出成型的数值模拟中，求解域的选取大致可归纳为如下两种方式：一种是仅以口模内部的流体作为求解对象，另一种是同时选取口模内部和外部的流体作为求解对象。为了充分研究熔体在口模内及挤出后的流动状态（如出口膨胀现象），一般都是考虑第二种求解域，但是其数学模型中必须考虑口模外部流体的自由表面，这在一定程度上增加了数值计算的难度。在橡胶密封条挤出模拟中，如何根据研究问题的要求和特点来选取合适的求解域，这在本课题的研究中也是首先要考虑的问题之一。在本文的研究中，根据分析问题的特点，选取了不同的求解域，在保证研究结果的准确性、完整性的同时，尽量减小计算量，以求得最佳的分析性价比。（２）边界条件如前所述，在同时计算口模外部的流动时，在口模外部流体的表面上需要设置自由表面的边界条件。在计算机模拟分析之前，自由表面的位置是未知的，只知道这个未知表面所满足的流体动力学条件。人们提出了不同的自由表面更新的算法［２３—２６］用于确定自由表面的位置及形状。目前大多数计算流体力学软件（如ＰＯＬＹＦＬＯＷ、ＦＩＤＡＰ等）已能自动求解这一问题。当橡胶挤出时橡胶熔体和流道内壁面之间的粘结力超过临界值时，将出现壁面滑移现象。壁面滑移现象是聚合物熔体粘弹性行为的重要特征之一，它不但在一定程度上影响挤出物的外观质量（如周期性的挤出物），而且是诱发不稳定挤出流动或熔体破裂（如鲨鱼皮）的重要起因，并由此限制了生产速度的进一步提高。因而自二十世纪３０年代初Ｍｏｏｎｅｙ提出壁面滑移的Ｍｏｏｎｅｙ模型以来［２７］，壁面滑移现象一直是聚合物流变学及其加工工程研究的热点和重点。１９９７年，梁基照［２８］对于橡胶在挤出口型流动中的壁面滑移方面的研究进展做了简要评述，认为壁面滑移的产生、发展和转型，与胶料的温度、流动速率及压力有关。Ｎ．Ｓｏｍｂａｔｓｏｍｐｏｐ等（１９９７）［２９］采用颜色示迹法通过毛细管挤出的实验观察，发现入口收缩流动的震荡是引起熔体６上海交通大学博士学位论文破裂的主要原因，而壁面滑移的作用并不明显。Ｄ．Ｂｅｎｏｕａｌｉｄ［２１］等通过测试ＥＰＤＭ橡胶在毛细管口模及缝隙口模中的挤出流动，判断壁面滑移发生的条件，同时应用Ｐｏｌｙｆｌｏｗ软件采用Ｎａｖｉｅｒ滑移模型进行分析验证，作者认为在低剪切速率下无滑移发生，在临界剪切速率下滑移发生且剪切应力保持常数，在高剪切速率下则产生滑移且近似满足Ｎａｖｉｅｒ滑移模型。吕静等（２００４）［３０］应用Ｐｏｌｙｆｌｏｗ模拟分析认为壁面滑移系数对两种聚合物共挤出的界面位置及挤出胀大均有明显的影响。Ｎａｖｉｅｒ滑移模型在聚合物挤出模拟中直接应用的比较多［３卜３２］，但对于如何确定滑移模型和滑移系数及其实验验证并没有详细的描述，而这对于模拟分析时正确的施加壁面边界条件是非常重要的，所以这将是本文将需要比较深入的研究的内容。在本文的研究中，首先是在简单口型的挤出模拟中，选取一系列滑移系数来计算橡胶挤出熔体的胀大情况，并与实测结果进行对比，从而确定出比较合适的滑移系数，用于结构更为复杂的橡胶制品的模拟分析。本文采用有限元法，通过ＰＯＬＹＦＬＯＷ软件完成全部的模拟计算，同时根据需要进行适当的二次开发，为运用ＰＯＬＹＦＬＯＷ软件进行橡胶密封条的挤出模拟应用分析建立了比较完善的方法和步骤。２橡胶制品挤出成型的模拟分析聚合物熔体经口型挤出后，挤出物的横截面通常会大于口型的横截面，称之为挤出胀大效应（Ｄｉｅｓｗｅｌｌ），又称为巴拉斯（Ｂａｒｕｓ）效应。聚合物熔体的挤出胀大效应，使得挤出物截面与口模截面不一致，这是口模设计困难的主要原因之一。挤出胀大变形是聚合物熔体挤出的重要特征，主要由两个因素引起，一是由于橡胶熔体在流道内流动时所受到的弹性变形在挤出口型内来不及回复，而在离开口型后要继续松弛回复，从而引起的弹性回复胀大［３３－３４］；另一方面是聚合物熔体离开口型后其横断面上的速度重分布而引起的变形［３５－３６］。对于粘弹性高聚物（如纯ＥＰＤＭ橡胶熔体），聚合物链的松弛回复是主要原因，相比之下，出口速度分布不匀引起的胀大往往可忽略。但对于ＥＰＤＭ混炼胶来说，由于其中混合了大量固体填料，其弹性性７第一章绪论能及加工性能得到很大改善，在低速挤出成型时，可以忽略其弹性而当作粘性流体处理，出口速度分布不匀引起的胀大效应是主要原因。橡胶制品通过挤出机和口模挤出成型，挤出产品状态和橡胶熔体在挤出流道中（俗称“暗箱”）的流动情况如压力、速度分布等有关，但由于挤出过程是在密闭的流道中进行的，所以流动状态是很难确切地被了解的。对于口型及流道结构较为简单的挤出行为，有的研究者采用解析计算并结合实验验证的方法来研究，如ＬｉａｎｇＪｉ—Ｚｈａｏ（２００３）［３７］采用球形坐标法计算了圆锥形流道口模挤出的压力降，并应用孟山都橡胶加工仪挤出验证，认为测试橡胶熔体符合幂率关系，理论计算和测试结果相符合。梁基照还在多篇论文中（１９９３’１９９７）［３８—４４］理论计算了混炼胶在短口型、长口型挤出中出口压力降、挤出胀大比、剪切应力等之间的关系，并通过毛细管流变仪进行挤出测试，理论计算和实测均有较好的一致性。涂志刚等（１９９９、２０００）［４５—４６］分析了缝型口模和圆环隙口模中聚合物熔体在不同流动区域的应力场以及受力历史对挤出物中残余应力的影响，并指出压缩段对熔体的流动有较大的影响，熔体在成型段中适当的停留时间可以减少挤出物中存在的较大残余应力，从而减小挤出胀大变形。解析法的缺点一是只适用于简单形状制品的流动分析，二是计算复杂且结果不能很直观明了的描述，实际应用不方便。随着数值方法和计算机软硬件技术的发展，人们开始采用有限元法来模拟聚合物熔体在流道中的流动过程，预先了解熔体的流动状态及各种参数的分布变化情况，从而可以更好的指导挤出过程中各种工艺参数的调试。Ｗａｎｇ等（１９９１）［４７］计算了幂律流体在缝隙口模和衣架型口模中的三维流动，分析了口模中速度曲线和压力降的分布。ＳｕＧ．（２００１）［４８］利用ＡＮＳＹＳ软件模拟分析了“Ｌ＂形片材口模中的压力分布。１９８５年到１９９２年Ｂｕｓｈ，Ｔｒａｎ－Ｃｏｎｇ，Ｅｌｌｗｏｏｄ和Ｌｏｇａｔ等［４９—５２］先后用不同的数值方法模拟了牛顿流体通过长宽比较大的矩形口模的三维挤出胀大。Ｗａｍｂｅｒｓｉｅ等（１９９２）［５３］用有限元法模拟了幂律流体通过矩形截面口模和圆形截面口模时的三维挤出胀大，探讨了不同密度的有限元网格对计算收敛性的影响。Ｄ．Ｂｅｎｏｕａｌｉｄ［２１］等应用Ｐｏｌｙｆｌｏｗ软件计算了ＥＰＤＭ橡胶（设为幂率流体）在毛细管口模及缝隙口模中的挤出流动，实验测试结果与计算结果比较一致，并指出该分析方法在橡胶密封８上海交通大学博士学位论文条挤出模拟中具有参考意义。朱敏等（２００３）［５４］应用Ｐｏｌｙｆｌｏｗ软件及Ｃａｒｒｅａｕ材料模型模拟分析了一种简单形状橡胶密封条的直流道和非直流道挤出流动，并与实际产品比较，认为非直流道的结果更为合理。王刚等（２００５）［５５］采用Ｐｏｌｙｆｌｏｗ分析牵引速率对ＥＰＤＭ密封条挤出过程的影响时，也是考虑ＥＰＤＭ橡胶熔体为Ｂｉｒｄ－ｃａｒｒｅａｕ纯粘性模型，认为牵引速率对密封条的挤出形状有很大的影响。上述研究的模型结构相对较为简单，材料模型也都考虑为纯粘性模型（牛顿模型、幂率模型、Ｂｉｒｄ—ｃａｒｒｅａｕ模型），而实际上橡胶制品如橡胶密封条的断面结构一般都比较复杂，橡胶熔体材料还具有粘弹特性。粘弹模型的计算由于受到高Ｗｅｉｓｓｅｎｂｅｒｇ数的制约，计算过程很难收敛甚至不收敛，而且计算时间很长，其流动分析要困难得多，目前还没有较理想的数值方法来解决高Ｗｅｉｓｓｅｎｂｅｒｇ数的三维流动问题，所以公开发表的文献很少。本课题将在材料实验和材料模型分析的基础上，对结构较为复杂的ＥＰＤＭ橡胶密封条的挤出流动及出口胀大进行详细的模拟研究，分析边界条件、牵引速率及流量等工艺条件对挤出的影响，并比较纯粘性模型和粘弹模型的差异，为橡胶密封条的挤出加工提供指导。１．２．３挤出口模设计分析聚合物熔体通过口模挤出后形成产品，口模及流道形状对实现聚合物材料加工工艺要求、使用要求和外观造型起着不可替代的作用。通常从两个方面来分析以保证挤出产品的形状，一是优化挤出成型的口型形状和流道形状；二是优化挤出成型的工艺条件。无论是优化口模还是优化工艺条件，在传统工业生产中往往采用“Ｔｒｉａｌａｎｄｅｒｒｏｒ’’的方法，需要反复的修模和试模。这种方法的成本高，新产品试制周期长。对于复杂截面异型材如汽车橡胶密封件等产品的挤出，试差法日益显出其局限性，极大的制约了各企业的发展。在聚合物异型材挤出的发展过程中，利用试差法人们对口模的设计总结出了许多经验方法［５６—６０］，如周志宏［６１］总结了在轿车橡胶密封条挤出口型设计中的一些技巧及值得注意的问题。应用ＣＦＤ软件进行口模设计的实质是将试模和修模的过程在计算机上完成。相９第一章绪论对于传统试模过程的“暗箱＂操作，计算机上的试模过程能将口模中熔体的流动状态透明化，为工程人员提供整个流场中每一点的速度、压力、温度、应力等各种信息。根据这些信息在计算机上进行修模，直到口模流道的形状能完全符合要求，再进行实际生产的检验。因此，利用ＣＦＤ软件进行口模设计时，也必须通过人为的分析和取舍才能达到最优化设计。对于口模设计的数值模拟方面的研究，从可查阅到的公开发表的文献来看还处在初期阶段，特别在我国，这方面的研究更少，这些研究多是采用各种数值方法或应用各种流体力学计算软件在广义牛顿流体的等温的条件下设计简单口模的结构，如Ｔ型口模、衣架型口模和鱼尾型口模等［６２—６５］。在对流道设计方面，ＨｕｒｅｚＰ．（１９９１）［６６］指出，在异型材口模的有限元设计中，当口模的流道形状变化不大且入口角不超过３００时，充分发展流动的假设是合理的。涂志刚（１９９９）等［４５－４６］采用数值解析法分析了缝型口模和圆环隙口模中聚合物熔体在不同流动区域的应力场以及受力历史对挤出物中残余应力的影响，认为成型区的加长可以增加松弛时间和减小回复弹性形变，但会使口模压力损失增大，所以最佳的流道结构是压力损失与可回复弹性形变优化的结果。Ｃａｒｎｅｉｒｏ０．Ｓ．（２００１）［６７］利用有限体积法，根据流动平衡原理对一截面类似于十字形的异型材口模进行了计算机辅助设计，其设计方法为，将口模流道从入口到出口分为四段——即接合段、过渡段、收缩段和平直段，以临界剪切应力和最大压差作为控制条件，逐段进行设计。这些研究对橡胶挤出流道的设计具有一定指导意义，但并未得到具体的可用于实际操作的流道结构形式及设计方法，本文在这方面将展开详细的研究，并提出几种实用的流道结构。上述对流道结构的研究是根据挤出流动状态来进行分析，即正向分析法；如果能够通过模拟计算自动得到所需要的挤出口型和流道，即逆向设计分析法［６８］，则对生产实际将具有更为有益的指导作用，这是对传统口模设计方法的革命性的创新。由于受到数值方法、计算机软硬件的限制，口模逆向设计方面的研究很少，１９９７年Ｎｇｕｙｅｎ－ＴｈｉｅｎＴ．［６９］利用边界元方法对一截面复杂的具有非线性粘弹性的异型材进行了反向挤出计算，给出了口模直流道的截面形状。ＲｕｂｉｎＹｖｅｓ（１９９８）［７０］利用ＰＯＬＹＦＬＯＷ软件模拟了含有金属插件的横截面类似于“Ⅱ＂字形的汽车型材在口模直ｌＯ上海交通大学博士学位论文流道中的等温挤出过程，研究了使用不同聚合物材料（ＰＶＣ、ＥＰＤＭ、ＨＤＰＥ和ＡＢＳ）和不同操作工艺条件时对反向计算的口模模唇形状的影响。Ｙ．Ｒｕｂｉｎ（１９９８）［２２］及ＪａｍｅｓＦ．Ｓｔｅｖｅｎｓｏｎ（２００３）［７１］都提出可以采用逆向计算的有限元模拟方法来进行橡胶制品的挤出口模设计，但都没有使用相关实际产品加以计算及验证，说明该设计方法具有很大的难度，离实际应用还有很大距离。对于复杂截面橡胶挤出产品的口型及流道的逆向设计，更是没有公开发表的文献涉及到，而汽车橡胶密封条作为橡胶挤出制品中应用量最大、断面最复杂的产品，其挤出口模的逆向模拟分析如果能够进行更深入的研究并得到应用的话，将具有非常重大的意义，本课题将在这方面进行重点研究。综上所述，在聚合物挤出加工模拟分析中，人们在聚合物材料试验测试、挤出胀大、流道设计等方面做过许多研究工作，但主要还是局限于粘性流体及简单口型的分析中，对于实际应用还难以体现其指导价值。橡胶产品是工业应用中非常广泛的一类化工产品，挤出加工是其主要的成型方式，但是对于橡胶复合材料的流变性能分析、复杂截面橡胶产品的挤出分析及其口型流道设计方面的研究还很少，在这方面是值得进行比较系统的研究的，为橡胶挤出工业生产提供指导作用，并解决实际生产中所遇到的问题。１．３研究意义、目的、内容及创新点１．３．１研究意义本课题的研究为橡胶产品的挤出加工过程提供了～种数值仿真分析的方法，应用这种技术，可以通过虚拟的方法了解橡胶熔体的挤出流动状态，分析其过程参数，优化工艺控制参数；可以优化挤出模具及其流道结构，提高产品调试能力和精度，减少模具调试时间和成本，结合ＣＡＤ／ＣＡＭ可以实现模具的自动化加工和生产，形成３Ｃ（ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ）技术平台，从而整体提高生产企业技术等级，增强企业竞争力。第一章绪论因此，本课题的研究具有非常显著的现实应用意义，同时也为其它类材料（如塑料、纤维等）的挤出加工提供借鉴。１．３．２研究目的１了解橡胶密封件材料（ＥＰＤＭ橡胶）的流变性能，确定适用的本构方程，建立流变参数的表征分析方法；２研究橡胶材料在挤出口模内流动与出口胀大过程的数学模型、壁面滑移边界条件与模拟分析技术，通过对汽车橡胶密封条挤出过程的模拟及试验验证，建立一套合理的密封条挤出过程的计算机模拟分析方法；３进行正向模拟和逆向模拟技术研究，建立橡胶密封件挤出模具ＣＡＤ／ＣＡＥ数字化分析和设计技术，指导橡胶密封件挤出机头和口模的设计。４运用计算机模拟技术，解决实际生产上存在的一些问题。１．３．３研究内容根据前面分析的橡胶产品挤出模拟的研究现状及其发展方向，本论文着重在如下几个方面展开了研究：ｌＥＰＤＭ混炼胶流变性能的测试研究采用ＲＨ７—２双筒毛细管流变仪和Ｇｅｍｉｎｉ２００平板旋转流变仪测试研究了ＥＰＤＭ混炼胶的粘弹性流变行为，对线性粘弹性、非线性剪切、拉伸流动、蠕变回复、屈服应力等性质进行表征，研究其在流动过程中剪切粘度与剪切速率的关系曲线，同时研究温度、压力的影响，挤出胀大比与剪切速率、口型尺寸等的关系。２ＥＰＤＭ混炼胶熔体挤出流动本构模型及滑移模型的选择根据橡胶粘弹特性及ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出特点，分别拟合选择使用了Ｂｉｒｄ—Ｃａｒｒｅａｕ纯粘性模型和ＰＴＴ粘弹性模型进行对比分析，并确定出合适的本构模１２上海交通大学博士学位论文型。同时通过挤出胀大模拟和试验结果的对比，选择了Ｎａｖｉｅｒ滑移模型，并确定了合适的滑移系数，为后续的实际密封条挤出模拟研究奠定基础。３汽车橡胶密封条挤出过程模拟研究对复杂结构的汽车橡胶密封条的挤出过程进行模拟分析，研究了壁面滑移、流量和牵引速度（牵引力）对挤出胀大、挤出速度及压力分布的影响，这对实际的挤出工艺参数的调试具有重要指导意义。另外还对比分析了Ｂｉｒｄ－Ｃａｒｒｅａｕ粘性模型和ＰＴＴ粘弹性模型对挤出胀大的影响，发现当存在牵引速度或牵引力时，最终挤出物因弹性回复而产生的胀大变形远小于因牵引速度或牵引力而引起的拉伸收缩变形，所以两种模型的最终挤出产品大小是基本相同的。这个结果对于实际橡胶密封条挤出的模拟分析具有重要的实际意义，说明可以不考虑弹性的影响而仅考虑粘性模型。４汽车橡胶密封条挤出口型及流道的设计（１）根据流量平衡原理，结合正向模拟技术，建立了一套进行口模流道设计的方法；此外，着重分析了入口收缩流道和阻尼块流道两种结构对挤出状态的影响。最后通过实际产品的挤出进行验证。（２）结合逆向分析技术，建立了一套进行口模流道口型逆向设计的方法，并通过实际验证。５橡胶密封条挤出过程模拟的应用根据本课题研究过程中所得到分析方法和结论，应用于实际橡胶密封条的挤出加工模拟中，解决生产中的实际问题。（１）小机头流道优化设计企业引进的小机头在实际使用中出现了压力过大现象，通过计算机模拟来优化其流道，以降低挤出压力。（２）机头焦烧问题分析及其改进企业使用的老机头经常发生胶料焦烧问题，影响挤出产品质量。通过计算机模拟来分析其流动过程，了解熔体流动速度、压力分布状态，找出产生焦烧的区域，从而优化其流道结构。（３）新式结构机头设计１３第一章绪论通过模拟分析优化设计一种新型结构的机头，使其胶料熔体压力分布、出口速度分布更均匀，并且消除易产生焦烧的“死角”区域，以提高挤出产品质量和效率，并最终替代现有老结构机头。（４）橡胶密封条挤出口型逆向设计分析的应用运用得到的口型逆向设计方法，以某典型结构密封条的挤出口型及流道的设计为范例，并通过实际试验验证。１４上海交通大学博士论文第二章ＥＰＤＭ橡胶流变性能的测试研究２．１引言橡胶密封件是由共聚物与多种添加剂组成的复合体系（以下简称为橡胶）经过挤出加工成型而得。橡胶在高温下软化，但其流动性较差，而且受温度影响较大。为了方便起见，本文把高温下软化后可以流动的橡胶称为橡胶熔体。橡胶熔体在挤出口模及流道内的流变特性是影响挤出物形状及性能的最主要因素，所以对橡胶熔体流变性能的测试研究具有非常重要的意义，也是进行计算机模拟的基础。目前适合于橡胶流变性能研究的测试仪器并不多，所以针对橡胶的流变性能的测试研究比较少。工业生产中用于橡胶流变加工性能分析的仪器主要有孟山都橡胶加工分析仪Ｍｏｎｓａｎｔｏｐｒｏｃｅｓｓａｂｉｌｉｔｙｔｅｓｔｅｒ（ＭＰＴ）、ＲＰＡ２０００橡胶加工分析仪及其它一些针对研究需要而专门设计的分析测试仪器，但是这类测试仪器主要适用于橡胶材料加工性能分析方面，在橡胶制品生产企业使用较多，而在橡胶材料流变行为的理论基础研究方面的应用还较少。本章采用塑料流变研究中常使用的ＲＨ７—２双筒毛细管流变仪和Ｇｅｍｉｎｉ２００平板旋转流变仪测试研究ＥＰＤＭ混炼胶的流变行为，通过对型号为ＥＰＤＭ６０、ＥＰＤＭＴＯ、ＥＰＤＭ８０三种不含硫化体系的混炼胶进行流变性能测试，对线性粘弹性、非线性剪切、拉伸流动、蠕变回复、屈服应力等性质进行表征，研究其在流动过程中剪切粘度与剪切速率的关系曲线，同时研究温度、压力的影响，挤出胀大比与剪切速率、口型尺寸等的关系。此外，本文还针对在应用毛细管流变仪进行橡胶的挤出流变测试中出现过的“异常挤出胀大’’现象进行详细的分析，找出产生原因，该问题的分析对于橡胶的挤出流变测试过程及流变仪的设计制造具有重要的指导意义。１５第二幸ＥＰＤＭ橡胶流变性能的测试研究２２ＥＰＤＭ橡胶流变性能测试２２１试验简介ｌ试验设备（１）毛细管流变仪图２．１ＲＨ７—２鼠料筒毛细管流变仪Ｆ毽．２ｌＲｏｓａｎｄＲＨＴ－２ｃａｐｉｌｌａｒｙ’ｒｈｃｏｍｃｔｃｒ实验仪器采用英国ＲＯＳＡＮＤ公司制造的ＲＨ７．２型双料筒毛细管流变仪（如图２．１所示）．浚仪器的主要技术指标：剪切速率为１００～１０６ｒ１。柱塞速度ｓ１０００ｍｍｌｍｌｎ，测试温度范围为室温ｑ００℃。利用该仪器研究聚合物的剪切粘度、拉伸粘度以及挤出胀大比。本实验剪切速率范围为１００～５０００ｓ＂１，采用的毛细管规格为２０：１、１０＿、４：１、２０：０温挤出试验。（２）旋转流变仅实验仪器为英国Ｂｏｈｌｉｎ公司生产的Ｇｅｍｉｎｉ２００旋转流变仪（如图２２所示）。旋５、１０：０５和２：０５，分别在１２０℃、１４０℃、１６０＂（２下进行等上海交通走学博士论吏转流变仪依靠旋转运动来产生简单剪切流动，可以用来快速确定材料的粘性、弹性等各方面的流变性能。旋转流变仪通过一对夹具的相对运动来产生流动，引入流动的方法有两种：一种是驱动一个夹具，测量产生的力矩，称为应变控制型，即控制施加的应变，测量产生的应力；另一种是施加一定的力矩，测量产生的旋转速度，称为应力控制型，即控制施加的应力，测量产生的应变。实际用于粘度等流变性能测量的几何结构有同轴圆筒、锥板和平行板等。这三种测量系统分别适用于不同的测量场合。对于本文中所研究的ＥＰＤＭ混炼胶，由于其具有高模量，熔体粘度高，所以采用平行板来测量各种流变曲线。平行板具有的优点是：适用粘度范围宽：间距可调节；用小间距可产生高剪切速率；可做成一次性夹具。缺点则是：应变、剪切速率随径向位置而变。图２．２Ｇｅｍｉｎｉ２００旋转流童仪Ｆｉｇ．２．２Ｇｅｍｉｎｉ２００ｌ＿ｃ，ｔａｔｉｏｎａｌｒｈｅｏｍｅｔｏ＇旋转流变仪的操作模式一般包括稳态模式、瞬态模式和动态模式。稳态模式使用连续的旋转施加应变来得到恒定的剪切速率，当流场达到稳态后，测量所产生的应力。动态模式中，施加的是振荡的应变，测定所产生的应力。瞬态模式测量的是材料对瞬问施加的应变、应变速率或应力的响应。但对于不同的旋转流变仪，其具体的模式又有不同【７２】。２实验材料第二章ＥＰＩ）Ｍ橡胶流变性能的测试研究在实际生产中，用于挤出成型的胶料为含有硫化体系的终炼胶。在挤出成型过程中，成型温度约为１００℃～１６０℃，熔体在流道内停留时间不长，基本不发生硫化，对胶料的流变性能影响不大。因为终炼胶中硫化体系含量少，对胶料流变性的影响较小，为了避免在毛细管挤出过程中胶料熔体产生硫化而损坏仪器及影响流动性，本章中对三种不含硫化体系的混炼胶进行了流变性测试及比较，按照碳黑含量的增加，型号分别为ＥＰＤＭ６０、ＥＰＤＭ７０、ＥＰＤＭ８０，分别在１２０℃、１４０℃和１６０℃三个温度下进行等温实验。ＥＰＤＭ６０、ＥＰＤＭ７０、ＥＰＤＭ８０的配方体系中除碳黑含量不同外，其它配方组分基本相同。碳黑含量对胶料弹性、粘度及硬度均有影响，ＥＰＤＭ６０、ＥＰＤＭ７０、ＥＰＤＭ８０分别指各配方体系的邵氏硬度为６０±５度、７０±５度和８０±５度，这是汽车橡胶密封条实心胶使用的最主要的三大硬度体系。２．２．２实验结果与分析ｌ线性粘弹性的表征线性粘弹性反映了材料最基本的粘性和弹性性质，通过线性粘弹性可以确定材料的松弛时间谱。线性粘弹性的确定通常采用在旋转流变仪上的动态频率扫描模式。ＥＰＤＭ混炼胶具有一定的弹性，采用动态频率扫描研究其线性粘弹性行为时，应力或热历史对线性粘弹性具有一定影响。因此，在实验开始之前必须对材料进行退火，以消除应力和热历史。按照以下所列的实验步骤进行实验，所得到实验结果有良好的重复性。对ＥＰＤＭ进行动态频率扫描的实验条件为：扫描频率范围（Ｏ．０１～１０）Ｈｚ，温度分别为１２０。Ｃ、１４０。Ｃ和１６０。Ｃ，施加应变为５％，处于线性粘弹范围之内。具体的实验步骤如下：（１）将胶料在开炼机上开炼１０分钟，薄通数次，并打三角包。然后经高温平板硫化机压片，在１８０。Ｃ、１２ＭＰａ压力下，热压１０分钟，再冷压５分钟，厚度为１毫米，然后剪成直径２５ｍｍ的圆片。．１８上海交通大学博士论文（２）（３）（４）将旋转流变仪预热至恒定的实验温度。将制好的样片放入平行板夹具中，保温１５ｍｉｎ。设置实验采用的间距（１ｍｍ左右）。设置间距时可能会产生很大的法向应力，因此间距的设置需要逐步完成。（５）（６）间距达到设定值后，保温足够长的时间，以使法向应力完全松弛。进行应变（或应力）幅度的扫描，得到动态模量与应变（或应力）幅值的关系，确定线性粘弹区。选择线性粘弹区中的一个应变（或应力）作为下一步频率扫描的应变（或应力）。（７）进行频率扫描，得到动态模量与频率的关系。图２．３为纯ＥＰＤＭ、ＥＰＤＭ６０、ＥＰＤＭ７０、ＥＰＤＭ８０四种胶料体系在１２０＂（２下的应变扫描曲线，频率为０．１Ｈｚ。在较小的应变幅度下，四种胶料的模量曲线出现平台区，即储能模量不随应变变化或变化很小，此区域也称为线性粘弹区，而且随着碳黑含量的增加，平台区也不断减小，ＥＰＤＭ８０的平台区最短；而当应变超过一定值时，储能模量会随着应变变化而急剧下降，此区域也叫非线性粘弹区，而且随着碳黑含量的不同，储能模量发生急剧变化的临界应变值也不同，碳黑含量越高，临界值越小，这是后面进行频率扫描的依据。填充橡胶体系的弹性模量依赖于应变的变化表明体系存在Ｐａｙｎｅ效应，另外填充物含量越高，Ｐａｙｎｅ效应越明显。在图２．３中，本文选定线性区的应变０．０５％，作为后面频率扫描的应变值。图２．４表示了橡胶储能模量随温度、填料含量、频率的变化关系。图中显示，频率增大，橡胶的储能模量随之增大。由于施加频率增大，即橡胶达到既定应变的速度加快，导致橡胶在形变过程中内部积累的应力不断增大，从而表现出储能模量增大。温度的升高使得橡胶内部热运动加剧，组分间的作用力下降，因而橡胶的储能模量下降。填料含量对橡胶储能模量的影响较为明显。一方面，填料粒子为刚性不可形变粒子，由于流体力学相互作用使得橡胶的储能模量增大：另一方面，橡胶基体与粒子间的相互作用以及粒子本身的结构性使得一部分橡胶紧紧吸附在颗粒表面而无法运动，１９第二章ＥＰＤＭ橡胶流变性能的测试研究从而增加了粒子的有效体积分数。当然，随着填充物含量逐渐增加，上述两方面的作用对橡胶模量的贡献也是不断增大的。图中，ＥＰＤＭ８０的填料含量最高，其储能模量比另外三种胶料的模量大很多。墓ｉ呈暑Ｅ吕要∞Ｙ图２．３１２０＂Ｃ下纯ＥＰＤＭ与三种ＥＰＤＭ复合胶的储能模量随应变幅度变化的关系Ｆｉｇ．２．３ＳｔｏｒａｇｅｍｏｄｕｌｕｓＧ’ｖｅｒｓｕｓｓｔｒａｉｎｆｏｒｔｈｅｆｏｕｒＥＰＤＭｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｔ１２０１２上海交通大学博士论文图２．４四种胶料储能模量Ｇ’（丁，仍印）与温度ｒ，焓量伊，频率国的变化关系Ｆｉｇ．２·４ＯｂｓｅｒｖｅｄｖａｒａｔｉｏｎｓｏｆｓｔｏｒａｇｅｍｄｕｌｕｓｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＧ’（ｒ，仍国）ｏｆｇ啪ａｎｄＥＰＤＭ６０，７０，８０ｃｏｍｐｏｕｎｄｃｏ．Ｔ，ｆｉｌｌｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ９，ａｎｄｓｈｅａｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ａ）１２０＂Ｃ，（ｂ）１４０＂Ｃ，（ｅ）１６０＂Ｃ．对于损耗模量来说，与弹性模量有相同的变化趋势，参见图２．５。填充物含量越高，橡胶在外加形变过程中的能量损耗就越大。２１ｇ＿－章ＥＰＤＭ橡胶流变性能的测试研究善ｂ詈堇墨善善言Ｄｖｎａｍｉｃｓｈｅａｒｆｒｅｏｕｅｎｃｖｍ（ｒａｄ／ａ＇富ｄ）；ｏＤｙｎａｍｉｃｓｈｅａｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍ（ｍｄ／ｓ）Ｄｙｎａｍｉｃｓｈｅａｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ∞（ｒａｄＪｓ）图２．５四种胶料的损耗模量Ｇ”（ｒ，伊，功）与温度ｒ，焓量伊，频率国的变化关系Ｆｉｇ．２．５ＯｂｓｅｒｖｅｄｖａｒａｔｉｏｎｓｏｆｌｏｓｓｍｄｕｌｕｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＧ”（丁，９，ｃｏ）ｏｆｇｕｍａｎｄＥＰＤＭ６０，７０，８０ｃｏｍｐｏｕｎｄｓｗｉｔｈＴ，ｆｉｌｌｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ矽，ａｎｄｓｈｅａｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ缈（ａ）１２０＂Ｃ，（ｂ）１４０＂Ｃ，（ｃ）１６０＂Ｃ．上海交通大学博士论文在温度１２０℃、１４０＂（２、１６０＂（２－１ｚ，复数粘度刁。（∞）曲线如图２．６所示。随着频率的增加，四种胶料的粘度相应降低。填充颗粒越多，体系内部发生形变所受到的摩擦阻力就越大，因而复数粘度就越大。不过总的来说，温度对四种胶料粘度的影响不是太明显。墓≤置善藿＇奢墓占图２．６四种胶料的复数粘度∥。（丁，伊，彩）与温度ｒ，焓量妒，频率仍的变化关系第二章ＥＰＤＭ橡胶流变性能的测试研究Ｆｉｇ．２．６Ｏｂｓｅｒｖｅｄｖａｒａｔｉｏｎｓｏｆｄｙｎａｍｉｃｓｈｅａｒｖｉｓｃｏｓｉｔｙｒ／＊（丁，缈，ｃｏ）ｏｆｇｕｍａｎｄＥＰＤＭ６０，７０，８０９，ａｎｄｓｈｅａｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ缈ｃｏｍｐｏｕｎｄｓｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＴ，ｆｉｌｌｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ（ａ）１２０℃，（ｂ）１４０＂Ｃ，（ｃ）１６０℃．２非线性剪切性质的表征（１）稳态剪切粘度橡胶挤出过程中的剪切速率范围比较宽，因此稳态剪切粘度与剪切速率的关系需要通过三种测试方法来完成：旋转流变仪的动态频率扫描和稳态剪切速率扫描，以及毛细管流变仪挤出实验。（ａ）动态频率扫描：测量复数粘度与振荡频率的关系。如果Ｃｏｘ．Ｍｅｒｚ规则成立，则复数粘度也可用于表示粘度与剪切速率的关系。（ｂ）稳态剪切速率扫描：测量稳态剪切粘度随剪切速率的关系。但是不能用于高的剪切速率（实验中样品会甩出）。（ｃ）毛细管流变仪：可用于测量高剪切速率下的剪切粘度。结合旋转流变仪的结果可以给出很宽剪切速率范围内的剪切粘度。与旋转流变仪相同，在毛细管流变实验中，在开始挤出之前，需要一定时间的退火过程，以使材料所受到的应力和热历史完全松弛，这样才能得到重复性良好的实验结果。图２．７给出了ＥＰＤＭ６０在１４０℃下的剪切粘度与剪切速率的关系。复数粘度与稳态剪切粘度（旋转流变仪）差别很大，说明Ｃｏｘ．Ｍｅｒｚ规则不适用。这是由于稳态剪切后材料内部结构发生了变化，ＥＰＤＭ复合物粘度大幅度下降。旋转流变仪测量的稳态剪切粘度与毛细管流变仪测量的粘度趋势一致，可以采用幂率模型进行描述。实际产品挤出成型过程中的流动与毛细管流变仪中的流动类似，此时ＥＰＤＭ的粘弹性能与发生了改变的内部结构相对应。２４上海交通大学博士论文邑夸至茸；§Ｓｈｅａｒｒａｔｅ（Ｉ／ｓ）图２．７Ｆｉｇ．２．７ＥＰＤＭ６０在１４０＂Ｃ下的剪切粘度与剪切速率的关系ＳｈｅａｒｖｉｓｃｏｓｉｔｙｖｅｒｓｕｓｓｈｅａｒｒａｔｅｏｆＥＰＤＭ６０ａｔ１４０。Ｃ善运富壹一邂节薹饕铉东骞露篓量霰图２．８三种ＥＰＤＭ在１６０＂Ｃ和２００＂Ｏ＂１＝剪切粘度与剪切速率的关系Ｆｉｇ．２．８ＳｔｅａｄｙｓｈｅａｒｖｉｓｃｏｓｉｔｙｖｅｒｓｕｓｓｈｅａｒｒａｔｅｏｆＥＰＤＭ６０ａｔ１６０。Ｃａｎｄ２０００Ｃ图２．８给出了三种ＥＰＤＭ橡胶熔体在不同温度下剪切粘度与剪切速率的关系。从图中可以看出，ＥＰＤＭ熔体具有较高的粘度，“剪切变稀＂显著。因此增加流场的剪切作用，可以降低ＥＰＤＭ材料的加工粘度，改善加工性能。温度升高，材料的粘度下降，但下降幅度很小，亦即这种材料粘度对温度并不敏感。随着剪切速率的第二章ＥＰＤＭ橡胶流变性能的测试研究增大，粘度线性下降，即ＥＰＤＭ混炼胶具有“幂律＂流动行为，可以用指数定律等粘性本构方程描述其流变性能。（２）第一法向应力差用旋转流变仪做稳态剪切速率扫描，在得到稳态剪切粘度的同时，可以得到第一法向应力差，它可以表示测量的非线性弹性行为。ＥＰＤＭ６０在１４０℃下的第一法向应力差与剪切速率的关系显示在图２．９中。从图中可以看出，虽然ＥＰＤＭ６０具有一定的弹性（第一法向应力差不为零），但是第一法向应力差比粘性剪切应力小一个数量级，可以认为在流动过程中，粘性是占主要因素的。因此，在实际挤出成型流场中的材料可近似地当作粘性流体，采用粘性流变方程描述。当然，如果采用粘弹性流变方程进行计算模拟，有可能得到更加接近实际的结果或解释某些现象。ｉ８＝耋善勺器∞８耋墓星专量暑￡＝ｏ；ＳｈｅａｒｒａｔｅＯ／ｓ）图２．９ＥＰＤＭ６０在１４０℃下第一法向应力差（Ｎ１）、剪切应力与剪切速率的关系Ｆｉｇ．２．９Ｔｈｅｆｉｒｓｔｎｏｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ（Ｎ１），ｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓｖｅｒｓｕｓｓｈｅａｒｒａｔｅｏｆＥＰＤＭ６０ａｔ１４０＂Ｃ（３）蠕变回复蠕变回复实验是对材料施加一定的剪切应力，使材料发生形变；在一定时间后，除去施加的应力，发生形变的材料会产生一定的回复。可回复形变越大，则说明材上海交通大学博士论文料的弹性越大。图２．１０显示了ＥＰＤＭ６０在１４００Ｃ下的蠕变回复曲线，施加应力为１０５砌，蠕变时间５分钟，松弛回复１０分钟。可以看出ＥＰＤＭ６０的回复非常小，说明这种材料主要是以粘性为主，弹性较微弱。舍冬。酲＇一０１００２００３００４００５００６００７００８００９００１０００Ｔｉｍｅ（ｓ）图２．１０Ｆｉｇ．２．１０ＥＰＤＭ６０在１４０．《２下的蠕变回复曲线ＴｈｅｃｒｅｅｐｉｎｇａｎｄｒｅｃｏｖｅｒｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆＥＰＤＭａｔ１４０＂Ｃ（４）拉伸流动性质的表征在挤出口模中，橡胶经历了强烈的收缩流动，其中在收缩流动区域有很强的单轴拉伸流动。直接测量拉伸粘度非常困难，这里采用Ｃｏｇｓｗｅｌｌ方法用毛细管流变仪来测量拉伸粘度。ＥＰＤＭ６０在不同温度下的拉伸粘度与拉伸速率的关系显示在图２．１１中。与剪切粘度相同，拉伸粘度也有强烈的拉伸变稀行为，而且拉伸粘度也是随温度的上升而下降。第二章ＥＰＤＭ橡胶流变性能的测试研究贫￡堂∞§三詈·呈量笛Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｌｒａｔｅ（１／ｓ）图２．１１ＥＰＤＭ６０在不同温度下拉伸粘度与拉伸速率的关系Ｆｉｇ．２．１１ＥｘｔｅｎｓｉｏｎａｌｖｉｓｃｏｓｉｔｙｖｅｒｓｕｓｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｌｒａｔｅｏｆＥＰＤＭ６０ａｔ１４０＂（２ａｎｄ１６０＂Ｃ（５）屈服应力图２．１２屈服应力在不同温度下随碳黑填充量的变化关系Ｆｉｇ．２．１２ＹｉｅｌｄｉｎｇｓｔｒｅｓｓｖｅｒｓｕｓｃａｒｂｏｎｂｌａｃｋｆｉｌｌｅｒｓａｔｌＯＯＴ，１２００Ｃ，１４０＂Ｃａｎｄ１６０℃上海交通大学博士论文图２．１２显示了屈服应力随温度、碳黑填充量的变化关系曲线。可以看出，一定温度下，屈服应力随着碳黑填充量的增加而增大，说明随着碳黑粒子的增多，粒子与粒子、粒子与大分子间的作用力增强，那么材料发生大形变所需要的临界应力也随之增大。而一定碳黑填充量下，屈服应力随着温度的增大而减小，这是由于温度的升高，碳黑聚集体，大分子链以及碳黑颗粒产生剧烈的热运动，那么在较高的温度下，以较小的应力就可以使碳黑聚集体网络破坏，进而橡胶发生较大的形变。（６）时温叠加对于热流变流体来说，某一温度下的松弛时间可以由参考温度的松弛时间通过一个移动因子来得到，这样就可以通过时温叠加原理来表示粘弹性材料在任意参考温度下的主曲线（Ｍａｓｔｅｒｃｕｒｖｅ）。应用此原理可以得到如下稳态剪切粘度：，７（ｒ，户）：卫口ｒ巧（瓦，昕夕）（２．１）其中：ａｒ是水平移动因子，岛和ｔｏ分别是温度瓦时的密度（ｇ／ｍ３）和剪切应力（Ｐａ），ｐ和ｆ分别是温度为丁时的密度（ｇ／ｍ３）和剪切应力（Ｐａ）。听对温度的依赖性可以用Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ或ＷＬＦ方程来描述：Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ方程：劬＝ｅｘｐ『［．里Ｒ『，ｋ！Ｔ一专］］（２—２）ｗＬＦ…ａｒ＝ｅｘｐ［一蒜焉］其中：巨是活化能（ＫＪ／ｍ０１），Ｒ是普适常数，ｑ和ｑ是常数（Ｋ）。（２－３）第二章ＥＰＩ）Ｍ橡胶流雯性能的测试研究图２．１３ＥＰＩ）Ｍ６０、ＥＰＤＭＴ０．ＥＰＤＭ￥０的水平移动固干Ｆｉｇ２１３ＨｏｒｉｚｏｎｔａｌｍｏｖｉｎｇｆａｃｔｏｒｏｆＥＰＤＭ６０．ＥＰＤＭＴ０ａｎｄＥＰＤＭ９０图２．１３显示了ＥＰＤＭ６０、ＥＰＤＭＴＯ、ＥＰＤＭｇＯ在四个温度下的诉，在参考温度为１２０＂ＣＴ，分别用Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ和ｗＬＦ方程拟合诉曲线，由此看出ＷＬＦ方程拟合的结果更理想。曼”｝；１０ｔ笔喜，ｏ’：姜ＩＯ‘曲化Ｃ的竹计造卓８”１１，ｓ）螂堋啦山ｔｌＰａ）困２Ｆｉｇ２１４１４１２０＇Ｃ下ＥＰＤＭ６０．ＥＰＩＸ～（２Ｑ．ＥＰＩＣ４８０的主曲线ＭａｓｔｅｒｃａｖｅｏｆＥＰＤＭ６０．ＥＰＤＭ７０ａｎｄＥＰＤＭ８０ａｌ｜２０Ｃ上海交通大学博士论文考虑到ＥＰＤＭ填充胶中存在屈服应力，采用Ｈｅｒｓｃｈｅｌ．Ｂｕｌｋｌｅｙ模型的时温叠加原理可表示为：玎留，户）：．写三』≥尘＋群七（瓦）尹一一－ｊ了（２．４）其中墨是垂直移动因子，品＝ｆ０（％（瓦）。图２．１４显示了三种ＥＰＤＭ橡胶的流变主曲线。用Ｈｅｒｓｃｈｅｌ－Ｂｕｌｋｌｅｙ模型拟合应力曲线效果比较理想，且在一定剪切速率下，碳黑含量越高，剪切应力就越大。同样发现ＥＰＤＭ８０的流变行为相对于ＥＰＤＭ６０、ＥＰＤＭ７０有较大的差别，而ＥＰＤＭ６０、ＥＰＤＭＴ０的剪切应力的增长明显快于ＥＰＤＭ８０。２．３ＥＰＤＭ未硫化橡胶流变性能的讨论２．３．１未硫化橡胶胶料粘度的影响因素ｌ炭黑的用量、粒径和结构性等对未硫化橡胶粘度的影响当橡胶加入炭黑聚结体之后会逐渐形成炭黑胶团，橡胶分子链与炭黑粒子之间有化学的、物理的作用，形成不稳定的三维炭黑一橡胶网状结构。由于橡胶与炭黑之间的相互作用，一个炭黑粒子表面可要吸附好几条分子链，形成分子链间的缠结点，阻碍了分子链的运动和滑动，所以胶料粘度增大。当炭黑量增大时，炭黑与橡胶之间的相互作用增强，缠结点增多，流动阻力增大，故粘度增大。当炭黑用量一定而粒径减小时，由于粒子数增多表面积增大，炭黑与橡胶之间的相互作用增强，流动阻力增大，因而粘度也增大。当炭黑结构性增高时，吸留橡胶增多更加阻碍分子链的滑动，胶料粘度增大。２填充补强剂对未硫化胶料剪切变稀性的影响。填充后的胶料比不填充的非牛顿指数１１的值要小，填充程度越高，填充补强剂的活性越大，则ｎ值越小。第二章ＥＰＩ）Ｍ橡胶流变性能的测试研究３软化增塑剂对未硫化胶料粘度的影响。软化增塑剂与未硫化胶料粘度之间的定量关系，常用的是Ｋｒａｕｓ提出的公式［７３】ｒ／兰ｒ／ｏｑ‘４式中：ｒ／ｏ一加入软化增塑剂前胶料的粘度；７７一加入软化增塑剂后胶料的粘度；Ｃ。一胶料中橡胶所占的体积百分数。（２．５）由上式看出，在一定范围内软化增塑剂用量越多，软化增塑效果越大，则胶料的粘度越小，流动性越好。根据胶料生产厂家提供的资料，活性炭黑约占３０％，软化增塑剂约占２０％，可以初步推测胶料的粘度很大，非牛顿指数ｎ的值较小，剪切变稀性比较强。２．３．２炭黑填充的未硫化橡胶胶料的弹性众所周知，在橡胶工业生产中，天然橡胶必须在加入炭黑或其它填充补强剂之后方可制造成产品。一方面可以提高产品的强度，另一方面用炭黑等补强填充剂可降低橡胶的弹性，改善物料的挤出性能，特别是能够降低口模处膨胀率和挤出物畸变。理论解释主要有炭黑的稀释作用及“吸留橡胶”和“结合橡胶”的理论。稀释作用是指炭黑用量增加，炭黑体积分数增加，橡胶相体积分数减少，即造成挤出膨胀的“橡胶相＂相对的减少，所以挤出膨胀比降低。一般炭黑都是由若干个炭黑粒子在炭黑生成过程中熔结成聚结体的，炭黑聚结体具有三维空间不规则结构，粒子之间有空隙。结构性高的炭黑，聚结体的体积大，空隙率高，它在混入橡胶之后，在这些空隙中必然塞入橡胶。这种在炭黑聚结体空隙中塞入的不能移动的橡胶称为“吸留橡胶＂（ｏｃｃｌｕｄｅｄｒｕｂｂｅｒ）。据Ｐｌｓｋｉｎ和Ｔｏｋｉｔａ报道【７４】吸留胶层厚度为５０＂－＇６０埃，约为炭黑粒径的十分之－Ｎ五分之一。炭黑结构性越高，吸留橡胶的量也就越大，相应的引起弹性复原的“自由橡胶＂就越少，３２上海交通大学博士论文从而降低了弹性。由于炭黑粒子小，表面积大，易于与橡胶通过范德华力产生物理吸附作用。又由于炭黑的表面活性和化学性质，有许多活性点，有可能与橡胶通过化学吸附作用而形成“结合橡胶＂。高结构炭黑在混炼时受到较大的剪切作用而断裂，产生活性很大的新表面，可与炼胶时产生的橡胶自由基结合，而形成网状结构的炭黑凝胶，这也是结合橡胶。可以认为，结合橡胶也是“吸留’’的。吸留橡胶和结合橡胶的形成均使未硫化胶的弹性降低。实际上由于加入了高结构活性炭黑后，在一定的切应力下挤出膨胀比的减小量，比从炭黑本身的体积分数所预计的减小量要大得多，即比稀释作用大得多。所以活性炭黑对挤出膨胀的限制作用不仅仅是稀释作用，而且还有吸留橡胶作用。在实际生产过程中，未硫化的橡胶胶料由螺杆输送进入口模，在旋转螺杆的混炼作用下，未硫化胶料中部分高分子链发生断裂，胶料的分子量减小，分子量分布变宽，因此，经过螺杆混炼后进入口模的未硫化胶料的弹性会进一步降低。根据胶料生产厂家提供的资料，活性炭黑约占３０％，因此吸留橡胶的量比较多，相对的引起挤出膨胀的自由橡胶的量减少，此外，炭黑优先吸附高分子量级分，所有这些原因都将引起炭黑填充的未硫化胶料的弹性降低。从而解释了由实验数据得到的结论，在实际的加工条件下，未硫化胶料的流动可以看成粘性流动。我们可以忽略未硫化胶料的弹性，选用纯粘性模型来描述未硫化胶料。２．４ＥＰＤＭ橡胶挤出胀大测试研究２。４．１挤出胀大实验条件利用图２．１所示的毛细管流变仪进行ＥＰＤＭ６０的挤出实验。在１２０。Ｃ、１４０。Ｃ和１６０＂（２－－个温度下分别进行等温挤出实验，试验用的毛细管规格分别为２０＂１、１０＂０．５和４＂１，三者的长径比Ｌ／Ｄ分别为２０、２０和４，实验剪切速率范围：１００—５０００ｓ一。３３第二章ＥＰＤＭ橡胶流变性能的测试研究２．４．２挤出胀大实验结果定义胀大比Ｂ：哆云，Ｄｌ为完全松弛后挤出物的直径大小，Ｄｏ为毛细管（出口），一０的直径，另外料筒的内径Ｄｘ＝１２ｍｍ。在距离毛细管出口ｌＯＯｍｍ处采用激光扫描方式观测材料的挤出胀大现象，测量挤出物直径大小，用来研究材料的松弛与弹性变形，同时为数值模拟提供实验数据。ｌ温度对挤出胀大比的影响测试图２．１５（ａ）￣（ｂ）分别为采用２０＂１规格和４＂１规格的毛细管时在不同温度下的挤出胀大比和剪切速率的关系的试验结果。图示表明通过同一规格毛细管挤出时，挤出胀大比随着剪切速率的增加而增加，但其增长趋势存在一个转折点九，在少。以内增加最快，随后增加变缓，九与毛细管长径比工Ｄ／风有关，Ｌｏ／Ｄｏ越大，则户。越大。温度较高时挤出胀大比增加的比温度较低时快。剪切速率增加表明挤出速度增大，熔体在毛细管内停留时间变短，入口产生的弹性变形在毛细管内流动时回复越小，在出口后挤出胀大就越大。三Ｄ／风越大，即使更高的挤出速度也能保证熔体的停留时间，所以转折点九越高。１．１ｅ∞‘１１５：；善¨４；毫孔ａ１．１２专墨０ｔ０００２０００Ｓｈｅｅｔ３０００４０００５０００ｒａｔｅ。伪’’（ａ）（ｂ）图２．１５挤出胀大比与剪切速率及温度的关系Ｆｉ醇．１５Ｒａｔｉｏｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｗｅｌｌｉｎｇｖｅｒｓｕｓｓｈｅａｒｒａｔｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（ａ）２０·ｌ（ｂ）４·ｌ３４上海交通大学博士论文２毛细管长径比三Ｄ／风对挤出胀大比的影响测试图２．１６（妒（ｃ）分别为１２０＂Ｃ、１４０＂Ｃ和１６０＂０－－个温度下的挤出胀大比与毛细管长径比关系的测试结果。图示表明，在任何温度、任何剪切速率下随着长径比的增加，挤出胀大比都减小，表明毛细管越长，熔体在入口区形成的弹性形变得到更多的松弛，而且在温度越高、长径比越大的情况下，熔体挤出胀大比越接近，说明弹性形变已回复的差不多，入口区的影响已不明显，此时，挤出胀大主要来自于毛细管内稳定剪切流动造成的分子拉伸与取向及出口速度重分布。ｍｍ懈御懈伽鬯墨号暑趸懈懈懈厶砌１ｅ１８麓摹１０１２牡厶以Ⅺ（ａ）（ｂ）鼍毒害葛萎２４６８１０１２／．ａ／Ｄ＃１４１０１８２０兹（ｃ）图２．１６挤出胀大比与毛细管长径比三ｏ／Ｄｏ的关系Ｆｉｇ．２．１６ＲａｔｉｏｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｗｅｌｌｉｎｇｖｅｒｓｕｓＬｏ｝ＤＱ（ａ）１２０．１Ｃ，（ｂ）１４０＂Ｃ（ｃ）１６０℃３５第二章ＥＰＤＭ橡胶流变性能的测试研究３料筒直径与毛细管直径比喀／玩对挤出胀大比的影响测试图２．１７为１６０＂Ｃ下料筒直径与毛细管直径比ＤＲ／Ｄｏ对挤出胀大比影响的测试结果。图示表明ＤＲ／Ｄｏ越大，挤出胀大比越大。这表明出口区的胀大与入口区的流动状态密切相关，ＤＲ／Ｄｏ越大，入口区的拉伸变形越大，从而使挤出胀大增大。昙耋粤弯薹图２．１７挤出胀大比与ＤＲ／Ｄ的关系（１６０＂Ｃ）Ｆｉ９２．１７ＲａｔｉｏｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｗｅｌｌｉｎｇｖｅｒｓｕｓＤＲ／Ｄｏ（１６０＂Ｃ）挤出胀大实验说明ＥＰＤＭ混炼胶挤出时发生胀大现象，其胀大程度在３０％以下。影响挤出胀大的因素非常复杂，而且相互作用，这是由于大量无机填料的作用，挤出过程入口区大分子的拉伸、剪切等弹性形变，稳定流动区的弹性回复，出口的速度重分布，固体颗粒对大分子的吸附、阻碍，等都会影响胀大程度，而这一切又与温度、剪切速率有关。２．４．３挤出胀大现象分析３６上海交通大学博士论文１．产生挤出胀大现象的原因ＥＰＤＭ６０在毛细管中的流动可分为三个区域：入口区、完全发展的流动区与出口区。ＥＰＤＭ６０从直径宽大的料筒经挤压通过有一定入口角的入口区进入毛细管，然后从出口挤出，其流动状况发生巨大变化。入口区附近物料有明显的流线收敛现象，对刚刚进入毛细管的物料的流动产生较大影响。物料在进入毛细管一段距离之后得到充分发展，成为稳定的流动。在出口区附近，由于约束消失，聚合物熔体表现出挤出胀大现象，流线又随之发生变化。产生挤出胀大现象的原因归结为三个方面：一、由于橡胶熔体在收缩入口区域受到强烈的拉伸变形，贮存了弹性能，这种弹性形变在熔体经过毛细管时得到部分松弛、回复，若至出口处尚未完全松弛，则表现为口模外的继续松弛，即挤出胀大；二、熔体在毛细管内流动时，大分子链在剪切流场作用下发生拉伸与取向，这部分弹性能也将在挤出后松弛。三、由于橡胶熔体的高粘性，在毛细管里挤出流动时熔体和管内壁之间存在粘滞力，壁面处熔体速度极小，甚至为零，而熔体中心速度最大，截面速度分布为抛物线形。当熔体离开口模时，由于壁面约束消失，断面各点挤出速度要重新分布而达成一致，中心速度减小，周围速度增加，促使熔体产生横向位移而引起胀大变形。２．影响挤出胀大的因素影响挤出胀大的因素主要有工艺因素、口模构型和物性参数。（１）工艺因素（ａ）剪切速率当其它的参数不变时，挤出胀大比随剪切速率的增加而增大，并在发生熔体破裂的临界剪切速率之前有一极大值，其原因是当剪切速率高时，相应缩短了熔体弹性能在口模中的松驰时间，当然当剪切速率增加时，温度升高也是导致胀大比增大的主要原１羞１１７５—７６１。（ｂ）温度３７第二章ＥＰＤＭ橡胶流变性能的测试研究由于挤出胀大比依赖于聚合物的粘弹性，而粘度就是温度的函数，所以胀大比很大程度上依赖于温度。一般来说，在低剪切速率时，温度低，粘弹性就高，胀大比就大；反之，胀大比就小。（ｃ）入口压力对于粘弹性流体，总的入口压力降（ＡＰｓＮｒ）Ｉ由粘性入口压力降（ＡＰｖ）和弹性压力降（ＡＰＥ）求得（△ＰＥⅣｆＡＰｖ＋ＡＰＥ）。对于聚合物熔体，ＡＰｖ远小于△如，因而ＡＰｓＮ－ｒ，贝ＩＪ主要由熔体的弹性表征。实验研究表明，胀大比Ｂ随ＡＰＥＮｒ的增加而增加，且近似呈线性关系［３８－３９，７７】：Ｂ＝Ｂｏ＋Ｋ·址ｋ（２－６）式中Ｂｏ和Ｋ为待定系数。（ｄ）松驰时间胀大比随熔体在口模内停留时间呈指数地减小，这主要由于在停留期间每个体积单元所引起的弹性变形得到逐步的恢复，使正应力有效的减小的结果［７８１。Ｂ一玩＝（岛一玩）ｅＸｐ（一缸）（２－７）式中：卜通过口模所需时间；风、Ｂ∞－表示时间０及无穷长时间Ｂ值；卜衰减速率常数。（２）口模构型（ａ）口模长径比￡Ｄ，Ｄｏ对于长径比有很多研究者做了实验，而且涉及有圆形、矩形等规则截面。一般认为，胀大比随着长径比的增大而减小，然后逐渐趋于平缓（见图２．１８）。当长径比变小时，收敛入口处的弹性储能增加，则弹性恢复主要是由入口处的拉伸弹性形变引起的。然而当成型段足够长时，弹性储能将最后完全消除，挤出胀大主要是由口模流动中剪切变形所致［４０—４１１。３８上海交通大学博士论文ｌｏ８Ｉ２４Ｌ：ｌ■６Ｉ■２ｌ田８ｌＯ２０３０Ｌｏ／Ｄｏ图２．１８胀大比Ｂ与长径比“Ｄｏ的关系Ｆｉｇ．２．１８ＲａｔｉｏｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｗｅｌｌｉｎｇｖｅｒｓｕｓＬｏ／Ｄｏ（ｂ）口模入口角度当口模入口角Ａ小于临界入口角时，胀大比随Ａ增加而减小，反之随Ａ的减小而增加。另外，熔体从狭缝口模中挤出的膨胀比圆管的大【７９】，由此可见，挤出口模的截面几何形状对出口胀大有非常大的影响［４２，８０］。（３）物性参数挤出胀大很大程度上取决于物性参数，而且对于聚合物而言，物性参数主要包括其化学结构、分子量、分子量分布、支化程度、配方（如含胶率、填充剂、增塑剂）等。这些对挤出胀大的影响程度是各不相同的。如分子量大，可塑度小，则胀大比小，分子量分布宽，胀大比大。而且分子量分布对挤出胀大的影响比分子量更大。除了以上主要因素外，ＹＳａｓａｋｉ【８１］研究了惯性和重力对挤出胀大的影响，认为重力将减小胀大比。而且值得指出的是挤出胀大并不是出口即达最大值，而是有延时效应［８２１，对于弹性和非弹性材料，其胀大过程各不相同。３异常挤出胀大现象及其产生原因３９第二章ＥＰｌ３１４橡腔流变性能古寺洲试研究ＥＰＤＭ混炼胶是典型的枯弹性材料，在口彤挤出流动中呈现出复杂的流动行为，其中弹性行为（口彤膨胀、不稳定流动或熔体破裂）尤为突出。从上述试验测试结果可知，正常稳定的挤出物的胀大量在３０％以内，而且表面光洁。然而在实验过程中，当使用２＊０５规格的口模挤出时，产生了异常挤出胀大现象，其最终挤出物状态参见图２１９所示，毛细管出口直径为０．５ｍｍ，而得到的挤出物直径却达到６～８ｍｍ，而且表面粗糙，分析其原因，发现和两个因素有关：１）小直径的短口型毛细管结构；２）毛细管流变仪本身的结构，见图２．２仉固２１９异常挤出胀走样品示意图Ｆｉｇ２１９Ｐｉｃｔｕｒｅｏｆａｂｎｏｍｌａ］ｅｘｔｒｕｄａｔｅｂｙｔｅｓｔ熔体在从圆形毛细管口模中挤出后，由于断面上各部位的弹性恢复量可能不一样（这与分子结构、口模表面光洁度等有关）。会导致出口截面各部位的变形不一样而产生弯矩和扭矩，从而产生弯曲及扭转现象，其弯曲和扭转程度与口形直径有关。对于相对大的出口直径（如４·１）来说，出口熔体重力太，弯矩还不足以使熔体弯曲后粘贴在出口套筒内壁，所以在挤出的初始阶段挤出熔体会产生震荡，但随着挤出熔体的增加（重力增加），挤出会变得稳定。但对于比较小（如２＊０，５）的出口直径束说，由于挤出物重力不足以克服弯矩力（特别在挤出初始阶段），使得挤出熔体会发生弯曲从而粘贴到口模壁，导致挤出熔体在出口套简内形成一团并充满出口套简上海交通大学博士论文内，随着挤出物的增加及挤出速度的增加，挤出力也增加，直径达到６ｍｍ的挤出熔体团被排出并继续膨胀，最后在可视区所见到的挤出物的直径达到（乒８）１１１ＩＩｌ，而且表面粗糙。１２１１２霪荔００．５＼＼，，慧蕙耄图２．２０Ｆｉｇ．２．２０ａ６溜【Ｉ慧凶籍曰ｋ妻可视区．ＲＨ７－２毛细管流变仪下部出口区剖面示意图Ｃｕｔｖｉｅｗｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙｒｈｅｏｍｅｔｅｒａｔｅｘｉｔｓｅｃｔｉｏｎ另外从挤出速度角度也可以验证上述关于挤出物在出口套筒内发生卷曲缠绕现象的解释。如图２．２０所示，料筒半径ｒｌ＝６ｒａｍ，２＊０．５的毛细管半径ｒ２＝Ｏ．２５ｍｍ，在１６０℃挤出时，压杆下压速度为ｖｌ＝３０ｍｍ／ｍｉｎ，按照体积守恒（体积流量相等）的原则，从毛细管挤出的速度ｖ２－－ｖｌ＊ｒｌ＊ｒｌ／（ｒ２＊ｒ２）＝１０８０ｍｍ／ｍｉｎ。如果熔体在出口套筒内不发声卷曲缠绕，则在可视区测得的挤出速度也应该为ｖ２，但是实际上测得的挤出速度为ｖ３＝７４ｍｍ／ｍｉｎ，与正常挤出相差太大。按照体积守恒（体积流量相等）的原则，半径ｒ３＝√‘２．＇，ｌ／ｖ３＝３．８２ｒａｍ，与实际测得的挤出物直径６－－８ｍｍ吻合，所以，挤出物在出口套筒内发生缠绕堆积成团的解释是合理的。从上述分析可知，对于ＥＰＤＭ橡胶这种高粘弹性熔体来说，采用小直径的短口型毛细管流变仪进行挤出试验是不合适的。４１第二章ＥＰＤＭ橡胶流变性能的测试研究２．５ＥＰＤＭ６０橡胶熔体挤出流动本构方程的选择及参数的计算由上述２．２节中对橡胶流变性质的分析，得到在稳态剪切条件下，ＥＰＤＭ材料的第一法向应力差小于剪切应力，而且蠕变回复８ｌｉｄ，，这说明在稳态流动条件下，材料的弹性比较弱。此外判断材料的粘弹特性还可以通过可恢复剪切Ｓ，来衡量，即Ｓ，可作为本构模型选型的依据，其定义为：ｓ，＝端式中，Ⅳｌ为第一法向应力差，％为稳态剪切应力。（２－８）当母＜＜１时，可作为粘性流体对待；反之，Ｓｒ越大，弹性作用越强【１９】。Ｓｒ的计算可根据经验公式砌玎ｅ，．方程【８４】（端卜圳．１）６一·】式中，Ｂ为挤出胀大比。∽９，本课题挤出实验及生产验证中使用的主要为ＥＰＤＭ６０橡胶熔体，其挤出温度在１２０＂（２左右。下表２．１为ＥＰＤＭ６０橡胶熔体在１２０＂Ｃ时通过２０＂１的毛细管的挤出胀大比（参见图２．１５（ａ）），由此可计算得到相应的Ｓ，值。表２．１ＥＰＤＭ６０的挤出胀大比Ｂ和Ｓ，与剪切速率变化Ｔａｂｌｅ２．１ＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆＢａｎｄｓ，ｗｉｔｈｓｈｅａｒ９６１．１３９Ｒａｔｉｏｏｆｄｉｅｓｗｅｌｌ（Ｂ）Ｏ．７２Ｓｒ０．７７０—８２０．８３０．８５０．８６Ｏ．８７３８４１．１４４ｒａｔｅｆｏｒＥＰＤＭ６０４８００１．１５５Ｓｈｅａｒｒａｔｅ（ｓ＂１）９６０１．１４９１９２０２８８０１．１５３３８４０１．１５ｌ１．１５４在实际挤出加工过程中，胶料从口模挤出的剪切速率大致在０－－一５００ｓ‘１范围内。４２上海交通大学博士论文由表２．１可知，在这一剪切速率范围内Ｓ，均小于ｌ，说明在该剪切速率范围内的流动过程中弹性效应较弱，可以近似地采用纯粘性模型做简化处理。另外，图２．７的ＥＰＤＭ６０在１２０。Ｃ下的剪切粘度与剪切速率的关系，说明该材料具有明显剪切变稀特性。根据附录介绍的几种本构模型，可以将ＥＰＤＭ６０橡胶熔体看成是广义的牛顿流体，在本课题研究中，主要是以Ｂｉｒｄ．Ｃａｒｒｅａｕ模型来模拟ＥＰＤＭ６０橡胶熔体的流变特性的。图２．２１为实验测得的ＥＰＤＭ６０橡胶熔体在１２０＂Ｃ下的剪切粘度与剪切速率关系曲线及其Ｂｉｒｄ－Ｃａｒｒｅａｕ模型拟合曲线，图中的实验数据由两部分组成，低剪切速率下的粘度是在ＢｏｈｌｉｎＧｅｍｉｎｉ２００ＨＲ型旋转流变仪上测定的，而高剪切速率下的粘度是在ＲｏｓａｎｄＲＨ７．２型毛细管流变仪上测定的。从图中可以看出Ｂｉｒｄ．Ｃａｒｒｅａｕ模型可以很好地拟合较宽剪切速率范围内的剪切粘度与剪切速率的关系，拟合后得到的参数为７７。２１．７５×１０５Ｐａ，ｒ／。＝２０ｐａ，见＝１４ｓ，疗＝０．７。Ｂｉｒｄ．Ｃａｒｒｅａｕ模型为：ｒ／＝ｒ／ｍ＋（％一洲１＋彬厂（２．１０）为了了解ＥＰＤＭ橡胶挤出中弹性的影响，本课题研究中还比较了采用ＰＴＴ粘弹性模型计算的结果，由此进一步验证采用粘弹性模型的合理性和可行性。采用的ＰＴＴ粘弹型模型为：ｅｘｐ［鲁护（ｉ）］·盂＋Ａ［（·一善）手ｔ＋喜争ｔ］＝２仉万拟合后参数见下表２．２。表２．２Ｔａｂｌｅ２．２ｃ２···，ＰＴＴ模型材料参数ＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＰＴｒｍｏｄｅｌ九ｌｆｌＯ２４００００Ｔ１ｒＯ．５￡＜ｌ０．８４３第二章ＥＰＤＭ橡胶流变性能的测试研究ＳｈｅａｒＲａｔｅＩｓ。１】图２．２１橡胶熔体在１２０＂（２下的剪切速率一剪切粘度关系实验曲线及其Ｂｉｒｄ－Ｃａｒｒｅａｕ拟合曲线Ｆｉｇ．２．２１ＳｈｅａｒｖｉｓｃｏｓｉｔｙｖｅｆＳｔｌｓｓｈｅａｒｒａｔｅａｎｄｔｈｅｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅｏｆＢｉｒｄ－Ｃａｒｒｅａｕｍｏｄｅｌｏｆｒｕｂｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅａｔ１２０＂Ｃ２．６小结填充ＥＰＤＭ橡胶是一种高填充复合材料，通过旋转流变仪和毛细管流变仪在不同温度下，动态和稳态剪切条件下的实验可以比较全面地表征其结构与流动行为。由于ＥＰＤＭ材料的结构与流动行为有密切关系，在不同的流动历史下，材料的结构可能完全不同。因此，为了得到重复性和可靠性较高的实验结果，在实验过程中的条件控制至关重要。上海交通大学博士论文动态实验反映了材料在接近平衡态条件下的流变行为。从实验结果可以看出，在小振幅的动态剪切流场下，ＥＰＤＭ材料的储能模量大于其损耗模量，说明材料以弹性响应为主，表现为类固体的行为。在稳态剪切条件下，ＥＰＤＭ材料的第一法向应力差远小于剪切应力，而且蠕变回复极小，这说明在稳态流动条件下，材料的弹性很弱，可以忽略。在不同温度下的实验表明，温度对ＥＰＤＭ橡胶的粘度影响并不显著。通过毛细管挤出胀大实验，发现剪切速率、毛细管的长径比、料筒直径与口模直径比都对胀大比有影响。因为这些因素会影响熔体在毛细管内的停留时间及橡胶分子弹性变形能的松弛回复程度，从而影响其胀大比。根据ＥＰＤＭ６０橡胶熔体的流变曲线采用Ｂｉｒｄ－Ｃａｒｒｅａｕ粘性模型进行拟合，发现两者比较吻合，说明ＥＰＤＭ６０橡胶熔体的粘性强、弹性弱。此外，拟合计算得到了相应的参数，为进一步的计算研究提供依据。４５第三章ＥＰＤＭ橡胶通过简单口型挤出过程的模拟研究及其实验验证第三章ＥＰＤＭ橡胶通过简单口型挤出过程的模拟研究及其实验验证３．１引言为了掌握ＥＰＤＭ橡胶挤出成型数值模拟的规律，本章以第二章使用的毛细管口模挤出过程和矩形ＩＳｌ模挤出过程为研究对象，运用ＰｏｌｙｆｌＯＷ软件对ＥＰＤＭ６０橡胶在口模中的流动特性和挤出胀大现象进行模拟研究，并将计算与实测结果进行比较分析，为复杂口模挤出成型的数值模拟提供借鉴。毛细管挤出是最简单的挤出过程之一。毛细管收缩流动具有轴对称性，简化即为收缩流场。这种几何结构简单的流场包括了加工过程中聚合物熔体的诸多流场信息，有拉伸主导区、剪切主导区、涡流区等，因此研究毛细管挤出过程可以验证模拟技术的准确性，以及本构方程参数选择是否合适。由于矩形口模的流道形状规则，如绪论所述，大多数研究者利用矩形口模的挤出成型研究流体的挤出胀大现象和口模设计规律，因此，本章也以矩形口模的挤出成型来研究ＥＰＤＭ６０橡胶的挤出胀大现象。３．２毛细管挤出过程模拟分析及其实验验证３．２．１毛细管挤出胀大测试１实验设备本实验设备同第二章一样，参见图３．１（ａ）和图３．１（ｂ），测试温度为１２０＂（２。上海交通大学博士学位论文‘曲０１２（ｂ）图３．１Ｆｉｇ．３．１ＲＯＳＡＮＤ毛细管漉变仅ｈ）图片；（ｂ）纵断面示意图ＲＯＳＡＮＤｃａｐｉｌｌａｒｙｒｈｅｏｍｅｔｃｒ（ａ）ｐｈｏｔｏ（ｂ）ｖｅｒｔｉｃａｌｓｅｃｔｉｏｎ第三章ＥＰＤＭ橡胶通过简单口型挤出过程的模拟研究及其实验验证２挤出胀大测试如第二章所述，定义胀大比曰：Ｄ么，ＤＩ为完全松弛后挤出物的直径，Ｄｏ为毛，ｕｑ细管（出口）的直径。本研究中Ｄｌ即为距离毛细管出口１００ｍｍ处挤出物的直径，采用仪器自带的激光测量仪测量。ＥＰＤＭ６０在１２０℃下从２０＂１的毛细管中挤出后的挤出胀大比与流量的关系见图３．２（参见图２．１５（ａ）），测试表明，挤出胀大比随挤出速度的增加而增大，其胀大比为１．１３５～１．１５５。其中Ｑ＝１０ｍｍ３／ｓ时胀大比为１．１３９，Ｑ＝１００ｍｍ３／ｓ时胀大比为１．１５。呈妻尝‘。Ｏ案叱０５０１００１５０２００２５０３００３５０加０４５０５００Ｖｏｌｕｍｅｒａｔｅ，ｍｍ３／ｓ图３．２Ｆｉｇ．３．２ＥＰＤＭ６０挤出胀大比与体积流量的关系ＥｘｔｒｕｓｉｏｎｓｗｅｌｌｒａｔｉｏｗｉｔｈｖｏｌｕｍｅｒｍｅｏｆＥＰＤＭ６０３．２．２毛细管挤出流动模拟分析１物理模型毛细管规格为２０＂１，料桶直径为１２ｍｍ，挤出温度为１２０＂Ｃ。毛细管及料桶均为轴对称形状，可采用二维轴对称模型来进行分析，其尺寸见图３．３。上海交通太学博士学位论文ｌ·。ｌｉ囤３３毛细管挤出模型尺寸示意囤Ｆｉｇ３．３Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙｅｘｔｒｕｓｉｏｎｍｏｄｅｌ如图３．４为毛细管、料桶及自由挤出段的二维轴对称有限元分析模型。采用的是四边形网格，在毛细管壁附近及入ｎ收缩处速度梯度大，采用较密的网格以减少计算误差。整个区域包含５２８个四边形单元，６０１个节点。由于毛细管中流动是轴对称的，图３．４显示的是一半的流动区域。自口雎太区＾口区，、翻Ｏ图３４毛细管挤出的二维轴对称有限元分析模型Ｆｉｇ３．４２ＤａｘｉａｌｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌＦＥＡｍｏｄｅｌｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙｅｘｔｒｕｓｉｏｎ２边界条件第三章ＥＰＤＭ橡胶通过简单口型挤出过程的模拟研究及其实验验证图３．５为分析过程中所使用的边界条件示意图，分别为：１）入口边界条件：流量ｐ，ｍｍ３／ｓ；２）壁面边界条件：分别考虑无滑移边界条件（ｖ。＝ｖ，＝０）和有滑移（Ｎａｖｉｅｒ’Ｓ滑移模型）边界条件；３）轴对称边界条件；４）自由边界条件：可．刀＝０；５）出口边界条件：自由挤出，廊＝届＝Ｏ。图３．５Ｆｉｇ．３．５毛细管二维轴对称有限元分析模型的边界条件图ＢｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆＦＥＡｍｏｄｅｌｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙｅｘｔｒｕｓｉｏｎ３材料模型橡胶材料为ＥＰＤＭ６０，挤出温度为１２０。Ｃ，分析过程中，分别采用Ｂｉｒｄ．Ｃａｒｒｅａｕ等温纯粘性模型及ＰＴＴ粘弹性模型进行挤出胀大的对比分析，具体模型和参数参见第二章。４模拟分析１）挤出流动分析假设壁面为无滑移边界条件，入口流量Ｑ＝１００ｍｍ３／ｓ，相当于挤出速度为７．６４ｍ／ｍｉｎ。材料模型为Ｂｉｒｄ—Ｃａｒｒｅａｕ纯粘性模型，流变参数见表３．１。图３．６为挤出方向的速度分布图（局部位置见放大图），图示表明中心速度最大，往壁面方向递减，壁面处速度为零。在图中毛细管收缩流道中熔体经过入口段后发５０上海交通大学博士学位论文生收缩流动，流体速度迅速增大，此处聚台物熔体受到强烈的拉伸和变形作用。进入收缩流道后，经历一段距离后速度才能充分发展。出口处从中心到壁面的速度递减，速度梯度增加。当熔体离开口模呈自由状态时，由于受限突然释放，一方面流体在口模收缩流动中积累的部分弹性能得以释放，出口后熔体发生弹性回复胀大；另一方面由于速度的重新分布．中心速度减小，外围速度增加，而总流量是不变的，所以挤出熔体在出口后会向外胀大，直至挤出速度均衡一致。此处流体的速度下降，是由于中心速度减慢和两边速度变快的综合作用结果。图３．７则为挤出速度的矢量方向图，图３．８为胶料熔体在料筒及口模入口处的流动轨迹示意图。从这两图中可看出，料筒内愈靠近中心速度越大，而在料筒壁尤其是料简底部边缘部分速度小，在此处的胶料熔体流动比较弱，容易残留。ｖＴ．１１１１１１／￥田３６挤出遣虞分布目Ｆｉ９３．６ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｘＵ岱ｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ第三章ＥＰ嘲橡胶通过简单口型挤出过程的模拟研究及其实验验证圈３７挤出速度先量方向图Ｆｉｇ．３．７Ｖｔ℃Ｉｏｒｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｖｅｌｏｃ衄图３８熔体流动轨迹图Ｆｉｇ３．８Ｆｌｏｗｔｒａｃｅｏｆｒｕｂｂｅｒｍｅｌｔ上海交通大学博士学位论文２）挤出胀大与流量的关系上节挤出胀大的测试结果表明挤出胀大随着挤出速度（挤出流量）的增加而增大。为了研究计算的挤出胀大与流量之间的关系是否与试验结果一致，分别采用Ｂｉｒｄ．Ｃａｒｒｅａｕ等温纯粘性模型及Ｐ，丌等温粘弹性模型进行挤出胀大的对比分析。分析中的输入流量与试验中的推杆速度对应，推杆速度为（５～２５０）ｍｍ／ｍｉｎ，详见表３．３。图３．９为采用Ｂｉｒｄ．Ｃａｒｒｅａｕ等温纯粘性模型时两种流量下挤出胀大后的形状对比图，挤出胀大后的半径分别为Ｒｌ＝０．５６７ｍｍ和Ｒ２＝Ｏ．５６５ｍｍ，挤出胀大比为Ｂｂｌ＝１．１３４和Ｂｂ２＝１．１３，两者比较接近，说明此时流量对挤出胀大的影响很小。图１０为分别采用Ｂｉｒｄ．Ｃａｒｒｅａｕ等温纯粘性模型及ＰＴＴ等温粘弹性模型的挤出胀大计算结果和测试结果对比图，具体比较数据详见表３．１。Ｑ＝ｌ００ｍｍ３，ｓ０＝１０ｍｍ３，ｓ、。一一Ｏ．５６７ｍｍ自由挤出胀大区域ｔ１０．５ｍｍ，，————、、，ｆ毛细管区域图３．９挤出胀大与流量关系示意图Ｆｉｇ．３．９Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｗｅｌｌｖｅｒｓｕｓｖｏｌｕｍｅｒａｔｅ５３第三章ＥＰＤＭ橡胶通过简单口型挤出过程的模拟研究及其实验验证１侣¨坦∞１１１１∞∞∞会｛∞０１００２００３００∞‘ｌ碡ｏ茹弼叱１１１１Ｖｏｌｕｍｅｒａｔｅ。ｍｍ３，ｓ图３．１０挤出胀大比与流量的关系（ＢＣ模型、ＰＴＴ模型计算与实测对比）Ｆｉｇ．３．１０Ｒａｔｉｏｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｗｅｌｌｖｅｒｓｕｓｖｏｌｕｍｅｒａｔｅ（ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＢＣ，ＰＴＴｓｉｍｕｌｍｉｏｎｗｉｔｈｔｅｓｔ）表３．１毛细管挤出胀大的计算与实测对比Ｔａｂｌｅ３．３Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｗｅｌｌｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔ５２０５０１００１５０２８０．６２００３７６．８２５０４７１推杆速度，ｍｍ／ｍｉｎ流量Ｑ，ｍｍ３／ｓ剪切速率。ｓ‘１挤出胀大比（测试结果）：Ｂ。挤出胀大比（Ｂｉｒｄ－ｃａｒｒｅａｕ）：Ｂｂ９．４２３７．６８３８４９４．２１８８．４９６１．１３９９６０１．１４９１９２０１．１５ｌ２８８０３８４０４８００１．１５５１．１４４１．１５３１．１３６１．１５４１．１３１．１３ｌ１．１３３１．１３４１．１３８１．１４挤出胀大比（Ｐ１１）：Ｂｐ弹性引起的胀大比例：（Ｂｐ－Ｂｂ）／（Ｂｐ－Ｉ）１．１３５１．１３８５％１．１４４１．１５１．１５４１１．７１．１５８１．１６１１３％３．７％７．６％１０．７１２．７％上海交通大学博士学位论文从以上比较结果可说明以下几点：（１）采用Ｂｉｒｄ．Ｃａｒｒｅａｕ粘性模型计算时，流量对挤出胀大的影响很小，这与实际测试结果不一致；而采用ＰＴＴ粘弹性模型计算时，挤出胀大随着流量的增加而增大，变化趋势和测试结果接近。同时采用ＰＴＴ粘弹性模型的计算结果比ＢＣ粘性模型计算结果更接近实测值，说明实际挤出中存在弹性回复胀大。（２）从表３．３的比较结果可看出，虽然ＰＴＴ粘弹性模型计算结果更接近于实测结果，但是相对于ＢＣ粘模型的计算结果，弹性回复引起的挤出胀大占整个挤出胀大的比例不到１５％，流量越小比例越小，说明挤出胀大主要是由于出口速度重分布引起。（３）在橡胶密封条的实际挤出加工过程中，挤出速度在乒１５ｍ／ｍｉｎ，密封条壁厚一般在２ｍｍ左右，根据平板流动理论【１９】可计算出胶料从口模挤出的剪切速率在０－、，５００ｓｄ范围内。根据表３．３，在该剪切速率范围内弹性回复引起的挤出胀大占整个挤出胀大的比例最多为６％，说明实际挤出加工过程中，弹性回复胀大并不是引起挤出胀大的主要因素，所以在实际挤出模拟分析时可以简化采用ＢＣ粘性模型。（４）此外，由于实际密封条结构一般比较复杂，其分析模型很大很复杂，采用ＰＴＴ等粘弹性模型分析时，由于受到高Ｗｅｉｓｓｅｎｂｅｒｇ数的制约，计算过程很难收敛甚至不收敛，而且计算时间很长，其流动分析要困难得多，目前还没有较理想的数值方法来解决高Ｗｅｉｓｓｅｎｂｅｒｇ数的三维流动问题。而采用ＢＣ等粘性模型则不存在不收敛的问题，也基本不受模型复杂程度的影响，所以采用ＢＣ等粘性模型在实际应用中更有现实意义。３）挤出胀大与滑移系数的关系在前述分析过程中，壁面未考虑滑移。为了研究挤出胀大与滑移之间的关系，研究过程中假设壁面滑移符合广义的纳威尔滑移模型（ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＮａｖｉｅｒ’ｓＳｌｉｐＭｏｄｅｌ）：５５第三章ＥＰＤＭ橡胶通过简单口型挤出过程的模拟研究及其实验验证／（ｖ）＝一ｋ（ｖ～ｖ。训）。计算过程中取滑移指数ｅ＝ｌ，滑移系数ｋ＝ｌｅ４－－ｌｅ８，研究挤出胀大与ｋ的关系。图３．１１为计算得到的挤出胀大与滑移系数关系。图示说明，滑移系数ｋ越小，挤出胀大越小，ｋ＝ｌｅ４时几乎没胀大；而ｋ＝ｌｅ８时的胀大与无滑移接近，且接近于实测结果。由此可认为毛细管挤出过程中壁面几乎是无滑移的。Ｎｏｓｌｉｐｋ＝ｌｏ．８０．５６７Ｏ．５６７ｋ＝ｌｅ７０．５６７ｊ０．５；１１ＪＩｌｋ＝ｌｅ６Ｏ．５５４ｋ＝１ｅ５０．５５４Ｏ．５１４ｋ＝ｌｅ４ｌ图３．１１挤出胀大与滑移系数关系示意图Ｆｉｇ．３．１１ＥｘｔｒｕｓｉｏｎｓｗｅｌｌｖｅｒｓｕｓｗａｌｌｓｌｉｐｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＫ上海交通走学博士学位论主３３矩形口模挤出过程模拟分析及其实验验证上节对毛细管挤出的分析结果表明，采用Ｂｉｒｄ－Ｃａｒｒｅａｕ纯粘性模型及ＰＴＴ粘弹性模型均可反映实际挤出状态，但ＰＴＴ粘弹性模型更符合实际；同时也验证了测试的材料流变数据及其拟合的材料模型参数是可靠的。为了更进一步的验证材料模型及其材料参数，本节将对ＥＰＤＭ橡胶在矩形口型中的挤出过程进行模拟，并通过实际的实验挤出来验证计算结果。３３．１矩形口型的挤出试验ｌ试验材料测试使用的材料和毛细管挤出使用的相同，为申雅密封件有限公司提供的ＥＰＤＭ６０混炼胶。２挤出试验设备上海双威橡胶机械厂生产的ＸＪ－４５橡胶挤出机，见图３１２。ｘ■圈３．１２Ｆｉｇ．３．１２ＸＪ一４５橡胶挤出机ＸＪ－４５ｒｕｂｂｅｒｅｘｔｒｕｄｅｒ５７第三章ＥＰＤＭ橡胶通过简单口型挤出过程的模拟研究及其实验验证３挤出试验条件及控制方法试验挤出机头内温度为１１０～１２０＂Ｃ。实验过程中可通过冷水和热空气实现升温和降温，并使用红外线测温仪测定机头温度和挤出熔体温度。挤出速度和流量通过调节马达转速来控制，并可用速度测试仪测得。挤出过程为自由挤出，没有施加牵引力或牵引速度。由于挤出机转速的限制，在本次试验过程中，矩形口模的挤出速度为３ｒｒｇｍｉｎ、６ｒｒｇｍｉｎ。模拟计算的流量条件也根据这些速度来设定，以保持计算与实验的统一。４挤出胀大测试方法由于挤出后的橡胶产品为未硫化的熔体状，材料比较软，难以定型得到产品断面形状。因此如何准确地得到挤出断面的形状是通过试验来验证计算结果的重要一步，也是一大难点。研究过程中曾试用过两种测试方法：１）液氮快速冷却法：在挤出稳定后，取离开挤出口模ｌＯＯｍｍ后的一段挤出产品，快速放入液氮瓶中，通过快速冷却使挤出断面定型，然后测量挤出断面形状。其优点是快速冷冻后的断面形状变化小，缺点是准确得到断面形状相对较困难，原因是冷冻后的产品很硬，难以切割；２）硫化法：即截取一段挤出熔体通过高温（微波）硫化后使其断面形状固化定型，然后截取其横断面在１０倍放大投影仪上描绘其断面轮廓形状。其优点是简单、方便，缺点则是硫化后与硫化前的断面形状有较大变化，这与橡胶熔体的配方及微波强度有关，需要验证其变化率。在本课题研究中，采用的是“液氮快速冷却法’’。断面测量方法是，取出快速冷却后的产品，立即用一段软钢丝紧贴断面周边缠绕，放置一段时间，待产品温度回升变软后，用剪刀沿着缠绕钢丝剪断产品，小心取出缠绕的钢丝，注意保持其形状，然后在纸上描绘出形状的内轮廓，即可得到挤出产品胀大后的断面形状。本方法仅对于外凸断面形状有效。５试验用挤出口模图３．１３为试验使用的矩形挤出口模图片，尺寸为２０ｍｍ＊６ｍｍ，口模厚度为ｌＯｍｍ。挤出机内机头流道为圆柱形，直径为３０ｍｍ，长度为２０ｍｍ。上海交通是学博士学位论文图３．１３矩形口模Ｆｉｇ３．１３Ｒｅｃ锄ｇｌｅｅｘｔｎＢｉｏｎｄｉｅ６挤出胀大与挤出速度（挤出流量）关系的测试结果实际挤出测试过程，由于重力的影响，挤出体从口模中挤出后会产生变形，最终挤出体形状不是标准的对称体，在断面对比中可以按照面积相等原则进行断面变形对称化处理。图３．１４为挤出速度３ｍ／ｒａｉｎ、６ｍ／ｒａｉｎ的挤出断面及其对比处理结果，挤出断面形状及面积与挤出速度（流量）有关，随着挤出速度（流量）的增加而增大，但变化并不大。裟㈨争对＆嚣几ＨＵ鬻南斟ｓ１＝１５０．ａｍｍ２口一俯图３Ｆｋ３１４矩形口橇在不同挤出姐下的挤出断面对比５９１４（＇舢ｐｄｍｏｆｅｘｔｍｄａｔｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｘｂｍｓｌｏｎｗｌ∞ｉｔｙｏｆｒｅｃｔａｎｇｌｅｅｘｍＪｓｌｏｎｄｉｅｇ－－章ＥＰＤＭ橡腔通过简单口型挤出ｉ耀的模拟研究厦其实验验证３３２挤出过程模拟分析（采用纯粘性Ｂｉｒｄ－Ｃａｒｒｅａｕ模型）ｉ计算模型在挤出过程中，橡胶熔体通过挤出机输送到机头流道中，然后通过口模挤出。正向挤出分析计算模型包含了机头流道、口模及部分自由挤出段，挤出段的长度要保证挤出断面形状达到稳定状态。机头流道为圆柱形，口模是矩形，都是对称图形，为了减少计算量，根据对称性条件，分析的模型取四分之一对称模型，见图３．１５。具体尺寸如下：机头流道直径３０ｍｍ，长度２０ｍｍ；矩形口模长２０ｍｍ，宽６ｍｍ，厚度１０ｍｍ；自由挤出段长度１００ｍｍ。囤３．１５四分之一对称模型厦其有限元网格模型Ｆｉｇ３１５Ｉ／４ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄＦＥＡｍｏｄｅｌ２边界条件图３１６为分析过程中所使用的边界条件示意图，分别为：１１Ａ．ｎ边界条件：流量Ｑ，ｍｍ３／ｓ：２）壁面边界条件：无滑移（ｖ。＝匕＝０）或有滑穆（Ｎａｖｉｅｒ’ｓ滑移模型）３）对称边界条件；４）自由边界条件：ｉ·Ⅳ＝０；上海交通太学博士学位论文５）出口边界条件：自由挤出，忙蠡＝０。圉３．１６边界条件分布图Ｆｉｇ．３．１６ＢｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆＩ／４ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｍｏｄｅｌ３材料模型橡胶材料为ＥＰＤＭ６０，研究过程中，采用Ｂｉｒｄ－Ｃ戤－ｒｅａｕ等温纯粘性模型，材料参数和毛细管挤出模拟相同。４挤出过程分析及其与实测结果对比入口流量为Ｑ＝３０００ｍｍ３／ｓ（１／４对称模型），相当于挤出速度６ｍ／ｍｉｎ，壁面假设无滑移。图３．１７，图３．１８分别为挤出过程中的速度分布云图及熔体质点流动轨迹图，从中可以明显看出口模中心的速度最大，在口模及流道壁处园无滑移假设而速度为零，熔体从口模中挤出后因速度重新分布而迅速达到一致。在料简流道中拐角处熔体速度很小，甚至不流动，说明此部位可能是流动的死角部位，在实际生产中对于含硫化体系的胶料在高温下由于长时间停留此处，会发生硫化焦烧，影响熔体挤出表面质量。第三章ＥＰＯＭ橡胶通过简单口型挤出过程的模拟研究厦其实验验证曩＝‰删：薹Ｍ酬‰ＶＬｍｍ如图３．１７挤出过程速度分布云图Ｆｉｇ３１７Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｘｔｎｔｓｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ～曩～～～～～～～～～嚣镯，、．●渤翊■●～囤３．１８挤出过程熔件－Ｙｔ点流动轨迹囤Ｆｉｇ．３１８Ｆｌｏｗｔｒａｃｅｏｆｒｕｂｂｅｒｍｅｌｔ上海变通大学博士学位论文图３．１９为出口胀大三维示意图，在熔体从口模中挤出后，有明显的胀大（速度重新分布过程），离口模出口２０ｒａｍ左右胀大稳定（速度分布达到平衡）。而图３２０则为挤出后挤出体终端（离口模１００ｒａｍ处）断面与出口口型的比较图。由于是自由挤出状态，没有施加牵引力或牵引速度．材料模型又是粘性模型，挤出胀大后断面稳定较快，且没有园牵引造成的断面收缩现象。＇＝…ｌ圈图３１Ｖｚ，Ｔｍ“ｇ，一，韶９出口胀大示意图ＥｘｔｎｊｓｉｏｎｓｗｅｌｌＦｉ９３１９目３．２０捧出胀太后终端断面与出口口型比较凰Ｆｉｇ．３２０Ｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｈａｐｅｖｅｒｓｕｓｄｉｅｌｌｐ（Ｂｉｒｄ－Ｃａｎｅａｕｍｏｄｅｌ）第三章ＥＰＤＭ橡胶通过简单口型挤出过程的模拟研究度其实验验证如图３．２１为矩形口模出口速度分布图，由图中可看出，口模出口速度在中心区域最大，向外逐渐减小，在边界处速度为零，速度梯度最大。由于出口后熔体不受边界约束，处于自由状态，其断面挤出速度需要重新分布，并迅速达到一致，速度快的区域因为速度降低而引起该区域面积增加，速度慢的区域因速度增加而引起该区域面积减小，从而引起熔体的挤出变形。在计算模型终端由于挤出胀大已经稳定，断面上的速度分布很均匀，速度Ｖｚ＝８７．７ｒａｍ／ｓ＝５２６２ｒｒｄｍｉｎ，与测试速度６ｍ／ｒａｉｎ接近，胀大后的断面面积约为３４．４ｍｍ２，流量Ｖ０１疵＝８７．７·３４．４＝３０１６ｍｍ３／ｓ，与输入的流量条件一致。＿＝：＝ａ。＝……ｔ＝Ｖｚ，ｆｒｍｄｓ图３．２１矩彤口模出口处的速度分布图Ｆｉｇ，３２１Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｘｉｔｖｅ［ｏｃ畸ａｔｄｉｅｌｉｐ图３２２为矩形口型挤出断面形状的计算结果与实测结果的对比。图中各断面的特征高度和特征宽度是指断面的最大高度和最大宽度。表３．４则为挤出断面和特征尺寸的计算结果和实测结果的比较，其中：ｓ２为计算挤出断面２的面积、ｓ３为实铡挤出断面３的面积，ｃＳ为面积２和面积３的误差，ｅｓ＝（Ｓ２－－￥３）／￥３；Ｈ２、Ｗ２分别为计算挤出断面２的特征高度和特征宽度，Ｈ３、Ｗ３则分别为实测挤出断面３的特征高度和特征宽度，￡ｈ和ｅＷ分别为面积２和面积３特征高度和特征宽度的误差，ｅｈ为（Ｈ２－－Ｈ３）／Ｈ３，６Ｗ为（Ｗ２－－Ｗ３）／Ｗ３。由图３．２２和表３．４可以看出，计算与实测上海交通大学博士学位论文结果的面积和形状比较接近，作为近似估算，在实际应用中是可以接受的，因为对于材料流变特性极其复杂的橡胶来说，有限元分析结果误差在１５％以内是可以接受的。１－－Ｒｅｏｔａｎｇｌｅｄｉｅｌｉｐ，Ｓｌｓ２一－Ｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｈａｐｅｂｙｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｓ２（Ｂｉｒｄ－Ｃａｒｒｅａｕｍｏｄｅｌ）３－－Ｅｘｔｒｕｄａｔｃｓｈａｐｅｂｙｔｅｓｔ，Ｓ３图３．２２矩形口授挤出断面形状计算与实测结果对比图Ｆｉｇ．３．２２Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔ表３．４矩形口模挤出断面特征尺寸的计算结果和实测结果的比较Ｔａｂｌｅ３．４ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｔｒｕｄａｔｅｅｉｇｅｎｖａｌｕｅｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔＡｒｅａＥｉｇｅｎｖａｌｕｅｏｆｈｅｉｇｈｔＥｉｇｅｎｖａｌｕｅｏｆｗｉｄｔｈｓｇｍｍ２ｓ●ｍｍ２ｅ，／Ｈ警ｍｍｎｇｅ’１％ｗｇｍｉｄｗｇｍｍ０％．９．５７ｆ啪７．６３％１３８．００１５２．６０７．１３＿６．５５２１．３０２１．９０．２．７４５挤出胀大与流量的关系从试验测试结果可知，挤出胀大与流量（挤出速度）有关，流量越大，胀大越大，但变化不大。图３．２３为ＥＰＤＭ６０胶料考虑Ｂｉｒｄ．Ｃａｒｒｅａｕ模型、壁面无滑移时在不同６５第三章ＥＰＤＭ橡胶通过简单口型挤出过程的模拟研究及其实验验证流量下的胀大比较情况，图示表明在无滑移的情况下，随着流量的增加，计算结果中挤出胀大（面积）并没有变化。ｌ－＝Ｒｅｃｔａｎｇｌｅｄｉｅｌｉｐ２－－Ｑ＝１０００ｍｍ３／ｓ４－－Ｑ＝６０００ｍｍ３／ｓ５一Ｑ＝９０００ｍｍ３／ｓ３－－Ｑ＝３０００ｍｍ３／ｓ图３．２３挤出胀大与流量的关系Ｆｉｇ．３．２３Ｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｗｅｌｌｖｅｒｓｕｓｆｌｏｗｒａｔｅ６挤出胀大与滑移系数的关系同毛细管挤出模拟一样，考虑Ｎａｖｉｅｒ滑移模型。图３．２４为ＥＰＤＭ６０橡胶在流量Ｑ＝３０００ｍｍ３／ｓ时（１／４对称模型），分别取ｋ＝ｌｅ４～ｌｅ８时计算得到的挤出胀大，并与实测结果进行对比的情况，从中可以大致确定滑移系数的大小。从图中比较结果可看出：ａ）随着滑移系数的减小，即壁面滑移的增加，挤出胀大就越小。在ｋ＝ｌｅ６～ｌｅ８胀大变化比较小，但在ｌｅ６以下胀大变化很大。说明在本流量下，ｋ＝ｌｅ６～ｌｅ８和无滑移结果接近，而在ｋ＝ｌｅ４时滑移较大，ｋ＝ｌｅ５有些滑移。ｂ）与测试结果进行比较来看，没有滑移或者滑移很小（ｋ＝－ｌｅ６－－ｌｅ８）的可能性比较大，主要的问题在顶角部位的胀大情况区别很大。上海交通大学博士学位论文≥一Ａ芦一置；一ｒ＼Ｌ～习Ｉ渣Ｉ＼ｌ～老Ｊ一１－－Ｒｅｏｔａｎｇｌｅｄｉｅｌｉｐ，Ｓ＝１２０ｍｍ２２－－Ｎｏｓｌｉｐ，Ｓ＝１３８ｍｍ２３－ｋ＝ｌｅ８，Ｓ＝１３７．６ｒａｍ２４－－ｋ＝ｌｅ７，Ｓ＝１３７．２ｒａｍ２５－ｋ＝ｌｅ６，Ｓ＝１３７．１２ｒａｍ２６－ｋ＝ｌｅ５，Ｓ＝１３３．８４ｒａｍ２７一ｋ＝ｌｃ４，Ｓ＝１２５．４ｒａｍ２８－－Ｔｅｓｔ，Ｓ＝１５２．６ｒａｍ２图３．２４挤出胀大与滑移系数的关系Ｆｉｇ．３．２４Ｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｗｅｌｌｖｅｒｓｕｓｓｌｉｐｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ３。３．３挤出过程模拟分析（采用粘弹性ＰＴＴ模型）计算模型及边界条件都与上述情况一样，流量Ｑ＝３０００舢ｎ３／ｓ（１／４对称模型），材料考虑了橡胶的粘弹特性，采用Ｐ１ｖｒ粘弹模型，详细参数等参见前面内容。对于挤出过程分析同上述方法和内容一样，在此着重分析考虑了粘弹性后，挤出胀大与挤出流量、滑移系数的关系及其与粘性模型的区别。１挤出胀大对比分析壁面假设无滑移。图３．２５则为分别采用ＰＴＴ、ＢＣ材料模型时与实测结果的对比图。６７第三章ＥＰＤＭ橡胶通过简单口型挤出过程的模拟研究及其实验验证，器ｆｌｙＵ－一＿－－．＝＿～－～选ｔ蕊少，、王幂一—一＝、—＿．＝＝＿～——、—～———Ｊ一＿——二，一ｒ当１－－Ｒｅｃｔａｎｇｌｅｄｉｅｌｉｐ，Ｓ１２－－Ｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｈａｐｅｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｓ２（Ｂｉｒｄ－Ｃａｒｒｅａｕ３一Ｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｈａｐｅｂｙｔｅｓｔ，Ｓ３４一Ｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｈａｐｅｂｙｍｏｄｅｌ）ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｓ４（ＰＴＴｍｏｄｅｌ）图３．２５矩形口模挤出断面形状计算与实测结果对比图Ｆｉｇ．３．２５Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｒｅｃｔａｎｇｌｅｄｉｅｌｉｐｗｉｔｈｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔ图３．２５中各断面的特征高度和特征宽度是指断面的最大高度和最大宽度。表３．５则为挤出断面和特征尺寸的计算结果和实测结果的比较，其中：Ｓ２为计算挤出断面２的面积、Ｓ３为实测挤出断面３的面积、Ｓ４为计算挤出断面４的面积，￡ｓ为面积２或面积４和面积３的误差，￡ｓ＝（￥２－－￥３）／￥３或￡ｓ＝（Ｓ４－－￥３）／￥３；Ｈ２、Ｗ２分别为计算挤出断面２的特征高度和特征宽度，Ｈ３、Ｗ３则分别为实测挤出断面３的特征高度和特征宽度，Ｈ４、Ｗ４分别为计算挤出断面４的特征高度和特征宽度，￡ｈ和￡Ｗ分别为面积２或面积４和面积３特征高度和特征宽度的误差，￡ｌｌ＿（Ｈ２一Ｈ３）／Ｈ３，ｅｗ＝（Ｗ２－－Ｗ３）／Ｗ３，或ｅｈ＝（Ｈ４－－Ｈ３）／Ｈ３，￡、Ⅳ＝（Ｗ４一Ｗ３）／Ｗ３。由此可看出在挤出分析计算中考虑材料为粘弹性其挤出变形比仅考虑为纯粘性的挤出变形更接近实际挤出结果，主要是由于材料弹性回复变形的结果。但在实际应用时，作为初步估算，由于在实验的挤出条件下材料的弹性并不显著（ｓｒ＜＜１），因此采用的纯粘性模型，计算结果的误差也在可以接受的范围之内。上海交通大学博士学位论文表３．５矩形口模挤出断面特征尺寸的计算结果（两种材料模型）和实测结果的比较Ｔａｂｌｅ３．５ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｔｒｕｄａｔｅｅｉｇｅｎｖａｌｕｅｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌＡｒｅａＥｉｇｅｎｖａｌｕｅｏｆｈｅｉｇｈｔＥｉｇｅｎｖａｌｕｅｏｆｗｉｄｔｈＲｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｓ２｜ｓ４ｍｏｄｅｌｌｉｌｍ２ｓ３｜ｍｍ２８●％Ｈ２｜Ｈ４ｍｉｌｌＨ３｜ｍｍ￡Ｗ％Ｗ２／Ｗ４ｍｍ聊ｍｍ￡ｏ％Ｂｉｒｄ－Ｃ￡ＩＩＴＣａＵ１３８．００１５２．６０．９．５７７．１３７．６３．６．５５２１．３０２１．９０．２．７４ＰＴＴ１５８．０７１５２．６０３．５８７．８３７．６３２．６２２２．６５２１．９０３．４２２挤出胀大与流量的关系由前述分析可知在考虑材料为纯粘性模型时，挤出胀大和流量没有关系，这和实际测试结果不一致。在此进一步分析，考虑ＰＴＴ粘弹性模型时，挤出胀大与流量的关系怎样？图３．２６表明考虑材料为ＰＴＴ模型时，挤出胀大随流量的增加的增大，但变化不太明显，说明虽然考虑粘弹型更接近实际状态，但弹性并不明显。１一Ｑ＝２５０ｍｍ３／ｓ，Ｓ＝３９．３８ｍｍ２２一Ｑ＝５００ｍｒｒｌ３／ｓ，Ｓ＝３９．５２ｍｍ２３一－Ｑ＝７５０ｍｍ３／ｓ，Ｓ＝３９．５２ｍｍ２图３．２６Ｆｉｇ．３．２６挤出胀大与流量的关系（ＰＴＴｍｏｄｅｌ）Ｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｗｅｌｌｖｅｒｓｕｓｆｌｏｗｒａｔｅ（ＰＴＴｍｏｄｅｌ）３挤出胀大与滑移系数的关系第三章ＥＰＤＭ橡胶通过简单口型挤出过程的模拟研究及其实验验证滑移模型同上述粘性材料挤出时一样，采用Ｎａｖｉｅｒ’Ｓ滑移模型，分析在同一挤出流量下分别取ｋ＝ｌｅ４，ｌｅ５，ｌｅ６，ｌｅ７，ｌｅ８及无滑移时的挤出胀大，并与ＢＣ模型及测试结果对比。图３．２７为对比图。ｌｉｐ，Ｓ＝１２０ｍｍ２２－－Ｎｏｓｌｉｐ（ＰＴＴｍｏｄｅｌ），Ｓ＝１５８．０８ｒａｍ２１－－Ｒｅｃｔａｎｇｌｅｄｉｅ３－－ｋ＝１ｅ８，Ｓ＝１５７．６ｍｍ２５－ｋ＝ｌｅ５，Ｓ＝１５５．１２ｍｔｎ２６一一ｋ＝ｌｅ４，Ｓ＝１５３．８４ｍｍ２７州ｏｓｌｉｐ（ＢＣｍｏｄｅｌ），Ｓ＝１３８ｍｍ２８一ＴｅｓＫＳ＝１５２。６ｒａｍ２４一－ｋ＝ｌｅ６，Ｓ＝Ｉ５６．９２ｒａｍ２图３．２７挤出胀大与滑移系数的关系（ＰＴＴｍｏｄｅｌ）Ｆｉｇ．３．２７Ｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｗｅｌｌｖｅｒｓｕｓｓｌｉｐｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ（ＰＴＴｍｏｄｅｌ）从图３．２７的对比结果，可说明：ＰＴＴ模型下的挤出胀大随着滑移系数的减小（滑移程度增加）而减小，但不会和挤出口型一致（这和纯粘性模型不一样），因为有弹性变形存在；粘弹性模型的结果比纯粘性模型更接近于实测值，但是相差并不大，说明橡胶熔体是存在弹性变形的，只不过是弹性不强。在实际应用过程中，对于比较复杂、单元数比较多的模型，当挤出速度（剪切速率）比较大时，若考虑材料为粘弹性模型，其数值计算受高Ｗｅ数影响，易出现数值计算困难、甚至不收敛的情况，而且计算时间长，对硬件要求高，此时可能就不适合于实际使用。通过上述对比分析，粘性模型也基本能反映实际测试结果，与粘弹性模型相差不大，最重要的是其计算受限制小，更容易收敛，计算时间短，对硬件要求不高。所以，针对实际需要，仅仅考虑材料为粘性模型也是可以接受的，对实际应用更具有指导意义。上海交通大学博士学位论文３．４小结本章着重研究了ＥＰＤＭ橡胶熔体通过毛细管口模及矩形口模的挤出流动过程，采用Ｐｏｌｙｆｌｏｗ软件进行了计算机模拟，并与实测结果进行了对比，得出如下结论：１１可以采用粘弹性Ｐ，丌模型及Ｂｉｒｄ．Ｃａｒｒｅａｕ纯粘性模型来计算橡胶熔体通过毛细管口模及矩形口模的流动过程，两者的计算结果都比较接近实测值，但ＰＴＴ粘弹性模型的计算结果比Ｂｉｒｄ．Ｃａｒｒｅａｕ纯粘性模型的计算结果更符合实际；２）壁面的滑移对计算结果有很大影响，越滑移挤出变形（胀大）越小，完全滑移会导致挤出的形状和口型一样，这是不符合实际的。所以在实际挤出中，壁面可能存在滑移，但滑移很小，在实际计算中，可以假设壁面无滑移条件。３）挤出流量的增加会使挤出变形（胀大）增加，但对于ＥＰＤＭ橡胶熔体来说，由于其粘性很强，而弹性比较弱，挤出流量的增加对挤出胀大影响并不大。在实际挤出应用中，一方面可以通过调节流量的办法来微调挤出断面的大小；另一方面并不能仅靠调节流量的办法来调节断面大小，若断面相差较大，则需要调整口型或者是牵引速度（牵引力）来调整断面大小。４）在实际应用中，针对复杂的计算模型，由于计算方法、软硬件、时间与成本的限制，采用粘性材料模型比粘弹性材料模型更有实际意义。７１第四章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出过程中工艺参数的影响分析第四章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出过程中工艺参数的影响分析４．１引言由于橡胶材料的高粘弹性，通过口型挤出后会发生胀大变形，致使产品形状和挤出口型不一致。橡胶挤出的胀大变形主要由两个因素引起，一方面是橡胶流体离开口型后其横断面上的速度要重新分布而引起变形；另一方面是由于橡胶流体在口型内所受到的弹性变形在离开口型后要回复，从而引起弹性回复胀大。汽车橡胶密封条是橡胶挤出的典型产品，其形状多样而复杂，通过挤出机、机头、口模而挤出成型，挤出产品的状态和橡胶熔体在挤出流道中的流动情况有关，但由于挤出过程是在密闭的流道中进行的，人们很难确切地了解其中的流动状态，只能依靠经验来进行产品的挤出调试，其缺点就是调试次数多、成本高、周期长等。随着计算技术的发展，采用有限元法对橡胶产品挤出过程进行模拟，从而优化其口模及流道结构是一种全新的方法，但由于橡胶材料流变性能的复杂性及计算方法还不是很完善，所以应用难度很大。橡胶挤出成型产品的调试主要是调整三个方面的内容：１、挤出工艺参数，如流量、牵引速度等；２、挤出流道的结构和形状；３、挤出口模的口型形状。挤出工艺参数可以在产品挤出过程中根据挤出产品形状整体大小进行调整；挤出流道则是根据挤出产品局部位置大小偏差进行调整；而挤出口型的形状则决定了产品的总体形状，需要根据产品所需的最终形状进行设计。接下来的三章研究内容将从这三个方面来进行分析。本章将在第三章对ＥＰＤＭ橡胶通过简单口型挤出过程进行模拟研究的基础上，模拟分析断面复杂的橡胶密封条的挤出过程，比较分析壁面滑移程度、挤出牵引速度、挤出流量及材料模型等对挤出过程和结果的影响，得出壁面滑移、流量及挤出牵引速度和断面挤出胀大的关系。这些模拟研究结果，可以为挤出过程中工艺参数调试提供参考指导。上海交通大学博士学位论文４．２复杂结构橡胶密封条挤出过程分析４．２．１分析模型用于挤出分析的橡胶密封条产品断面如图４．１中的实线所示。由于实际挤出过程中有牵引力（牵引速度），因为牵引的作用使得产品断面缩小，所以挤出口型要比产品断面大，图中的虚线即为按经验设计的口模挤出口型形状。图４．１Ｆｉｇ．４．１橡胶密封条断面及其挤出口型设计形状Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆｒｕｂｂｅｒｓｅａｌｉｎｇａｎｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｌｉｐ橡胶密封条挤出机头中包含一圆台形套简，套筒出口安装挤出口模。挤出分析模型包含套筒、挤出口模及自由挤出体三部分，三维模型及有限元模型见图４．２。本模型中口模流道采用等截面直流道形式，共有１１９８３个四面体单元和１６６８８个五面体单元。边界条件如图４．２所示：ＢＣｌ——入口流量边界条件，Ｑ，衄３／ｓＢＣ２——（１）无滑移边界条件；（２）Ｎａｖｉｅｒ滑移边界条件：ｆ（ｖ）＝一七（１，一１，删）。。ＢＣ３——自由面边界条件ＢＣ４＿出口边界条件：（１）自由挤出分析：六＝六＝０；（２）牵引挤出分析：牵第四章ＥＰ叫橡胶密封条挤出过程中工艺参敏的影响分析引速度为‰。。呷归图４ＦＩｇ２三雏挤出分析模型厦其有限元网格３ＤｃｘｈｕｓｉｏｎｍｏｄｅｌａｎｄＦＥＡｍｏｄｅＩ４．２４２２材料模型由于本分析模型结构复杂，单元及节点数目很多，如果材料模型采用粘弹性模型，计算将报复杂且计算周期长，有可能还会出现计算中止问题。从第三、四章的研究内容可知，ＥＰＤＭ６０橡胶复合材料挤出流动中弹性效应较弱，可以近似地采用纯粘性Ｂｊｒｄ＿ｃａＨ例模型做简化处理，其材料参数为巩＝２．０×１０５”＝０．３２。Ｐａ，ｒ／。＝２０ｐａ，＾：１５ｓ，４２３结果分析在进行结果分析的过程中，在口模内沿流速ｚ方向取了１７条直流线，流线位置参见图４．３，图中（Ｌ１～Ｌ１５）在口模内、（Ｌ１６－，ＬＩＴ）在口模壁面上；另外沿流速ｚ方向上海交通大学博士学位论文截取了１１个横断面（参见图４．４中的Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓ１１），用于分析挤出过程中这些直线与各横断面的交点上的各个变量（流速、压力等）与壁面滑移、牵引速率及流量的关系，通过这些变化关系了解挤出胀大、挤出断面形状的变化规律，最终用于指导口模的设计及挤出工艺参数的调整。图４．３口模内的分析流线位置分布图Ｆｉｇ．４．３Ｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆａｎａｌｙｚｅｄｌｉｎｅｉｎｓｉｄｅｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅ—一口模出口Ｓ１Ｓ２８３Ｓ４Ｓ５Ｓ６Ｓ７８８８９￥１０￥１ｔ图４．４口模内的横截面位置图Ｆｉｇ．４．４ＰｏｓｉｔｉｏｎｏｆａｎａｌｙｚｅｄＣＲＯＳＳｓｅｃｔｉｏｎｉｎｓｉｄｅｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅ１壁面滑移的影响在低剪切速率范围内，熔体和壁面之间是粘性接触，在某一过渡剪切速率范围７５第四章ＥＰＩ／ｄ橡胶密封紊挤出过程中工艺参敷的影响分析内，将从接触向褙移转换，而在高剪切速率范围，则为滑移接触，Ｎａｖｉｅｒ精移模型可以较为适当的描述这种滑移现象。本节通过分析Ｎａｖｉｅｒ模型中滑移系数变化对口模流道中橡胶熔体流速、压力及挤出产品大小和形状的影响，来说明滑移在实际产品挤出中的应用意义。图４．２中的边界条件设置如下：（１）ＢＣＩ：入口边界条件，Ｑ＝１６００ｍｍ３／ｓ：（２）ＢＣ４：出口边界条件，正＝上＝ｏ；（３）ＢＣ２：壁面滑移边界条件。分别考虑了完全无滑移状态及Ｎａｖｉｅｒ’ｓ滑移状态。滑移状态中分别取滑移系数为ｋ－－（１ｅ８＼ｌｅ６＼ｌｅ４＼ｌｅ２＼ｌｅ０＼ｌｅ－２）来进行计算比较，用以说明滑移系数的影响。１）对口模出口速度分布的影响口模出口为图４２中口模和挤出体的连接面，Ｅｌ模出口的速度分布对挤出产品的胀大变形影响很大。图４５为不同滑移状态下的出口速度分布图。图示表明，随着滑移系数的减小，壁面滑移速度增加，熔体中心速度减小，所以滑移程度越高，出口速度分布越均匀。’塞４茎蓬Ｉ砷∞ｓｌｉｐ：（ｔＨｌＯ６】ⅡｕⅣｓ莲心ＶＬａｍｎ（ｂ）扣ｌ曲：（０７０６—３６９）ｍｍ／ｓ上海交通大学博士学住论文ｊ：＝：：良锄Ｆｉｇ４．５１三户气’溢·∥氧自●＿舢‰酬Ｌｏｋ－１ｅ２（１３８－１８７）ｍｍ／ｓｒｍ／ｅ＝ｌｅ．２（１５卜１７３）ｆａｍ／ｓ图４５不同滑移状态下口模出口处的挤出速度分布囤Ｄｉｅｅｘｉｔｖｅｌｏｅ埘ｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｌｌｓｌｉｐ２）对挤出产品形状和面积胀大比的影响挤出产品为图４．２中的挤出体出口截面，图４．６为该截面形状与滑移系数的关系，图中将滑移系数分三个阶段来比较，图４．６（ａ）表示ｋ＝ｌｅ７、ｌｅ８、ｎｏｓｌｉｐ时挤出产品断面形状和大小是一样的，此时壁面没有滑移：图４．６（ｂ）表示当ｋ＝－ｌｅ６、ｌｅ５、ｌｅ４时断面形状变化很大，说明已经产生滑移，且滑移程度逐步增加；图４．７（ｃ）则为ｋ＝ｌｅ２、ＩｅＯ、ｌｅ－２时的形状对比，此时滑移很厉害，为完全滑移阶段，断面形状趋向挤出口型形状。所以随着滑移程度增加，出口的挤出速度分布越均匀，断面形状和大小越趋近于挤出口型形状和大小。挤第四章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出过程中工艺参数的影响分析挤图４．６不同滑移系数下挤出产品形状对比Ｆｉｇ．４．６Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｔｒｕｄａｔｅｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｗａｌｌｓｌｉｐ挤出产品面积胀大比庐Ａ１／Ａ０是指挤出产品面积Ａ１（在ｚ＝１００ｍｍ的出口边界ＢＣ４处的产品断面）与挤出口型面积Ａ０之比值。图４．７为挤出产品面积胀大比口和滑移系数Ｋ的关系，图中明显看出变化关系分为三个阶段，ｋ＝ｌｅ７、ｌｅ８、ｎｏｓｌｉｐ为完全无滑移阶段，ｋ＝ｌｅ６、ｌｅ５、１ｅ４为滑移转变阶段，而ｋ＝－ｌｅ２、ｌｅ０、ｌｅ．２则为完全滑移阶段。１加１２他，１１：ｇ∞ｏｌ苗世１１０４１０。３１０。２１ｏ．１１００１０’１０２１０３１矿１０５１０６１０７１０８ｎｏｓｔｉｐＷａＨｓｌｉｐｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．ｋ图４．７挤出产品面积胀大比与滑移系数的关系Ｆｉｇ．４．７Ｒａｔｉｏｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｗｅｌｌｖｅｒｓｕｓｗａｌｌｓｌｉｐｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ７８上海交通大学博士学位论文３）对机头压力的影响在挤出过程中，机头压力是非常重要的工艺参数，机头压力太大，预示着要耗费更多的能量来将熔体挤出。机头压力和机头口模的结构形式及壁面光洁度有关，还和熔体材料的流变特性等有关。本分析中采用套筒入口压力表示机头压力。图４．８为不同滑移系数下的套筒入口压力大小对比。从中可非常明显的看出，套筒压力随着滑移系数的减小而减小，并且存在两个平台区和一个下降转变区，第一个平台区相对应于完全无滑移阶段，第二个平台区则对应着完全滑移阶段，中间则是从完全滑移到完全无滑移的粘．滑转变区。这就说明，壁面滑移是有利于减小口模内部压力的，使挤出更顺畅，减少能耗。３０２５一■３一可西ｍ２０定１５：１０５Ｏ１０４１ｏ－３１０‘２１０。’１００伯’１０２１０３１０‘１０５１０５１０７１０８Ｎｏｄ岫Ｗａｌｌｓｌｉｐｃｏｅｆｆｉｏｉｅｔ，Ｋ图４．８不同滑移程度下套筒压力对比图Ｆｉｇ．４．８Ｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｔｈｅｉｎｌｅｔｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄｖｅｒｓｕｓｗａｌｌｓｌｉｐ４）对口模内部流速的影响图４．９表示不同滑移程度下口模内部各流线及横截面（参见图４．３和图４．４）上的速度比较。在同一滑移条件下，口模内同一流线上各点速度相同，只是在出入口处有变化，说明口模内流动比较稳定，而出口附近有所动荡。口模内任意横断面上的速度分布随着滑移程度的增加越来越均匀，直至完全滑移状态时口模内各点的速度第四章ＥＰⅢ橡腔密封制齐出过程中工艺参数的影响分析相同。结合横断面上各点在口型上的位置分析可说明，口模内越宽的区域其流速越大，越窄的区域其流速越小。所以对于产品形状大小不规则的产品，其挤出口模不宜采用直流道形式，最好在窄的区域后部流道应适当加宽，目的是使流道内的速度大小分布更趋均匀。ｉｌ；。：三磊享；釜琵ｒ●：·ｔ＿１。ｊ差５ｉ－：＝：＝＝＝：＝＿＝＝一｛＃ｌ。—。一——ｆ，：｛ｌ·”‘－，·’！．：‘０Ｉ……０ＰＯ｛ｍ口∞帅ｂｎ０Ｍ∞ｎ５９０’０５…０１５１５０ｔＢｍｍ（ａ）ＮｏｓＺｉｐ｛ｇＯ１ｓＰＯ¨岬…ｋｈｏｚ…ｂｎｃ）女＝ｌｅ４０５０７５９０１０５１２０１３５１５０１６５ｍｍ５…５Ｐｏｎ畔㈣ｂ∞㈧∞ｎ３０｛５０７…１０５１２０１３５１５０１６５ｍｍ（ｄ】女＝ｌｅｏ图４．９不同滑移程度下口模内部各流践厦横截面上的速度比较Ｆ培４．９Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｓｉｄｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｗｉｔｈｖａｒｉｏｔｍｗａｌｌｓｌｉｐ图４．１０中的各图分别表示不同流线上的流速与壁面滑移的关系，为了充分说明口模断面内不同厚度位置（如比较薄的角部、比较厚的直边等部位）的速度变化情况，图中表示了Ｌｌ几２，Ｌ５，Ｌ８这四条流线的数据变化图。从图中的各数据图来看，可上海交通大学博士荦住论文以得出如下结论：ｌ、每一条流线上的每一个点的流速度与滑移有关，随滑移的变化而变化，或增或减。对于比较厚且变化比较平缓的区域，其流速随滑移的增加而减小；而对于比较薄且变化比较剧烈的区域，其流速随滑移的增加而增加。２、每一条流线上的速度变化无论增或减，都存在一个共同点，即存在完全无滑移区、滑移区及完全滑移区，当滑移系数ｋ＞ｌｅ７时为完全无滑移区，当滑移系数为ｌｅ７＞ｋ＞ｌｅ２时为滑移区，而当滑移系数为ｋ＜Ｉｅ２时为完全滑移区。｛箩∞∞Ｎｌｇ∞””¨口１０’ｌｆｆｌ－Ｏ’ｌＯ。１０ｔｏ‘１ｒ仃一’Ｏ’１ｒ“ｏ呻ｌｆｆ２ｌｆｆ’一１０付１０。１０＂１０１Ｋ１０＂１０７ｌｏ＇№蛳Ｗａ｜＊ｌｉｐ∞ＦｆｍｈｎＬＷａｌｌｄｉｐｃｏ●ｆｆ“ｅｎｔＫ图４．ＩＯ口模内郜各流践上的速度与滑移的关系Ｆｉｇ，４．１０Ｅｘｌｌｍｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｔｒ∽ｅｌｉＩｌｅｉｎｓｉｄｅｅｘｉｎｄｏｎｄｉｅｖｅｒ３１３５ｗａｌｌｓｌｉｐ５）小结从上述分析结果来看，壁面滑移对熔体速度、口模内压力、挤出产品形状和面积第四章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出过程中工艺参数的影响分析胀大等的影响很大，Ｎａｖｉｅｒ’ｓ滑移模型的滑移系数的影响存在很明显的三个区域，即完全无滑移区（ｋ＞ｌｅ７）、滑移区（１ｅ２＜七＜ｌｅ７）、完全滑移区（七＜ｌｅ２）。在完全无滑移区，速度分布最不均匀，口模压力最大，同时挤出产品胀大最明显；在完全滑移区，结果相反，即速度分布最均匀，口模压力最小，同时挤出产品大小和形状和挤出口形一致。在橡胶的实际挤出过程中，口模内壁的光洁度、口模和橡胶熔体的表面结合力是影响壁面滑移的重要因素。口模内壁表面越光洁，就越容易发生壁面滑移，但无论如何光洁，也做不到壁面完全滑移的状态。２牵引力（牵引速度）的影响上节分析中考虑壁面滑移的影响时，出口边界条件没有考虑牵引力（牵引速度）的影响，但在橡胶密封条的挤出过程中是有牵引力（牵引速度）的，而且牵引力（牵引速度）对挤出产品大小和形状有影响。为了单独分析牵引力（牵引速度）的影响，本节考虑壁面为无滑移边界条件，入口流量Ｑ＝１６００ｍｍ３／ｓ，牵引速度ｖ刎分别取２０ｍｍ／ｓ、２３ｍｍ／ｓ、２５ｍｍ／ｓ进行比较１）对挤出产品形状和面积大小的影响图４．１１为不同牵引速度下挤出产品（ｚ＝１００ｍｒｎ的ＢＣ４处）的形状对比，图中分别表示了挤出口型形状和牵引速度分别为２０ｍｍ／ｓ、２３ｍｍ／ｓ、２５ｍｍ／ｓ时的挤出产品形状。图４．１２则表示了挤出产品面积胀大比Ａ１／Ａ０与牵引速度的关系，其中挤出口型的面积为９５．１７ｍｍ２。结果表明在没有牵引速度的自由挤出状态下，挤出产品面积最大，胀大比为１．２１，此时挤出速度为１４．５ｍｍ／ｓ。当施加一个大于１４．５ｍｍ／ｓ的牵引速度在边界ＢＣ４时，挤出产品面积（ｚ＝１００ｍｍ的ＢＣ４处）将会缩小，随着牵引速度的进一步增加，胀大比将小于１，且牵引速度越大，胀大比越小。上海交通大学博士学位论文２ｌ＿】Ｄｉｅｌｉｐ２—Ｎｏｐｕｌｌｆ撕ｏｅ４－＃ｐｕｌｌ＝２３ｍｍ／ｓ５－Ｖｐｄｌ＝２５ｍｍ／ｓ图４．儿不同牵引速度下挤出产品形状Ｆｉｇ．４．１１Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｐｕｌｌｖｅｌｏｃｉｔｙ１．３１．２１．１１．００．９０．８ｏｏ僻Ｚ０．７ＮｏＨＩｌｌ砸Ｏｌｌ１８１９２０２１２２２３２４２５２６ＰｕｌｌｖｅｌｏｃｉｔｙＶｐｕｌｔ，ｍｍ／ｓ图４．１２挤出产品胀大比与牵引速度的关系Ｆｉｇ．４．１２Ｒａｔｉｏｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｗｅｌｌｖｅｒｓｕｓｔｒａｃｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ第四章ＥＰＩ）Ｍ橡胶密封条挤出过程中工艺参数的影响分析挤出产品从口模中挤出胀大后，其断面随着离开口模的距离和时间而变化，直到稳定。当有牵引力时，断面慢慢变小。为了详细地分析牵引速度对挤出断面在离开口模后达到稳定状态阶段的变化的影响，在图４．２计算模型的挤出体部分截取了１５个断面，断面位置用它到口模出口的距离表示，分别为Ｏ，ｌ，２，３，４，５，ｌＯ，１５，２０，３０，４５，６５，８５，９５，１００ｍｍ，其中０ｍｍ表示挤出１３模出口位置，１００ｒａｍ表示计算模型出口边界条件ＢＣ４的位置（假设已达到稳定状态）。图４．１３即为在不同牵引速度下挤出断面离开口模后其断面面积胀大比ＡＪＡ０与离开口模距离的关系。从图中可看出，当熔体从口模中挤出后发生胀大，其面积比挤出口型大，且在离口模很近的距离之内（３ｍｍ之内），胀大变形量随拉伸速度的增加而减小。当胀大到最大形状后，断面由于拉伸速度的影响逐步减小，且随着离开口模距离的增加断面越来越小，并小于挤出口型面积，直到稳定。图中在无拉伸状态下，挤出断面胀大后保持不变，胀大比大于１。而拉伸速度越大，其断面缩小得越快，胀大比越小（均小于１）。由此看出，牵引速度对挤出产品大小影响很大，这与实际生产规律一致。１．３１．２１．１１．ＯＯ．９０．８０．７０．６０．５０２０４０６０８０１００Ｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｅｘｔｒｕｄａｔｅａｎｄｄｉｅｌｉｐ．ｍｍ图４．１３不同牵引速度下挤出断面胀大比与离开口模距离的关系Ｆｉｇ．４．１３ＲａｔｉｏｏｆｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｗｅｌｌｖｅｇｓＬＩＳｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｅｘｔｒｕｄａｔｅａｎｄｄｉｅｌｉｐｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｔｒａｃｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ１１４上海交通大学博士学位论主２）对出口剪切速率分布的影响熔体从口模中挤出后的胀大变形和出口断面的剪切速率分布有关，图４．ｔ４为牵引速度分别为２０ｍｍ／ｓ、２３ｍｍ／ｓ、２５ｍｍ／ｓ及无牵引速度时的挤出口模出口处的剪切速度分布图，几种情况下剪切速率分布都是一样。说明虽然牵引速度不一样，但是在１３模出口的剪切速率分布及大小是一样的，所以在出口后的挤出胀大变形相同，后续挤出胀大变形不一样是牵引速度影响的结果。蠛：菩’３）对口模内流动速度分布的影响与前面研究口模内速度分布的方法一样，通过分析不同流线及不同横断面的速度分布来研究牵引速度的影响。图４．１５（ａ）一４１５∞为不同流线上不同牵引速度时的速度比较图。图４．１６（ａ）－一４．１６（ｂ）则为不同横断面上不同牵引速度时的速度比较图。图４．１５（ａ）－－４．１５嘞表明同一流线上各点的速度是一样的，而且和牵引速度无关。图４１６（ａ），－４．１６（ｂ）Ｎ表明虽在同一横断面上的各点速度不一样，但对于同一点来说的速第四章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出过程中工艺参数的影响分析度与牵引速度无关。由此充分说明，挤出流动时，外在的牵引速度并不影响口模内的速度分布及大小。８６４２０８６筠４：！；；２｛５；¨弘０８甚匕Ｅ．筝６４２Ｏ８瞻琶■Ｃ．璺弘４弘２弘００Ｉ．５３．０４５６０７．５９．０１ｎ５１２．０１３５１５．０１６．５ＰｏｉｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎａｔＯ６一１５·１．５００＇．５３．０４５６０７．５ａｔ９０１０．５１２０１３．５１５．０１６．５Ｚ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．ｍｍＰｏｉｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎＺ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．ｍｍ图４．１５不同牵引速度时各流线的速度比较图（ａ）Ｌ１；（ｂ）Ｌ８Ｆｉｇ．４．１５Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｐｏｉｎｔｓａｔｔｈｅｔｒａｃｅｌｉｎｅｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｔｒａｃｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ（ａ）ＬＩ；（ｂ）Ｌ８弱∞∞∞巧墨；『Ｅ．Ⅳ｜一．ｕ∞侣竹５ＯＰ１户２Ｐ３Ｐ４Ｐ５Ｐ６Ｐ７Ｐ８Ｐ９ＰＬＯＰｌｌＰ＇２Ｐ１３Ｐ１４Ｐ１５ＰｌＰ２Ｐ３Ｐ４Ｐ６Ｐ６Ｐ７Ｐ８Ｐ９ＰｔＯＰｌｌＰｌ２Ｐ１３Ｐ１４Ｐ１５ＰｏｉｎｔＰｏｉｎｔ图４．１６不同牵引速度时横断面上的速度比较图（ａ）Ｓ６（ｚ＝７．５）；（ｂ）Ｓｌｌ（ｚ＝１５）Ｆｉｇ．４．１６Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｐｏｉｎｔｓａｔｔｈｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｔｒａｃｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ（ａ）Ｓ６（ｚ＝７．５）；（ｂ）Ｓ１ｌ（ｚ＝１５）上海交通大学博士学位论文４）小结由上述对牵引速度影响的分析可知，在挤出流动过程中，外在的牵引速度对口模内的流动情况是没有影响的，对出口的剪切速率分布及大小也没有影响，所以即使牵引速度不同，但在出口后短时间短距离内的挤出胀大确是相同的。随着挤出熔体离开口模的时间和距离增加，产品断面形状和大小与牵引速度有关，牵引速度越大，产品断面变化越大，且最终的稳定断面越小。３流量的影响在挤出工艺控制中，流量是通过调节挤出机螺杆转速而设置的，也是影响挤出产品的重要因素之一。在分析模型中，流量通过边界条件ＢＣｌ设置。前面的分析中，未考虑流量变化的影响，均设置入口流量为恒定值。本节的则着重分析流量变化对挤出产品和挤出过程的影响，壁面不考虑滑移，流量Ｑ分别为８００ｍｍ３／ｓ、１０００ｍｍ３／ｓ、１２００ｍｍ３／ｓ、１４００ｍｍ３／ｓ、１６００ｍｍ３／ｓ，分别考虑无牵引速率状态和有牵引速率状态Ｖｐｕｎ＝２０ｍｍ／ｓ。１）对挤出产品形状和面积大小的影响分别考虑无牵引速度挤出状态和牵引速率度Ｖｐｕｌｌ＝２０ｍｍ／ｓ的挤出状态。（１）无牵引速率挤出状态图４．１７表明没有牵引速度的挤出状态，在不同流量边界条件下所得到的稳定状态挤出产品断面大小和形状是一样的。图４．１８则为在不同流量下，挤出产品离开口模后的断面胀大比变化与离开口模距离的关系，图示表明，挤出断面胀大变化与流量也无关。然而，在实际橡胶密封条的挤出控制过程中，流量大小对挤出产品大小是有影响的。计算与实际结果不一致的原因主要是实际的橡胶材料是粘弹性的，挤出后产品胀大包含弹性回复变形，而在本计算中，仅考虑材料为纯粘性材料，没有弹性变形，胀大仅由挤出速度重分布引起。同时由于没有牵引速度，当产品从口模中挤出胀大稳定后，并不受到牵引力而变形，所以断面大小保持不变。第四章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出过程中工艺参数的影响分析Ｅ蛆川ｄ－协图４．１７不同流量下的挤出变形对比（无牵引速度）Ｆｉｇ．４．１７Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｆｌｏｗｒａｔｅｓ（ｎｏ仃ａｃｔｉｏｎ）荨窨§童量誊芎罨《．１０Ｏ１０２０３０４０５０６０７０８０９０１００¨ＯＤｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｅｘｔｔｕｄａ协ａｎｄｄｋ｜ｉｐ。ｍｍ图４．１８不同流量下的挤出断面胀大比与离开口桢距离的关系（无牵引速度）Ｆｉｇ．４．１８Ｒａｔｉｏｏｆｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｗｅｌｌｖｅｒｓｕｓｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｅｘｔｒｕｄａｔｅａｎｄｄｉｅｌｉｐｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｆｌｏｗｒａｔｅｓ（ｎｏ仃ａｃｔｉｏｎ）（２）牵引速度为２０ａｕｎ／ｓ图４．１９为当牵引速度为２０ｍｍ／ｓ时，不同流量下挤出产品断面变形对比图，图示表明，当存在外在的牵引速度时，最终挤出产品断面大小与流量大小密切相关，且随着流量的减小而减小，而挤出产品形状是相似的，这和实际密封条挤出控制过程和结果是完全一致的，在实际产品挤出过程中，必须施加一定的牵引速度（牵引力），并通过调节流量来调整断面大小。图４．２０则为当牵引速度为２０ｎｕｎ／ｓ时，不同流量下的挤出段面胀大比与离开口模距离的关系。从该图中可发现，挤出产品在离开口模２－３ｍｍ之内是膨胀的，其胀大量和流量有关，但相差很小，随着进一步的挤出，离开口模３ｍｍ后，挤出产品断面开始收缩，胀大比减小，直至稳定状态，且胀大比均小于１。流量越小，收缩越快，胀大比越小，断面越小。由此可看出，由于牵引速度的存在，流量对挤出断面具有很明显的影响。＂１２００ｒａｍＩｓｌ＿ＤｉｅＩｉｐ５－－Ｑｆｆｉｌ４００ｍｍ／ｓ吣１６００ｒａｍ／ｓ２－－．Ｑ＝８００ｍｍ／ｓ３－－Ｑ＝ｌＯＯＯｍｍ／１图４．１９不同流量下的挤出变形对比（牵引速度Ｖ，．ｔｌ＝２０ｍｍ／ｓ）Ｆｉｇ．４．１９Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｆｌｏｗｒａｔｅｓ（ｔｒａｃｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙＶｐｕｌｌ＝２０ｍｍ］ｓ）１２，１｝１Ｏ￡襄Ｏ９案Ｏ８弓０７蓄Ｏ６薹ＯＳ藿Ｏ４ｏ１０２０３０４０５０∞７０８０９０ｌｏｏ１１０Ｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｅｘｔｒｕｄａｔｅａｎｄｄｉｅｌｉｐ．ｍｎｔ图４．２０不同流量下的挤出断面胀大比与离开口犊多巨离的关系（牵引速度Ｖ，。，，＝２０ｍｍ／ｓ））Ｆｉｇ．４．２０Ｒａｔｉｏｏｆｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｗｅｌｌｖｅｒｓｕｓｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｅｘｔｒｕｄａｔｅａｎｄｄｉｅｌｉｐｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｆｌｏｗｒａｔｅｓ（ｔｒａｃｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ‰１＝２０ｍｍ／ｓ）８９第四幸ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出过程中工艺参数的影响分析２）对口模出口断面上的剪切速率的影响图４．２１（ａ）、图４２１∞分别为流量Ｑ＝ＳＯＯｍｍ３／ｓ和Ｑ＝１６００ｍｍ３／ｓ的出口断面剪切速率分布图，两图中剪切速率分布一样，只是数值大小不一样，前者为（６０５－＇－２７．４）Ｉ／ｓ，后者为０２．１～５４．９）１／ｓ。类似的，其他流量下的剪切速率分布也是一样的，但数据范围不一样．详见表４．１。从表中可看出，不同流量下，出口断面剪切速率的数据范围虽然不一样，但是最大与最小剪切速率之比却是一样的，这说明，挤出产品胀大除了与出口断面剪切速率分布有关外，还与断面上不同点的剪切速率之比值有关。蓬ｐＦｉｇ４２１《：｛＝：ＥＱ■鲑爱Ｌｆｂ）Ｑ＝ｔ６００ｍⅡｍｒａｔｅｓｒａｔｅｓ图４２１不同流量下的出口断面剪切速率分布图（ａ】Ｑ－８００舳’／ｓ；（ａ）Ｑ＝１６００ｍａ’／ｓ；Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｈｅａｒｒａｔｅｓａｔｄｉｅｅｘｉｔｆａｃｅｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｆｌｏｗ表４．１流量、剪切速率数据表Ｔ曲ｌｅ４１ＦｌｏｗＦＩｏｗｒａｔｅｓａｎｄｓｈｅａｒｒａｔｅ．ｍｍ饥８００１０００１２００１４００１６００红，ｌ／ｓ６．０５７．５７９０８１０．６１２ｌｋ，Ｉ，ｓ３４．３４ｌ２４８５４９ｒ黼，，栅４５３４５３４．５４４．５３４５４上海交通大学博士学位论文３）对口模内压力的影响图４．２２为压力和流量的关系，压力随流量增加而增大，并且呈现线性关系。∞勰箱Ｎ∞艮：笼幻侣，窖罡皿８００’Ｏ∞Ｆｌｏｗ１２００１４００１６００ｎｉｌｅ．ｍｍ３，搴图４．２２套筒入口压力和流量的关系Ｆｉｇ．４．２２Ｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｔｈｅｉｎｌｅｔｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄｖｅｒｓｕｓｆｌｏｗｒａｔｅ４）小结由上述流量影响的分析结果可知，流量对挤出产品断面大小的影响与是否存在牵引速度有关：（１）（２）当挤出过程无牵引速度时，流量对最终挤出产品大小没有影响；当挤出过程有牵引速度时，流量对挤出产品断面大小影响很大，在同一牵引速度下，流量越大则挤出产品越大。（３）口模内的压力与流量有关，基本成正比关系。４牵引速度和流量的共同影响在实际生产的挤出调试过程中，为了得到同一断面大小的产品，在挤出口模不变的情况下，通常是通过调节流量（螺杆转速）和牵引力（牵引速度）这两种工艺参数大小的方式来实现，具体的调节量主要是依靠经验来实现的。那么，对于流量和牵引速度的调节量大小是否存在某种关系呢？为了得到图４．２３所示的挤出产品大小９１第四章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出过程中工艺参数的影响分析和形状，需要对流量和牵引速度进行调整，图４．２４为计算得到的流量和牵引速度对应关系图。由此看出，为了得到同一断面大小的挤出产品，当牵引速度增加时，流量也必须加大，而且牵引速度和流量对应的是正比的线性关系。这点对实际生产具有一定指导意义。图４．２３挤出口型和挤出产品断面Ｆｉｇ．４．２３Ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｄｐｒｏｄｕｃｔａｎｄｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｌｉｐ镗｛；；；昌笳箱也的侣侣¨８００１０００１２００１４∞１６００Ｆｌｏｗ馆ｔｅ．ｍｍ３，ｓ图４．２４为了得到同一挤出断面时流量和牵引速度的关系（ＢＣｍｏｄｅｌ）Ｆｉｇ．４．２４Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｒａｔｅａｎｄｔｒａｃｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｆｏｒｔｈｅｓａｍｅｅｘｔｒｕｄａｔｅ（ＢＣｍｏｄｅｌ）９２上海变通大学博士学位论文４３不同材料模型的比较分析在上节的分析过程中，把橡胶熔体材料假设为纯粘性的材料，并未考虑其弹性特性。在本节中，则分别假设橡胶熔体材料为纯粘性的Ｂｉｒｄ－ｃａｒｅａｕ模型和Ｐ１Ｔ模型，进行对比计算，从而分析材料模型对计算结果的影响及使用不同材料模型的意义，为进一步的模拟分析提供指导。由于考虑了材料的粘弹性后，存在高Ｗｅｉｓｓｅｎｂｅｒｇ数问题，容易出现数值计算困难并可能致使计算中断，而且运算时间长，如果模型复杂，计算有可能无法完成。４．３．１计算模型为了单纯分析材料模型的影响，本节计算中采用简单的直流道模型，见图４．２５。边界条件设置方式与前面模型相同，其中入口流量条Ｑ＝１６００ｍｍ３１ｓ，口模壁面假设无滑移。图５．２５直流道计算模型Ｆｉｇ．４．２５ＦＥＡｍｏｄｅｌｏｆｓａ＇ａｌｇｈｔｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ９３第四章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出过程中工艺参数的影响分析４．３．２材料模型和第四章的分析一样，材料模型分别假设为纯粘性的ＢＣ模型和粘弹性的ＰＴＴ模型。ＢＣ模型及参数同前，ＰＴＴ模型材料参数为：１＂１０－－２４００００，’１ｒ＿０．５，ｋ＝ｌ，ｅ＝０．８，‘一１。４．３．３结果分析１挤出胀大比较图４．２６（ａ）、图４．２６（ｂ）表示的是在无拉伸的自由挤出条件下，材料模型分别为ＢＣ模型和ＰＴＴ模型时的挤出胀大变形图；图４．２７（ａ）、图４．２７（ｂ）贝ＪＪ表示的是当牵引速度Ｖｚ＝２３ｍｍ／ｓ时，材料模型分别为ＢＣ模型和ＰＴＴ模型时的挤出胀大变形图。图示表明，当采用ＰＴＴ粘弹性模型，熔体挤出后的胀大变形很明显，比采用ＢＣ模型时更大。当有牵引速度时，熔体在挤出胀大后由于受到牵引速度的拉伸影响，其断面收缩得很快，直到稳定状态。有牵引速度时的稳定状态断面比自由挤出状态下小。为了更为清楚地了解熔体从口模中挤出后其断面的变化情况，在图４．２８中表示了挤出熔体面积胀大比与离开口模距离的关系，图中清楚的表明，熔体从口模中挤出后即发生胀大，在很短的时间内胀大达到最大。在没有牵引速度的自由挤出状态，采用ＰＴＴ粘弹性模型时，熔体挤出面积胀大达５７％，而采用ＢＣ纯粘性模型时，其胀大仅为２０％，挤出胀大随后保持稳定。当存在牵引速度时熔体挤出胀大的最大值比没有牵引速度的自由挤出状态小，而且由于牵引速度的影响，熔体胀大到最大值后随即慢慢收缩，直到稳定状态。值得注意的事，在稳定状态，采用ＰＴＴ粘弹性模型时的断面胀大和采用ＢＣ纯粘性模型时的断面胀大是一样的，由此说明：１）最终挤出产品的大小主要和牵引速度有关，牵引速度越大，最终产品面积越小。２）在进行挤出模拟中，如果是为了分析稳定状态的挤出产品结构，则可以采用纯粘性材料模型来模拟计算，确保运行顺利完成，而且节约计算时间和成本。上海交通大学博士学位论文鬈ｂ嬲Ｆｉｇ．４．２６●…”’三。。一＾ｒ＿？，ｊ㈡Ｉ｛２…１４…。２…三：…。口，＝Ｖｚ∽，ｊ∥，，ｉ拦ｂ（ａ）把Ｌ’：＝＿＿堑岁ｍ“目（ｂ）辫ｉ方纱／／、一Ｌ７。－【圈４．２７牵引速度为２０衄／ｓ下不同材料模型时的挤出胀太变形图（ａ）ＢＣｍｏｄｅｌ；（ｂ）ＰＴＴｍｏｄｅｌＦｉｇ４．２７Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｅ；｛ＵｕｄｓｔｅｗｉｔｈＢＣｍｏｄｅｌａｎｄＰＴＴｍｏｄｅｌ（ＶⅢ；２０ｍⅡ岣第四章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出过程中工艺参数的影响分析１１１１１１１，１１１０００．１００１０２０３０４０５０６０７０８０９０１００１１０Ｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｅｘｔｒｕｄａｔｅａｎｄｄｉｅｌｉｐ。ｍｍ图４．２８挤出体面积胀大比与离开口模距离的关系Ｆｉｇ．４．２８Ｒａｔｉｏｏｆｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｗｅｌｌｖｅｒｓｕｓｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｅｘｔｒｕｄａｔｅａｎｄｄｉｅｌｉｐｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌ２流量的影响在前面已经分析过，当采用纯粘性的ＢＣ模型时，在无牵引速度的自由挤出状态下，挤出产品胀大大小与流量无关；而在有牵引速度的情况下，挤出产品胀大大小与流量有关，流量越小，挤出产品面积越小。那么，当采用粘弹性的ＰＴＴ材料模型时，流量的影响又如何呢？图４．２９（ａ）、图４．２９（ｂ）分别表示无牵引速度状态和有牵引速度状态时的挤出体面积胀大比与离开口模距离的关系。在没有牵引速度时，采用Ｐ１ｖｒ粘弹性模型，流量对挤出体面积胀大比影响不大。但是在有牵引速度时，无论是采用ＰＴＴ模型还是采用ＢＣ模型，流量对挤出体面积胀大比都有显著影响，流量越大，胀大比越大。在同一牵引速度及同一流量下，无论是ＰＴＴ模型还ＢＣ模型，稳定状态下挤出产品胀大比是一样的。上海交通大学博士学位论文１．７１．６１．５１．４１．３１．２暑１．１叱佰１．０．１００１０２０３０４０５０６０７０８０９０１００１１０Ｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｅｘｔｒｕｄａｔｅａｎｄｄｉｅｌｉｐ，ｍｍ１．４２１．００．８０．６０．４ｏ叠西Ｚ０，２０，０一１００１０２０３０４０５０６０７０８０９０１００１１０Ｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｅｘｔｒｕｄａｔｅａｎｄｄｉｅｌｉｐ，ｍｍ图４．２９不同牵引速度下挤出断面胀大比与离开口模距离的关系（ａ）无牵引速度：（ｂ）牵引速度Ｖ＂．＝２０ｍｍ／ｓＦｉｇ．４．２９Ｒａｔｉｏｏｆｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｗｅｌｌｖｅｒｓｕｓｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｅｘｔｍｄａｔｅａｎｄｄｉｅｌｉｐｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｔｒａｃｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ（ａ）Ｎｏｔｒａｃｔｉｏｎ；（ｂ）ＴｒａｃｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙＶ旷２０ｍｍ／ｓ第四章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出过程中工艺参数的影响分析３牵引速度和流量的综合影响图４．３０为采用ＰＴＴ模型时，若要得到同一大小的挤出产品，牵引速度和流量大小的对应选择方案。图示说明各方案基本在同一条直线上，满足正比的线性关系，那是因为采用ＰＴＴ模型时，流量和牵引速度虽然对挤出体胀大均有显著影响，但其最终稳定状态产品和采用ＢＣ粘弹性模型是一样的。２４２２２Ｏ１８１６，４１０００１１００１２００１３００１４００１５００１６００Ｆｌｏｗｒａｔｅ。ｍ一／ｓ图４．３０为了得到同一挤出断面时流量和牵引速度的关系（ＰＴＴ模型）Ｆｉｇ．４．３０Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｒａｔｅａｎｄｔｒａｃｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｆｏｒｔｈｅｓａｍｅｅｘｔｒｕｄａｔｅ（ＰＴＴｍｏｄｅｌ）４材料模型对口模内部压力的影响计算结果表明，采用ＢＣ纯粘性模型和ＰＴＴ粘弹性模型时口模入口压力分别为２５．４Ｍｐａ和１４６Ｍｐａ。因为采用粘弹性模型时，１：３模内的压力急剧增加，这是由于熔体的弹性变形储存了大量变形能，而形成一部分压力降，导致总体压力增加。上海交通大学博士学位论文４．４小结上述研究中通过计算模拟的方法详细的分析了复杂结构橡胶密封条的挤出过程，分析结果和结论对于工艺参数调试过程具有重要的指导价值，并为橡胶制品的挤出模拟分析提供了完整的思路和方法。计算结果总结如下：ｌ、壁面滑移对熔体速度、口模内压力、挤出产品形状和面积胀大等影响很大。说明在橡胶的实际挤出过程中，口模内壁的光洁度、口模和橡胶熔体的表面结合力是影响壁面滑移的重要因素。口模内壁表面越光洁，就越容易发生壁面滑移。２、挤出流动过程中，挤出牵引对口模内的流动情况没有影响。即使牵引速度不同，在出口后短时间短距离内的挤出胀大却相同。随着挤出熔体离开口模的时间和距离增加，产品断面形状和大小与牵引速度有关，牵引速度越大，产品断面变化越大，且最终的稳定断面越小。３、流量对挤出产品断面大小的影响与是否存在牵引速度有关：当挤出过程为无牵引速度的自由挤出时，流量对最终挤出产品大小没有影响；当挤出过程有牵引速度时，流量对挤出产品断面大小影响很大，在同一牵引速度下，流量越大则挤出产品越大。４、若要挤出得到相同大小的产品断面，流量和牵引速度的调整符合正比的线性关系，即当牵引速度增加时，流量也必须线性加大。这点对实际生产是有重要的指导意义的５、当存在牵引速度时，计算采用的材料模型（纯粘性模型和粘弹性模型）对挤出流动状态有影响，但对最终稳定状态下的挤出断面影响不大。说明在进行比较复杂的模拟分析时，可以近似考虑采用纯粘性模型，以避免因考虑粘弹性模型计算而难以收敛的问题，同时节约计算成本。第五章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出流道正向设计分析及其实验验证第五章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出口模流道的正向设计分析及其实验验证５．１引言第四章详细分析了挤出工艺参数对挤出状态的影响，同时计算得到出口断面上的速度分布不均匀，导致挤出断面各部位的胀大变形也不均匀，因此挤出断面和挤出口型形状相差较大。为了得到合理的变形更均匀的挤出断面，需要使出口断面上的速度分布更均匀。出口速度分布与口模流道结构有关，合理的流道结构有助于快速调试出所需要的产品结构，所以本章的目的就是研究如何通过正向模拟方法分析和设计出合理的口模流道结构。所谓正向模拟分析方法是指根据固定的口模结构（包括口型和流道）模型，采用ＣＡＥ方法根据速度重分布原则计算挤出体的变形状态。首先通过对不同流道结构的比较分析，得出实际生产中可以使用的合理结构。然后根据流量平衡原理，结合计算机模拟分析工具，提出一套进行定量设计流道结构的方法。相对于传统依据经验的流道调试过程，该方法是计算机在流道设计应用上的突破，对于实现口模的数字化设计加工具有重要意义。用于流道挤出设计分析的橡胶密封条产品断面如图４．１中的实线所示。由于实际挤出过程中是有牵引力（牵引速度）的，因为牵引的作用使得产品断面缩小，所以挤出口型要比产品断面大，图中的虚线即为设计的口模挤出口型形状。５．２挤出流道结构比较分析由于图４．１所示断面结构复杂，并具有相似对称的特点，为了研究方便，研究中针对ｌ／４对称部分进行分析得出一些基本的流道结构形式，然后通过实际口模结构加以验证。１００上海交通大学博士学位论文５．２．１１／４口型的挤出流道模型分析１直流道口模分析图５．１为１／４口型挤出的三维分析模型及边界条件，设置如下：ＢＣ．１——入口流量边界条件，Ｑ＝４５００ｍｍａ／ｓＢＣ－２——假设壁面满足Ｎａｖｉｅｒ’ｓ滑移边界条件：厂（’，）＝一ｋ（ｖ一１，讪）２，其中ｋ＝－Ｉ，ｅ＝ｌｅ６。ＢＣ．３——自由面边界条件ＢＣ一４＿出口边界条件：六＝，＝０。，一Ｊ．：ＢＢＣ图５．１ｔ／４口型挤出的三维分析模型及边界条件Ｆｉｇ．５．１３Ｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｆｏｒ１／４ｐｒｏｆｉｌｅａｎｄｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ１０１第五章ＢＰＤＭ橡胶密封条挤出流道正向设计分析及其实验验证由于该分析模型复杂，根据第五章材料模型的比较分析结果，与５．２节一样，材料模型采用ＢＣ纯粘性模型。图５．２为ｌ／４直流道口模在出口处挤出速度分布图，图中显示出口速度分布很不均匀，在１２１型窄缝隙处如小唇边（区域１）内速度很小，而在口型宽缝隙处（区域３）的速度很大，这是因为口型中区域１和区域２、３、４宽度尺寸相差太大，而直流道的成型长度是一样的，胶料在这些区域中流动时所受到的挤出阻力（压力）也就相差很大。图５．３为口模入口处的挤出压力分布图。胶料从口模中挤出后由于速度重分布和弹性回复会产生膨胀收缩现象，即巴拉斯效应，速度分布越不均匀，则出口剪切速率的分布也越不均匀，导致各部位的膨胀收缩量相差很大（剪切速率大膨胀量大，反之亦然），这将使挤出产品大小和形状更难准确预测。图５．４为出口剪切速率分布图，图５．５为挤出口型和挤出断面的比较图，表明挤出断面各部位的胀大变形差异很大。由此可知，为了得到所需要的产品断面，除了挤出口型设计要合理外，还必须有合理的流道，使口模出口处挤出速度分布均匀，各部位胶料流动所受的挤出阻力（压力）均匀。为此，设计采用如下两种流道结构：ｌ、入口扩充流道：增加大缝隙处挤出成型直流道长度，或缩短小缝隙处挤出成型直流道长度。由于挤出口模厚度是均匀的（ｈ＝１５ｒｎｍ），可以通过加宽加深小缝隙处的入口流道，从而缩短小缝隙处挤出成型直流道长度，以降低小缝隙处挤出胶的流动阻力，增加其流动速度；２、阻尼块：在口模大缝隙对应的流道上设置阻尼块，以调节大缝隙处挤出胶的流动阻力，使其流动速度减小至与口模小缝隙处胶料挤出速度一致。上海交通大学博士学位论吏蠛：虻：靛ＦＩ晷５．２－－翊Ｖｚ．ｍｍ，ｓ图５．２直流道口模出口的挤出速度分布图Ｏｕｔｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｔｒａｉｇｈｔｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｍｏｄｅｌ一一一一一＊”∞“∞∞∞∞船艟驰疆珂≈，；堂盈—■Ⅲ囤５３直流道口模入口区域的压力分布囤Ｆｉｇ５．３Ｉｎｌｅｔｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｄｉｅｏｆｓｔｎｄｇｈｔｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ【ｍｏｄｅｌ第五章ＥＰＤＭ橡胶密封务挤出流道正向设计分析属其实验验证∞∞∞∞∞∞∞，∞∞∞¨¨¨∞＊∞∞ｍ∞∞。Ｉ日，ｐ∞Ｓｈｅａｒｒａｔｅ．ｔ图５．４直流道口模出口剪切速率分布图ＦＩＳ．５．４Ｏｕｔｌｅｔｓｈｅａｒｒａｔｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｔｒａｉｇｈｔｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｍｏｄｅｌ图５．５直流道口模出口口型和挤出产品断面比较囤Ｆｉｇ，５．５ｃｏｍｐ州ｓｏｎｏｆｄｉｅｅｘｉｔｓｈａｐｅａｎｄｅｘ＝ｔｒｕｄａｔｅｓｌｏｐｅｏｆｓｔｒａｉ曲ｔｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｍｏｄｅｌ上海交通大学博士学位论文２口模入口流道加宽加深（扩充流道）的影响分析根据挤出口型特点，将口模内窄缝隙区域１的入口流道加宽加深，减少胶料在该区域的流动阻力，如图５．６所示，图中Ｈ１表示加宽后的入口流道的深度，本小节研究的就是深度Ｈ１的变化对口模出口速度的影响。为了比较不同状态下的口模出口速度，在挤出口型上不同区域选择一些有代表性的点，着重比较这些点上的速度变化，以此找出Ｈ１的影响规律，图５．７为口模出１：３断面上的布点分布示意图，图中Ｐｉｉ中的ｉ代表区域，Ｊ代表点的序号。ｔＯｕｔｌｅｔＴｈｉｎｆｌ图５．６窄缝隙区域１的入口流道加宽加深示意图Ｆｉｇ．５．６Ｅｘｔｅｎｄｅｄｉｎｌｅｔｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｉｎｐａｒｔ－１第五章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出流道正向设计分析及其实验验证图５．７口模出口断面上的布点分布示意图Ｆｉｇ．５．７Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐｏｉｎｔｓｗｉｔｈｉｎｄｉｅｅｘｉｔｐｒｏｆｉｌｅ图５．８（ａ）～图５．８（ｄ）分别表示区域ｌ～区域４中各点出口速度与入口槽深的变化关系。图５．８（ａ）表明开槽区域ｌ处出口速度随着槽深的增加而增加；图５．８（ｂ）及图５．８（ｄ）则表明区域２和区域４处远离开槽处的点（Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ４３、Ｐ４４）的速度减小比较明显，靠近开槽处的点（Ｐ２３、Ｐ２４、Ｐ４１、Ｐ４２）的速度变化较小或者轻微增加。图５．８（ｃ）表明区域３处出口速度随着槽深的增加而有轻微增加，越靠近开槽处其速度增加越明显。各区域总体变化说明，槽的深度会影响速度分布，尤其影响开槽区域及其附近区域。槽深的增加会增加开槽区域及其附近区域的流速，而远离开槽的区域其速度则会减小。开槽对出口速度的影响是呈放射状的，近的区域增加，远的区域减小。上海交通大学博士学位论文１加２８０１２０２∞萼１００ＥＥ．８０董２４０Ｅ＞箩２２０６０４０Ｏ２４６８１０１２１４２００１８００２４６８１０１２１４Ｈ１．ｍｍＨ１．ｍｍ（ａ）ＰＩｌ～Ｐ１４ａｔｐａｒｔ－１（ｂ）Ｐ＇２１－Ｐ２６ａｔｐａｒｔ－２０００００ｓ，ＥＥ．Ｎ＞０００２９０．１２８０ｊＩ＝＝二＝｝＝＝ｌ＝ｊ＝＝Ｉ驼针∞纷捣刀筋巧Ｍ００２４６８１０１２１４Ｈ１．ｍｍ烀２４０烈—～～＃当２３０｛－——４—～▲星２６０｛Ｊ２７０ｊ网｛：阿Ｐ４３２ｉ１４’７—１８１０１２０２４Ｈ１．嗍６ｏＰ３１～Ｐ３５ａｔｐａｒｔ－３（ｄ）Ｐ３１一Ｐ３５ａｔｐａｒｔ－４图５．８扩展流道出口口型各区域中出口速度与入口槽深Ｈ１的关系Ｆｉｇ．５．８ＲｅｌａｔｉｏｎｏｆｏｕｔｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｖａｒｉｏｕｓｐａｒｔｓｗｉｔｈＨ１出Ｉ：３速度分布均匀性还可用方差ｏｒ及速度差异的极值（△矿）ｌｉｍ来表征。设图５．７所示出口断面上点Ｐ０的出口速度为巧，ｉ＝１－－４，ｊ２１－６，则，方差为：盯：∑眈一矿盯＝一、９，式中矿：∑乡‘为％的平均值，疗＝１９代表巧的个数；速度差异的极值（△ｙ）陆为：（△矿）劬＝（巧）一一（巧）曲１０７第五章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出流道正向设计分析及其实验验证图５．９为出口速度方差仃和速度差异的极值（△ｙ）陆与入口槽深Ｈ１的关系，表明随着槽深的增加，仃和（△ｙ）胁均减小，说明出口速度分布越均匀。乏ｊｊ番图５．９出口速度方差∥和速度差异的极值（△ｙ）岫与入口槽深８１的关系ＲｅｌａｔｉｏｎＦｉｇ．５．９ｏｆ盯ａｎｄ（△矿）触ｏｆｏｕｔｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙｗｉｔｈＨＩ３阻尼块流道的影响分析图５．１０所示为在口模大缝隙区域３的流道内增加阻尼块，图中的窄缝隙区域１处保持入口扩充流道，高度Ｈｌ＝１０ｍｍ。在流道中增加阻尼块后，阻尼块所对应区域胶料流动的阻力将增大，其流速会变小，相应的，其它一些区域的流速也将发生变化。阻尼块的位置和高度不同，其对流动的影响是不一样的，图５．１０中所示的阻尼块位于口型的区域３中（见图５．７），其高度零点从口模入口算起，高度Ｈ２对出口面上不同区域点的流速的影响见图５．１ｌ（ａ卜图５．１ｌ（ｄ）。图示表明阻尼块高度对各区域出口速度的影响是不一样的，各点速度变化与该点和阻尼块的距离有关，距离越近所受影响越大。区域１、２、３的速度是减小的，而区域４的速度是增加的。当阻尼块高度Ｈ２超过窄缝隙区域１中入口槽深Ｈ１时，各点速度均呈现比较大的变化，阻尼１０３上海交通大学博士学位论文块周围区域各点速度急剧减小，而距离阻尼块较远的点的速度则急剧增加。＋ＯｕｔｌｅｔｖｉｅｗＤａｍｐｅｒＩｎｐａｒｔ－３Ｔｏｐｖｉｅｗ图５．１０Ｆｉｇ．５．１０口模内增加阻尼块示意图Ｍｏｄｅｌｓｗｉｍｄａｍｐｅｒ１１１１００Ｏ０００ｓ，ＥＥ．Ｎ＞∞、Ｅ．０００击一４－２０２４弱盯筋巧孔船挖到扣伯０６８１０１２１４击４－２０２４６８１０１２１４１６Ｈ２．ｍｍＨ２．ｍｍ（ａ）Ｐ１ｌ～Ｐ１４ａｔｐａｒｔ－１Ｃｏ）１）２１～Ｐ２６ａｔｐａｒｔ－２１０９第五章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出流道正向设计分析及其实验验证０３２００３００２８０望０２６０２４０２２０２００ＥＥ鼍气墨００００罗１∞．６＿．－２０２４６８１０１２１４Ｈ２．ｍｍ；；约筋”筋衢孔筋０．６ｏ．２０２４６８１０１２１４Ｈ２．ｍｍ＠Ｐ３１－Ｐ３５ａｔｐａｒｔ－３（ｄ）Ｐ４１～Ｐ４４ａｔｐａｒｔ－４图５．儿阻尼块流道出口口型中各区域出口速度与阻尼块高度Ｈ２的关系Ｆｉｇ．５．１１ＲｅｌａｔｉｏｎｏｆｏｕｔｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｖａｒｉｏｕｓｐａｒｔｓｗｉｔｈＨ２相应的，图５．１２为出口速度方差仃和速度差异的极值（△矿）陆与阻尼块高度Ｈ２的关系，表明随着高度Ｈ２的增加，盯和（△矿）陆均减小，出口速度分布越均匀。但是，当阻尼块高度Ｈ２和入口槽深Ｈｌ相同时，Ｏｒ和（△矿）岫均出现转折，说明速度分布变化趋势发生变化，阻尼块高度不宜超过入口槽深。§雪｜陀乾酡娩引郇刚引∞幻扣∞∞们寻∞Ｈ１．ｍｍ图５．１２出口速度方差盯和速度差异的极值（△ｙ）ＩｉⅢ与阻尼块高度Ｈ２的关系Ｆｉｇ．５．１２Ｒｅｌａｔｉｏｎｏｆｏｒａｎｄ（△ｙ）ｌｉｍｏｆｏｕｔｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙｗｉｔｈＨ２ｌｌＯ上海交通大学博士学位论文由于增加了阻尼块，使胶料熔体在口模流道内的流动方向和速度均发生变化，流动阻力增加，整个流道入口压力也将发生变化，如图５．１３即为套筒入口压力和阻尼块高度的关系，图中表示随着阻尼块高度增加，流道入口压力也增加，说明阻尼块插入流道内越深，胶料流动所受到的阻力越大。七一．－２０２４Ｈ２．ｍｍ６８１０１２１４图５．１３流道入口压力与阻尼块高度的关系Ｆｉｇ．５。１３ＲｅｌａｔｉｏｎｏｆｉｎｆｌｏｗｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄｗｉｔｈＩ－１２从上述分析可知，为了使口模出口速度平衡，可以采用加宽加深窄缝隙处入口流道和在宽缝隙流道内增加阻尼块的方法，但这些措施在平衡出口速度的同时也会增加流动阻力，所以在流道设计过程中，可以结合使用两种方法来平衡出口速度和流动阻力。由此总结如下挤出口模流道设计准则：１、２、对于断面相对简单的产品的挤出口模的设计，首先考虑使用直流道形式；如果直流道形式不理想，则在窄缝隙区域扩充入口流道，入口扩充流道深度与该窄缝隙区域和相邻宽缝隙区域出口口型宽度的比值有关，比值越小，入口扩充流道深度可以越深。但入口扩充流道深度不宜过深，直流道成型段的长度（大于３ｒａｍ）必须保证其强度足以承受挤出压力。３、对于断面异常复杂的产品，其挤出口模可以同时使用入口扩充流道和阻尼块两种方法，但是阻尼块插入宽缝隙区域深度不宜超过邻近入口扩充流道的深度。第五章ＥＰ附橡胶密封条挤出流遘正向设计分析度其实验验证５２２实际应用在实际生产中，对于纯胶密封条如玻璃导槽类密封条，入口扩充流道结构和阻尼块结构得到了应用。图５１４（ａ卜（ｂ）为两个结构复杂的导槽橡胶密封条断面．根据上述分析结论，其挤出口模应该在图示的Ｓ１一￥４部位采用人口扩充流道，在ＤＩ～Ｄ２处增加阻尼块。图５．１５ｆａ卜ｆｂｌ即为这两个产品使用的实际挤出口模结构，其中在Ｓ１一￥４部位和Ｄ１～Ｄ２部位分别采用了入口扩充流道和阻尼块两种结构，与分析结论一致，这充分说明了上述模拟的正确性。（ａ）Ｐｒｏｆｉｌｅ·图５Ｆｉｇ５１４１４橡胶密封务挤出口模复合流道应用案例（断面）Ｒｕｎｃｈａｎｎｅｌｓｅａｌｉｎｇ州ｐｓｏｆｍｂｂｅｒｗｉｔｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓ（Ｐｒｏｆｉｌｅ）９囊ｌａ）（ａ）Ｐｒｏｆｉｌｅ－ｌ困５Ｆｋ５１５１（ｂ）Ｐｒｏｆｉｌｅ－２５棹腔密封蒂挤出口模复夸流遣应用案例（口模）Ｅｘａｒａｐｌｅｓｏｆｓｅａｌｉｎｇ耐ｐｓｏｆｍｈｂｅｒｗｉｔｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓ（Ｅｘｌｒｕｓｉｏｎｄｉｅ）上海交通大学博士学位论文５．３挤出流道结构设计从上节分析结果可知，对于结构复杂的橡胶密封条，可以采用扩充流道来平衡流量及出口速度和压力。但是对于如何设计扩充流道大小是一大难点，实际生产中主要是依靠经验并经过反复调试确定。如果能够找到一种直接计算扩充流道大小的方法，将能节约大量的时间和成本。本节内容就是研究如何结合计算机模拟分析过程进行流道设计的方法。５．３．１等截面直流道口模流动分析首先分析等截面直流道模型，根据计算结果来设计流道形状和大小。图５．１６为等截面直流道口模的三维挤出分析模型（模型．１）及其边界条件示意图，计算的边界条件和图５．１相同，其中入口流量边界条件ＢＣｌ为Ｑ＝１５０００ｍｍ３／ｓ。材料模型及参数和上节相同。图５．１６三维等截面直流道模型（模型－１）Ｆｉｇ．５．１６３Ｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎｍｏｄｅｌｗｉｔｈｓｔｒａｉｇｈｔｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓ（ｍｏｄｅｌ·１）ｓ１１３第五章ＥＰ叫橡胶暂封条挤出流遵正向设计分析噩其实验验证为了比较不同流道状态下口模出口速度分布，在出口面上选择了２６个参考点用于｝Ｅ较熔体在这些点上的流速，出口面上点的分靠见图５１７所示。惫》＝圉５．ｔ７口模出口面上董的分市图Ｆ培．５．１７Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄｐｏｉｎｔｓｉｎｌｈｅｗｈｏｌｅｄｉｅｌｉｐ与５．２节一样，采用速度方差盯及速度极值差（Ａｙ）铀来表征出口速度分布。图５１８为计算得到的模型一１的口模出口速度分布图及其计算挤出断面和口型的对比，速度方差和平均速度分别为５５６６２和２７２３ｍｍ／ｓ。图示表明速度分布很不均匀，尤其在口型的窄缝隙区域速度小，而在宽缝隙区域速度很大，这将引起出口胀大变形很不均匀，使挤出断面形状和口型相差很大。所以在口型不变的情况下，要得到所需的断面形状，就必须优化流道结构。三。，聪｝鬓梦？、艮釜——挤出口揪一一一．一．女％ｄ，＿ｉ瞅ｅｘｉｔｖｅｌｏｃ畸ｏｆｍｏｄｅｌ－ｌ困５１８三堆等截面直流道模型ｆ模型一）的出口速度分布示惠图Ｆｉｇ５１８Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｌｅ１１４上海交通大学博士学位论文５．３．２入口扩充流道设计根据图５．１８出口速度低速区域的分布情况，在图５．１９（ａ）中选取了６个低速区域Ｓ１～Ｓ６，其面积大小见表６．１所示，其中面积最大的为￥６＝１２．８７ｍｍ２。另外两个侧臂的面积分别为￥７＝１８．１９ｍｍ２和￥８＝１７．８８删ｎ２，基底的面积为￥９＝２５．７１删ｎ２。ＥＩｔｅａｄｅｄｉａｌｏｔｆｌｏｗｃ｜睫盐ｏｌ图５．１９低速区域入口扩充流道设计过程示意图Ｆｉｇ．５．１９ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅＣＲＯＳＳｓｅｃｔｉｏｎｏｆｅｘｔｅｎｄｅｄｉｎｌｅｔｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓ假设流量为Ｑ，速度为Ｖ，面积为Ｓ，则有，Ｑ＝ＶｘＳ。根据流量平衡原理，假设在Ａ，ｎ速度一致的情况下，如果要使图５．１９（ａ）中的６个低速区域入口流量相同，并且和其它宽缝隙区域基本相同，则必须使各区域入口１１５第五章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出流道正向设计分析及其实验验证流道面积大致相等。由于Ｓ１．Ｓ６都不一样，所以必须进行适当的扩充使放大后的入口流道面积相等。假设放大后的面积分别为Ｓ１’～Ｓ６’，扩充放大比例分别为ｎｌ～ｎ６，则：Ｓ１．－Ｓｌｘｍ，…，Ｓ６Ｉ＿Ｓ６ｘｎ６先根据整体口模口型形状及空间大小来设置Ｓｌ～Ｓ６中面积最大者可放大的比例。由于各宽缝隙面积分别为￥７＝１８．１９ｍｍ２、￥８＝１７．８８ｍｍ２和￥９＝２５．７１删ｎ２，其中Ｓ９最大。而Ｓ１～Ｓ６中面积最大者为￥６＝１２．８７ｍｍ２，￥９／￥６＝１．９９８，所以在此可选取Ｓ６放大２倍，即ｎ６＝２，放大后Ｓ６’－￥６＂ｎ６＝２５．７４ｍｍ２。若Ｓ１’＝Ｓ２’＿…＝Ｓ６’，则：船１：堂×，２６．…．刀５：墅×胛６ＳｌＳ５表５．１中即为各区域放大比例及放大后的面积。根据各区域面积放大比例对图５．１９（ａ）中Ｓ１～Ｓ６进行等比例等形状放大，放大后的形状Ｓｌ’～Ｓ６’按照对称和对中原则进行摆放，即与口型相交的线按照对中原则放在相交区域口型的中心线位置，口型外的线按照对称原则放在被扩充区域周围，如图５．１９（ｂ）所示。由于扩充后的区域可能互相相交、可能距离很近、也可能和口型相交的形状不合理，则可进行适当的局部圆滑过渡处理，即可得到最后的入口扩充流道形状，如图５．１９（ｃ）所示。表５．１扩充前后图区域Ｓ１一Ｓ６的面积比较Ｔａｂｌｅ．５．１ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａｒｅａｏｆＳｌ－Ｓ６ｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ原始面积（ｍｍ２）ＳｌＳ２Ｓ３Ｓ４Ｓ５Ｓ６９．７３．０８‘ｒｄ２．４６ｎ３２．０７３．９１２．８７扩充放大比例ｎｌｎ４ｎ５ｎ６２．６５Ｓｌ＇８－３６１０．４６１２．４３Ｓ４’６．６Ｓ５’２放大后面积（ｒａｍ２）Ｓ２’Ｓ３’Ｓ６’２５．７４１１６上海交通大学博士学位论文５．３．３扩充后流道挤出分析图５．１６中口模厚度为１５ｍｍ，在此先取入口扩充流道深度为ｈ＝７．５ｍｍ，并建立相应的计算模型（模型一２），图５．２０即为扩充后的口模流道结构，计算模型其余部分及边界条件与图５．１６相同。，Ｄｉｅｏｕｔｌｅｔｈ－－７７．Ｓｍｍ幸丁…川ｍＭ慧≯Ｉ』ｔ翻ｅｉｎｌ懿：∞ｎｎｅ舶ｄｗｌｔｈ陀∞心。ｌｒ图５．２０入口流道扩充后的口模流道结构图（模型一２）Ｆｉｇ．５．２０Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｗｉｔｈｅｘｔｅｎｄｅｄｉｎｌｅｔｆｌｏｗ』ｃｈａｎｎｅｌｓ（ｍｏｄｅｌ一２）图５．２１为模型．２计算得到的口模出口速度分布状态，其速度方差和平均速度分别为３６３５．７３和２２２．４９ｍｍ／ｓ，其速度分布明显比图５．１８的分布更均匀，说明按此方法进行流道扩充是合理的。１１７第五章ＥＰＢＭ橡胶密封务挤出流道正向设计分析覆其实验验证疰Ｆ培．５．２１５３决黪一镰图５２１模型２的出口速度分布示意图Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｌｅｅｘｉｔｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｍｏｄｅｌ－２４入口扩充流道深度ｈ的影响分析图５２２即为出口速度方差和速度极值差与入口扩充流道深度ｈ的关系。图示表明随着ｈ的增加，出口速度方差口和速度极值差（△矿）．。均先减小然后增加，说明随着ｈ的加深，出口速度分布先是越来越均匀，但随后又变得不均匀。这就表明口模内橡胶熔体的流动速度是极其复杂的，入口扩充流道并不是越深越好，而是有一个合理的范围。３０３０２Ｏ２Ｏ０２２０２Ｏ§，２Ｏ２ＯＯ２２Ｏ２Ｏ｝囤５．２２出口速度方差ｏ－和速度差异的板值（Ａｒ）１皿与八口扩充流遣深度ｈ的关系Ｆｉ晷５２２Ｒｅｌａｔｉｏｎｏｆ。ａｎｄ（△ｎ１皿。ｆｄｉｅｅｘｉｔｖｅｌｏｃｉｔｙｗｉｔｈｈ（ｍｏｄｅｌ－２）上海交通大学博士学位论文５．３．５扩充流道深度确定由上一节的分析可知，入口扩充流道ｈ对挤出状态是有影响的，由于该口型各低速区域的缝隙宽度并不一样，则他们的入口扩充流道深度也应该不一样。通过分析图５．２１所示的出口速度分布，保持扩充流道大小和形状不变，根据出口口型宽窄对比来优化调整各区域入口流道深度，并反复进行模拟对比分析，即可得到更为合理的优化结构。图５．２３即为进一步优化得到的流道结构模型（模型．３），其中区域Ｓ１～Ｓ４的入口扩充流道深度为７．Ｓｍｍ．，而Ｓ５～Ｓ６的入口扩充流道深度为５ｍｍｔＯｕｔｌｅｔ图５．２３优化口模流道结构（模型一３）Ｆｉｇ．５．２３Ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｍｏｄｅｌ（ｍｏｄｅｌ一３）图５．２４为优化后模型３的口模出口速度分布图及计算挤出断面形状和口型对比，其速度方差和平均速度分别为３５７３．０８和２０５ｍｍ／ｓ，其分布要比图５．２ｌ所示模型２的分布更均匀些，而且挤出断面和口型较相似，说明经过流道优化后，出口速度更加均匀，各部位变形也就更加均匀。１１９＇∞蚺莲５．３弋——ｃｔⅧⅫ｜０ｌ－“ｄｋ“ｈＶ；Ⅱｍｂ囤５Ｆｉｇ５２４≯’暂第五章ＥＰＩ）Ｍ橡胶密封紊挤出流道正向设计分析及其实验验证……Ｃｒ嗍删佃ｔｄｒ“ｔｒａｄａｔｅ２４模型３的出口ｉ披分布示意图ｅｘｌｔｖｅｌｏｃ时ｏｆｍｏｄｅｌ－３Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｉｅ６挤出压力比较对于本文研究的这种结构复杂的口型，由于截面结构粗细差异很大，挤出阻力在截面各点处是不一样的，在同一截面上缝隙大处出口阻力小，缝隙小处出口阻力大，出口阻力的大小和分布影响着出口速度的分布和挤出熔体的压力。熔体挤出压力和能耗是相关的。表５．２为图５．１６的直流道结构模型（模型１）和图５．２３的复合流道结构模型（模型３）的套筒入口熔体压力比较结果，后者压力比前者小，说明优化流道结构有助于减少入口熔体的挤出压力，有助于减少能量消耗，节约能源。表５．２直流道结构模型【模型－１）和复合流道结构模型（模型一３）的八口压力值Ｔａｂｌｅ５．２ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｉＭａｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄｏｆｓｔｍＩｇｈｔｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｍｏｄｅｌ（ｍｏｄｅｌ·１）ａｎｄｔｈａｔｏｆｏ讲ｉｍｉｚｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｍｏｄｅｌ（ｍｃ＜ｌｅｌ。３）Ｓｔｒａｌｇｈｔｆｌｏｗｃｌ帅ｅｌＣｏｍｐｏｓｉｔｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅ（ｍｏｄｅｌ·１）Ｉｎｌｅｔｐｒｅｓｓｕｌｅｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄ（ＭＰａ）１３８Ｉ（ｍｏｄｅｌ－３１１１４上海交通大学博士学位论文５．３．７挤出胀大的比较熔体的出１２１速度不均匀会引起挤出断面的胀大变形，而直流道结构和复合流道结构的出口速度分布相差很大，则它们的挤出产品胀大变形将是不一样的。为了详细的对比各部位变形情况，选取图５．２５中所示挤出口型形状中的不同缝隙的长度和厚度，对比结果参见表５．３中，表中的对比数据表明复合流道挤出产品各部位的胀大变形尺寸变化比直流道结构的小，说明其变形更均匀合理。图５．２５挤出口型形状中的不同尺寸的比较位置标示图Ｆｉｇ．５．２５Ｄｅｎｏｔｅｓｏｆｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅｃｔｉｏｎ表５．４表示的是本研究过程中各模型的出口速度分布的方差及极值差的比较结果，其中模型３的速度方差盯及极值差（△ｙ）陆最小，表明其出口速度分布最均匀，其流道结构最合理。１２１第五章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出流道正向设计分析及其实验验证表５．３两种流道结构挤出产品中的不同部位长度和厚度变化对比数据Ｔａｂｌｅ５．３ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｗｏｍｏｄｅｌｓＬ１Ｌ２Ｌ３Ｌ４Ｌ５Ｌ６Ｌ７Ｌ８Ｌ９Ｌ１０（ｍｍ）Ｄｉｅｅｘｉｔ（Ｌｄ）（ｍｍ）２．１６（ｒａｍ）１．９９（ｒａｍ）１．６７（ｒａｍ）７．４６（ｍｍ）７．１０（ｒａｍ）１．７（ｍｍ）５．２３（ｒａｍ）２．０６（ｍｍ）１．９３１２．８６Ｓｔｒａｉｇｈｔｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ。ｍｏｄｅｌ－ｌ１５．３ｌ３．０４２．５７１．８２７．５６５．９７１．６４．５７２．０１２．２４（Ｌｓ）（Ｌｓ－Ｌｄ）／Ｌｄ＋１００％Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ，ｍｏｄｅｌ－３１３．３７１９．０５４０．７４２９．１５８．９８１．３４．１５．９２．５．８８．１２．６２．２．４３１６．０６２．３３２．２３１．８８７．３８７．０６１．９３５．３９２．２７２．２（Ｌｃ）（Ｌｃ－Ｌｄ）／Ｌｄ‘１００％３．９７７．８７１２．０６１２．５７－１．０７－０．５６１３．５３３．０６１０．１９１３．９９表５．４优化前后各模型的出口速度比较Ｔａｂｌｅ．５．４Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆ仃ａｎｄ（△矿）Ｉ血ｏｆａｌｌｔｈｅ模型２（ｈ：ｒａｍ）ｍｏｄｅｌｓ模型模型ｌ２．５５７．５模型３１０１２．５方差仃５５６６．２４０１４．２３７５９．１３３６３５．７３４１００．９８４１６９．１７３５７３．０８极值差（△ｙ）ｌｉｍ２７２．３２４８．７６２３４．６９２２２．４９２４８．５ｌ３０８．４２０５５．３．８试验验证分析图５．２６为根据上述优化得到的模型－３结构而加工的口模及其挤出得到的产品相片。图５．２７则为该挤出产品断面（Ａ１）和所需要得到的产品断面形状（Ａ０）对比，其中上海交通大学博士学位论支Ａ０—７３．０６ｍｍ２．ＡＩ＝７８．１２ｎｍａ２，面积相差７％。如第五章所说，在实际生产中，由于挤出牵引力的作用，最后的断面会缩小，所以图５．２８中两个断面均比口型小（口型面积为９６ｍｍ２）。从对比结果可明显看出，两个断面各部位对比尺寸相差很小，而且大小、形状基本一致，除了其中的两个唇边倾斜角度不一致外，但在实际生产过程中，唇边倾斜角度还要通过后续定位工装进行调整。总体对比结果说明，挤出断面是满足要求的，该挤出口模设计结构也是合理的。本实验验证结果表明，本文提出的口模结构设计方法可行，具有实用价值。圈５．２６生产使用的口模覆挤出产品Ｆｉｇ５２７ＰｈｏｔｏｏｆｔｈｅｒｅａｌｅｘｈｘｔｓｉｏｎｄｉｅａｎｄＣＸｔＴ＂ｄＲｋｐｒｏｆｉｌｅ·－－－－－－－－－－－－－－——ＲｅｑｕｉｔｅｄｐｔｏＮｅ．＾ｏ＝７３０６ｍｍ２……ＲｅａｌＥｇｆｆｆｕｄａｔｅｐｒｏｆｉｌｅＡ１＝７８１２ｍｍ目５２７挤出断面和需要得到的断面对比Ｆｉｇ，５２７Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｒｅａｌｅｘｔｒｕｄａｔｅａｎｄｒｅｑｕｉｒｅｄｐｒｏｆｉｌｅ１２３第五章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出流道正向设计分析及其实验验证５．３．９设计方法总结从上述计算分析过程及结果可总结出如下的进行口模设计的方法：１）根据经验或者是采用逆向模拟计算方法设计出挤出口型形状；２）以该挤出口型形状作为等截面直流道断面，构造出三维流道挤出模型，其中包括机头套筒流道，口模流道及一段自由挤出体；３）对上述模型进行无牵引的自由挤出计算，得出口型的出口速度分布，并确定相应的低速区域范围、高速区域范围及面积，找出其中面积最大者；４）按照等流量原则，根据周围空间范围等比例放大各低速区域（形状不变），使其入口扩充流道面积接近３）中的最大面积，再根据形状相似及边界圆滑过渡原则确定各低速区域的入口流道形状；５）取入口流道深度为口模厚度的一半，即可得到初步优化的口模流道结构，并建立相应的三维模型进行分析，得出口模出口速度分布；６）根据口模出口速度分布尽量均匀原则，不断优化各区域入口扩充流道的深度，并最终得到合理的口模流道结构。７）根据实际挤出情况，应用经验对流道结构进行少量的调整，即可得到最终的用于生产的口模结构。５．４，Ｊ、结对于结构较为复杂的橡胶密封条的挤出，其口模结构的设计最为关键。本部分内容首先通过计算表明入口扩充流道结构和阻尼块结构有助于平衡出口速度和压力，使挤出更均衡。同时提出了一套进行口模流道结构设计的方法，其特点是可以定量的确定流道的大小、形状及深度，便于在实际操作中应用。从分析及验证结果来看，采用本方法设计出的口模流道结构合理，其出口速度分布较为均匀，在生产中只需根据实际挤出情况对其进行少量的调整就可得到最终的１３模结构。应用本设计方法，可以减少口模调试次数，节约口模调试时间和成本。上海交通大学博士学位论文第六章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出口型逆向设计分析及其实验验证６．１引言第五章对橡胶密封条挤出口模流道结构进行了分析和设计研究，并得出一套流道设计方法。合理的口模结构除了有合理的流道外，更关键的是必须有合理的口型结构，因为口型决定了挤出断面的基本形状。传统生产中是根据所需要得到的产品断面形状，按照经验进行胀大变形和角度变形来设计口型形状，然后通过多次反复的挤出调试才能最终确定口型形状，调试成本高、周期长。本章的目的就是研究如何利用计算机模拟的方法来进行挤出口型的逆向设计分析。所谓逆向设计分析是指根据需要挤出得到的产品结构建立分析模型，并固定挤出体形状，由此根据速度重分布原则反向计算出所需要的挤出口型结构。本章将结合正向分析和逆向分析提出一套进行口型设计的方法。相对于传统依据经验的口型设计过程，该方法是计算机在口型设计应用上的突破，对于实现口模的数字化设计加工具有重要意义。首先针对正三角形、矩形等简单形状产品进行逆向口型设计分析；然后对某复杂形状密封条进行口型逆向设计分析，最后通过实际密封条产品的挤出加工进行验证。６．２简单形状ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出口型逆向设计分析６．２．１计算模型假如逆向挤出过程中需要得到的挤出断面分别为正三角形（图６．１ａ）及矩形（图６．１ｂ），通过逆向分析，分别计算出所需要的设计口型形状（不包含流道的直口型）。１２５第六幸ＥＰ州橡胶密封务桥出口型逆向设计分析厦其舞嘧验证图中正三角形边长为８ｒａｍ，矩形边长为２０ｍｍ＊６ｍｍ。图６２０）、图６．２Ｃｏ）为模拟分析的计算模型及其边界条件，口模厚度为１５ｍｍ，自由挤出体长度为１００ｒａｍ，图中边界条件设置为：１）ＢＣ一１：入口边界条件，流量Ｑ，ｍｍ３／ｓ；２）ＢＣ．２：壁面边界条件，无滑移（ｈ；ｖ，＝０）；３）ＢＣ．３１自由边界条件，Ｆ·ｎ＝０：４）ＢＣ－－４：出口边界条件．自由挤出，ｆｎ＝ｆ瑚。（ａ）‘ｂ）图６１需要得到的挤出断面形状（８）正三角形：（ｂ）矩形Ｆ吨．６ｉＴｈｅｒｅｑｕｈｘ－．ｄｐｒｏｆｉｌｅｂｙｅｘｔｒｕｓｉｏｎ（曲Ｅｑｕｉｌａｔｅｒａｌｔｒｉａｎｇｌｅ；＠Ｒｅｃｔａｎｇｌｅ…譬１一……警劬ＥｑｕｉｌａｔｅｒａｌｔｒｉａｎｇｌｅＦｉｇ．６．２皂弋嘞Ｒｅｃｔａｎｇｌｅ图６．２三雏分析有限元模型ＦＥＡｍｏｄｅｌ上海交通大学博士学位论文６２２材料模型分别采用Ｂｉｒｄ－Ｃａｒｒｃａｕ等温纯粘性模型及ｍ粘弹性模型进行分析。６２３计算分析厦试验验证逆向挤出计算的原理是速度重分布原则，和正向挤出正好是相反的过程：为了使速度抉的区域如边中部区域挤出后不因为膨胀而超过要求的形状，就必须使这个区域的面积减小，反之（如顶角区域）亦然，从而计算出挤出口型的形状。ｌ采用纯粘性Ｂｉｒｄ－Ｃａｒｒｅａｕ模型的逆向分析１）逆向计算图６．３为正三角形和矩形挤出断面的口型逆向设计分析中的口模出口速度分栉，图中曲线外轮廓为计算后得到的设计口型形状。图示表明，在边长的中部区域口型是收缩的，而在顶角处口型则向外扩张，这是因为在边长中部区域挤出后会膨胀，为了使挤出后的断面满足要求，所以在该区域口型需要收缩；同理，在顶角区域挤出后会收缩，所以挤出口型在该区域需要扩张。ｔ篡蘸∞Ｅｑｕｉｌａｔｅｒａｌｔｚ／ａｎｇｌｅ田６．３口模出口速度分布Ｆｉｇ（ｂ）Ｐ．ｅｃｔａｎｇｌｅ６．３Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｉｅｏｕｔｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙ第卉章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出口型逆向设计分析厦其宴验验证２）挤出试验图６４（ａ）、图６４（ｂ）为根据上节逆向计算的１３型形状而加工的挤出口模的口型照片。挤出试验方法及试验设备与第三章的采用的是一致的。图６５（ａ）、图６５（ｂ）则为挤出后得到的挤出产品断面的相片，从相片形状来看，挤出断面还是比较接近于正三角形和矩形的。０）Ｒｅｃｔａｎｇｌｅ加工的挤出口模的口型照片ｌｉｐｓｆｒｏｍｉｎｖｅｒｓｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ａ】Ｅｑｕｉｌａｔｅｒａｌ＂ａｉａｎｇｔｅ∞Ｒｅｃｔａｎｇｌｅ圈６５挤出产品断面照片Ｆｉｇ．６，５Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓｏｆｅｘｋｕｄａｔｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｄｉｅｌｉｐ１２８上海交通大学博士学位论文３）计算与试验的对比分析图６．６为需要得到的断面形状１、逆向挤出设计口型断面形状２及按设计口型２挤出的实际断面形状３的对比。图６．６（ａ）中各断面的特征高度是指顶点到对边的距离，图６．６（ｂ）中各断面的特征高度和特征宽度是指断面的最大高度和最大宽度。表６．１则为断面１和断面３的特征尺寸的比较，表中各符号的含义为：Ｓｌ、Ｓ３分别为断面１和断面３的面积，Ｆ。为断面ｌ和断面３的面积相对误差，ｆ产（岛－￥１）／￥１；Ｈｔ、％分别为断面ｌ的特征高度和特征宽度，飓、％则断面３的特征高度和特征宽度，Ｆ。和Ｐ，则分别为断面１和断面３的特征高度和特征宽度的相对误差，Ｆ产（飓粕）／Ｈｔ，￡－；（％．％）／％。由图６．６和表６．１可以看出，需要得到的断面形状与按设计口型实际挤出得到的断面形状非常接近，误差较小，在实际应用中是可以接受的。其中正三角形断面误差稍大，但断面变化趋势还是很接近；矩形断面除了顶角部位的误差外，长宽部分都很一致，说明逆向设计口型还是比较合理的，实际挤出应用中只需对项角部位做少量的修改即可。３２（ａ）Ｅｑｕｉｌａｔｅｒａｌｔｒｉａｎｇｌｅ１ｍＲｅｑｕｉｒｅｄ（ｂ）Ｒｅｃｔａｎｇｌｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｄｉｅｌｉｐｐｒｏｆｉｌｅ；２一ｈｌｖｅｒ辩ｄｉｅｌｉｐ；３一Ｅｘｔｒｕｄａｔｅ图６．６计算与试验结果比较（断面）Ｆｉｇ６．６Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔ（Ｐｒｏｆｉｌｅ）第六章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出口型逆向设计分析及其实验验证表６．Ｉ计算与试验结果各断面特征值的比较Ｔａｂｌｅ６．１Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｉｇｅｎｖａｌｕｅｓｏｆｒｅｑｕｉｒｅｄｐｒｏｆｉｌｅｗｉｔｈａｃｔｕａｌｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｈａｐｅｅｘｔｒｕｄｅｄｂｙｉｎｖｅｒｓｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｅｓｉｇｎｅｄｄｉｅｌｉｐ２采用粘弹性性Ｐ１’１Ｉ模型的逆向分析图６．７即为逆向挤出分析中各断面形状对比图（包含ＰＴＴ、ＢＣ模型的娘口型对比）。从图中可看出，考虑粘弹性模型时因材料的弹性胀大，使设计口型比纯粘性设计口型小，但由于材料的弹性不强，所以两者相差不大，在实际应用中，考虑到计算的可行性、计算时间和成本，可以用纯粘性模型来进行逆向挤出分析，再经过实际挤出验证后对口型作出少量修改即可。图６．７逆向挤出分析断面形状对比（Ｂｃ模型和ＰＴＴ模型）Ｆｉｇ．６．７Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｉｎｖｅｒｓｅｄｉｅｌｉｐｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌ（ＢＣｍｏｄｅｌａｎｄＰＴＴｍｏｄｅｌ）上海交通大学博士学位论文６．３复杂形状Ｆ：ＰＤＭ橡胶密封条挤出口型逆向设计分析６．３．１逆向分析计算模型图６．８为用于分析的密封条产品断面，也就是挤出后所需要得到的断面，面积为Ａ１＝２６．３ｍｍ２。由于挤出胀大变形的原因，挤出口型和产品断面形状是不一样的，需要进行口型变形及流道修正。应用ＣＡＥ分析的方法进行挤出口型及流道的逆向设计分析时考虑了三种口模方案，计算模型分别如图６．９、图６．１０所示。口模厚度为１５ｒａｍ，自由挤出体长度为６０ｍｍ。图６．８Ｆｉｇ．６．８ＥＰＤＭ橡胶密封条断面Ｔｈｅｐｒｏｆｉｌｅｏｆｓｅａｌｉｎｇｓｔｒｉｐｏｆｒｕｂｂｅｒｔｏｂｅａｎａｌｙｚｅｄ方案１：挤出口模采用单一等截面直流道（图６．９（ａ）），即模型一１；方案２：挤出口模采用单一变截面自适应流道（图６．９（ａ））。自适应流道是指逆向计算得到的流道在不同部位的横断面是连续变化的，变化规律与流体的速度变化及平衡有关。在模型界面定义中，自适应流道的入口和出口即为口模的入口和出口，即模型．２。方案３：挤出口模采用等截面直流道＋变截面自适应流道的复合流道（图６．９（ｂ））。变截面流道为入口区域，而等截面流道为出口区域，即模型．３。第六章ＢＰ附橡胶密封条挤出口型逆向设计分析厦其实验验证（ａ）（ｂ）嚼６．９各计算模型Ｆｉｇ．６．９（ａ）计算模型一１和计算模型一２，（耐计算模型一３ＦＥＡｍｏｄｅｌｓｆａ）ＦＥＡｍｏｄｅｌ·ｌａｎｄＦＥＡｍｏｄｅｌ－２．（”ＦＥＡｍｏｄｅｌ－３计算的边界条件如图６．９所示：ＢＣ．１——入口流量边界条件，Ｑ＝５２７５ｍｍ３／ｓ；Ｂｃ．２——假设壁面为无滑移边界条件；ＢＣ．３——自由面边界条件；Ｂｃ４—一出口边界条件：１、逆向挤出分析：正＝正＝０２、正向挤出分析：牵引速度‰＝２００ｍｍ／ｓ即１２ｍ／ｒａｉｎ。材辩模型和前一部分类似，采用Ｂｉｒｄ，ｃ删ｕ模型。６．３，２计算结果分析及讨论逆向计算过程中没有施加牵引力．由于出口膨胀会引起挤出产品比挤出口型大，所以逆向计算得到的挤出口型比所需要得到的产品断面小。然而在实际产品挤出过程中是存在牵引力（牵引速度）的，所以在实际口型设计中，考虑到由于牵引力（牵引速度）的存在会使挤出产品断面变小，其具体变化大小与牵引力（牵引速度）、输上海交通大学博士学位论文入流量（喂料量）大小有关，所以设计口型相应的要放大。在本课题研究中，根据计算结果设计了一套口型放大方法，详见图６．１０，具体步骤为：第一步逆向分析：采用如图６．９（ａ）所示的单一等截面直流道模型进行逆向计算，边界条件ＢＣ－４为无牵引速度的自由挤出状态。逆向分析中，模型中的挤出体出口断面固定为需要得到的产品断面，其面积为Ａ１，而口模出口口型是可变的，通过逆向计算后得到，其面积设为Ａ２。由于出口胀大，所以ＡＩ＞Ａ２。第二步正向分析．Ｉ：采用与１）相同的模型进行正向挤出分析，与逆向分析相反，正向分析中挤出口型Ａ３是固定不变的，在此采用需要得到的产品断面作为出口口型断面，所以Ａ３＝Ａ１；而挤出体出口断面则是通过计算得到，设为Ａ４。出口边界条件ＢＣ．４施加实际挤出所需的牵引速度，计算出在该牵引速度Ｖｐｄｌ下的口型胀大倍数Ｑ＝Ａ３／Ａ４；第三步口型膨胀：１）在牵引速度为Ｖｏｕｌｌ时，在正向分析中假设实际所需要得到的产品面积为Ａ５，在此设ＡＳ＝Ａ１，将Ａ５放大Ｑ倍，即可得到在牵引速度Ｖｚ下所需要的挤出口型面积Ａ６＝Ａ５＊１１．；２）由第一步可知，逆向计算得到的口型为Ａ２，所以实际逆向口型膨胀系数为∥＝Ａ６／Ａ２．３）将逆向计算得到的挤出口型形状从面积Ａ２放大到Ａ６大小，即可得到所需要的挤出口型大小和形状。第四步正向分析．ＩＩ：采用图６．９所示的计算模型进行正向分析，其中挤出口型大小和形状为第三步中口型膨胀得到的Ａ６，设正向计算后得到挤出体断面为Ａ７。第五步试验验证第六章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出口型逆向设计分析及其实验验证根据Ａ６的大小和形状加工口模进行实际挤出，得到的挤出体断面为Ａ８，将Ａ７和Ａ８比较，即可验证口型逆向设计的正确性。图６．１０逆向口型设计放大步骤Ｆｉｇ．６．１０Ｅｎｌａｒｇｅｍｅｎｔｗａｙｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅ１挤出口型的逆向设计分析图６．１１为方案１逆向分析得到的单一直流道口模、挤出口型和产品大小比较图，所得到的挤出口型面积为Ａ２＝２１．７ｍｍ２；上海交通大学博士学位论文２（ａ）１－＝Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ（ｂ）０ｆｒ。ｑｕ如ｄｐｒｏｄｕｏｔ，Ａ１＝２６．３ｎｎｎ２２－ＯｕｔｌｅｔｏｆｓｔｒａｉｇｈｔｆｌｏｗｃｈａｔｍｅＬＡ２＝２１．７ｒａｍ２图６．１１方案１得到的逆向口模（ａ）单一直流道口模；Ｆｉｇ．６．１１（ｂ）逆向挤出口型和产品断面比较Ｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈｍｏｄｅｌ－１（ａ）Ｓｔｒａｉｇｈｔｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ；（ｂ）Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｗｉｔｈｒｅｑｕｉｒｅｄｐｒｏｄｕｃｔ图６．１２为方案２逆向分析得到的的单一变截面流道、挤出口型和产品大小比较图，其中变截面入口口型面积２６．３ｍｍ２，变截面出口口型面积为Ａ２＝２１．７ｍｍ２；（ａ）（ｂ）１－－Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆｒｅｑｕｉｒｅｄｐｒｏｄｕｃｔ，Ａ１＝２６．３ｍｍ２２－ＯｕｔｌｅｔｏｆａｄａｐｔｉｖｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｃＬＡ２＝２１．７ｍｍ２３－Ｉｎｌｅｔｏｆａｄａｐｔｉｖｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ图６．１２方案２得到的逆向口模（ａ）单一变截面流道口模；（ｂ）逆向挤出口型和产品断面比较Ｆｉｇ．６．１２Ｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈｍｏｄｅｌ－２ｅｘｉｔｗｉｔｈｒｅｑｕｉｒｅｄｐｒｏｄｕｃｔ（ａ）Ａｄａｐｔｉｖｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ；（ｂ）Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅ１３５第六章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出口型逆向设计分析及其实验验证图６．１３为方案３逆向分析得到的等截面直流道＋变截面自适应流道的复合流道、挤出口型和产品大小比较图，其中变截面入口口型面积２６．３ｍｍ２，变截面出口口型面积为２１．７ｍｍ２，等截面口型面积为Ａ２＝２１．７ｍｍ２：由此可知，三种方案得到的出口口型是一样的，只是流道不相同。因此，在逆向口型设计中，可以仅仅采用单一直流道模型来进行分析。１－Ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆｆｏｑｕｉｒｃｄｐｒｏｄｕｃｔ，ＡＩ一２６．３ｍｍｚ２－Ｏｕｔｎｌｅｔｏｆｓｔｒａｉｇｈｔｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ，Ａ２＝２１．７ｒａｍ：３－１ｎｌｎｏｆａｄａｐｔｉｖｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ４．．－ｏｕｍｌｅｃｏｆａｄａｐｔｉｖｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌａｎｄｉｎｌｅｔｏｆｓｔｒａｉｇｈｔｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ图６．１３方案２得到的逆向口模（ａ）复合流道口模；Ｆｉｇ．６．１３Ｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈ（ｂ）逆向挤出口型和产品断面比较ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅ：Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｖｅｆｌｏｗｍｏｄｅｌ·３（ａ）Ｉｎｖｅｒｓｅｃｈａｎｎｅｌ；（ｂ）Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｗｉｔｈｒｅｑｕｉｒｅｄｐｒｏｄｕｃｔ２口型膨胀系数的计算采用如图６．９（ａ）的等截面直流道计算模型．１进行正向挤出分析，边界条件ＢＣ．４设置为牵引速度‰＝２００ｍｍ／ｓ。图６．１４为所得到的挤出产品断面和挤出口型比较图，其面积分别为挤出口型Ａ３＝２６．３ｍｍ２，挤出产品为Ａ４＝２４．６ｍｍ２，口型面积膨胀系数Ｑ＝Ａ３／Ａ４＝１．０６９。如果需要得到的产品为图６．８所示形状大小，面积为Ａ５＝ＡＩ＝２６．３ｎ吼２，则挤出口型面积应为Ａ６＝Ａ５＊Ｑ＝２８．１２１ｎｎｌ２。前面已经计算出由图６．１１、图６．１２、图６．１３三种逆向计算方案中所得到的出口口型是相同的，面积均为Ａ２＝２１．７ｎ吼２，所以在牵引速１３６上海交通大学博士学位论文度‰＝２００ｍｍ／ｓ时所需要的挤出口型面积膨胀系数为Ｂ＝Ａ６／Ａ２＝１．２９６，面积为２８．１２ｒａｍ２，见图６．１５。１－－Ｄｉｒｅｏｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅ，Ａ３＝２６．３ｒａｍ２２一一Ｄｉｒｅｏｔｅｘｔｒｕｄａｔｅ，Ａ４＝２４．６ｍｍ２图６．１４正向挤出变形图Ｆｉｇ．６．１４Ｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｗｅｌｌｉｎｇａｆｔｅｒｄｉｒｅｃｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ３ｌ－Ｒｅｑｕｉｒｅｄｐｒｏｄｕｃｔ，Ａ５＝ＡＩ－－－２６．３ｍｍ２２－Ｉｎｖｅｒｓｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｂｅｆｏｒｅｅｎｌａｒｇｅｄ，Ａ２＝２１．７ｍｍ２３－Ｉｎｖｅｒｓｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅａｆｔｅｒｅｎｌａｒｇｅｄ，Ａ６＝２８．１２ｒａｍ２图６．１５挤出口型及其放大图Ｆｉｇ．６．１５Ｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｅｎｌａｒｇｅｄ３正向挤出计算及其与实验挤出结果的比较１）正向挤出模型根据上述计算得到的口型面积膨胀系数Ｂ＝１．２９６，对前面三种方案中得到的逆向挤出口型及流道进行同步放大，就可得到所需要的三种挤出口模和流道，分别如图６．１６、图６．１７、图６．１８所示，图中的边界条件ＢＣ一４假设为：牵引速度‰＝２００ｍｍ／ｓ即１２ｍ／ｍｉｎ，其余边界条件与逆向挤出分析时相同。１３７第六章ＢＰＤＭ橡胶密封条挤出口型逆向设计分析覆其实验验证图６１６挤出模型ｍｏｄｅｌ．４（等截面直流道口模）Ｆｉｇ．６１６ＤｉｒｅｃｔｃｘｈｍｓｉｏｎｍｏｄｅＩ－４（ｓ盯ａｉ出ｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌ“血ｃｏｌｔｓｔａｎｔｃｌｌ３６ｓｓｅｃｔｉｏｎ）固６１７挤出模型ｍｏｄｅｌ－５（变截面直流道口模）Ｆ培６１７Ｄｉｒｅｃｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｍｏｄｅｌ·５（Ａｄａｐｔｉｖｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｗｉｔｈｖａｒｉａｔｉｏｎａｌｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ）上海交通太学博士学位论文０囤６．１８挤出模型ｍｏｄｅｌ－６（复合流道口模）Ｆｉｇ．６１８Ｄｉｒｅｃｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｍｏｄｅｌ－６（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｖｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓ）２）挤出试验按照图６１１所示的挤出口模模型一，采用线切割的方式加工了圈６．１９所示的试验用挤出口模。挤出试验是在申雅密封件有限公司的密封条挤出生产线上完成的（图６．２０），试验时的牵引速度为ｙ圳＝］２ｍＪｍｉｎ（２００ｒｅｎｄｓ），挤出口模内橡胶熔体的温度为１１０＂Ｃ’１２０＂０。由于橡胶熔体从ｒｑ模中挤出后温度很高且还未硫化定型，报难通过常规的切割方式得到其准确的断面形状。在本试验中，橡胶挤出后，通过牵引皮带牵引后经过高温烘箱和微波硫化定型，截取硫化定型后的产品断面作为试验结果，如图６．２１所示。橡胶熔体挤出后，在硫化定型之前比较软，在着带牵引过程中．受重力的影响产品断面会发生少许变形，另外硫化过程也对产品断面大小会有轻微影响。本文的挤出模拟计算仅涉及到挤出牵引部分，未考虑重力及硫化的影响，所以计算结果和试验结果会有偏差。第六章ＥＰＤＭ橡胶密封爷挤出口型逆向设计分析厦其实验验证囤６１９试验挤出口模Ｆ嘻６．１９Ｔｈｅｔｅｓｔｅｘｔｒｏｓｉｏｎｄｉｅ图６２０挤出生产线Ｆｉｇ６．２１Ｅｘｔｒｕｄｉｎｇｌｌｎｅｏｆｒｕｂｂｅｒｓｅ酊ｍｇｓｙｓｔｅｍ圈６２ｌ试验挤出断面（硫化定型后）Ｆｉｇ６２１ＴｈｅｔｅａｅｘＩｒａｏａｔｅａｆｔｅｒｖｕｌｃａｎｉｚｅｄ上海交通大学博士学位论文３）挤出断面比较图６．２２为挤出口型、三种模型计算得到的断面、所需要得到的理想断面及试验得到的挤出产品断面对比。图示说明如下结果：ｉ由于出口速度重分布及胀大变形，挤出产品断面形状与口型不相同；ｉｉ由于牵引的作用，挤出产品断面比口型小；ｉｉｉ三种计算模型得到的挤出断面大小和形状基本一致，说明三种流道的微小变化对挤出断面影响不大；ｉｖ模拟结果和要得到的断面非常接近，说明逆向计算得到的口型是合理的；ｖ计算结果断面和试验结果断面大小基本一致，但形状有所偏差，这主要是试验中着带牵引时重力影响所致。６２１．Ｒｅｑｕｉｒｅｄｐｒｏｄｕｃｔ，Ａｌ＝２６．３ｍｍ２２一Ｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｈａｐｅｏｆｍｏｄｅｌ－４．Ａ７．１＝２６．６ｍｍｚ３．Ｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｈａｐｅｏｆｍｏｄｅｌ．５．Ａ７－２＝２６．２ｍｍｚ４．Ｅｘｔｒｕｄａｔｅｓｈａｐｅｏｆｍｏｄｅｌ－６．Ⅺ．３＝２６．５ｍｒｒｇ５．Ｔｅｓｔｅｘｔｒｕｄａｔｅ，Ａ８＝２６ｍｍｚ６．Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｅｘｉｔ，Ａ６－－２８．１２ｍｍｚ图６．２２各断面的比较Ｆｉｇ．６．２２Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ４）正向挤出压力分布比较图６．２３（矿图６．２３（ｃ）分别为ｍｏｄｅｌ－４、ｍｏｄｅｌ．５及ｍｏｄｅｌ－７的入口压力分布图，压力大小分别为１０４ＭＰａ、（８３．２－８６．１）ＭＰａ、（８７．７￣９１．７）Ｍｐａ，ｍｏｄｅｌ－５的入口压力最小，ｍｏｄｅｌ－４的入口压力最大，说明单一变截面的流道结构有利于降低挤出压力并１４１第六章ＥＰ附棒胶密封条挤出口型逆向设计分析厦其实验验证减少能量损耗，而单一直流道口模耗能最高ｌ：：：＝：：；～ｊ爹，蚕呵乡Ｌ●■（ａ）｜｝～舢胂ＬｐｒⅫｍＰａ（ｂ）’兰：：！＝骚叼：乡ＬＰｒｅｓｓｕｒｅ．Ｐａ簪Ｆ培６２３（ｃ）图６２３各模型的ｕ模入压力分布图Ｉｎｌｅｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｍｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｍｏｄｅｌｓ（吣ｍｏｄｅｌ。！；（ｂ）ｍｏｄｅｌ一５；（ｃ】ｍｏｄｅｌ－６５１口模出口速度分布比较圈６２４（ａ）、图６２４（ｂ）、图６２４（ｃ）分别为三种模型的口模出口速度分布图，大小分别为ｍｏｄｅｌ－４（０－－３４７）ｍｍ／￥、ｍｏｄｅｌ－５（Ｏ－３６０）ｍｍ／ｓ、ｍｏｄｅｌ－６（ｏ￣３５６ｒ）ｍｍ／ｓ的。从分粕图比较来看，虽然三种模型的挤出速度相差不大，但断面上各点分布不一致，所以各点的剪切速率不一样，而熔体在挤出后速度需要趋向一致，快的地方上海交通走学博士学位论支要减慢、慢的地方要加快，这样就会引起各部位的出口膨胀不一致，并且会有扭转产生，这也就是挤出口型和所需要得到的产品不一样的主要原因．也是设计口型需要变形的主要原因；另外、如果挤出材料具有较强的粘弹性，粘弹性引起的剪切变形与回复也会引起挤出胀大现象。从上述压力、挤出速度的综合比较结果来看，变截面流道口模比直流道口模好，ｍｏｄｅｌ．５最好，Ⅱ帕ｄｃｌ－６次之，ｍｏｄｅｌ４最差。ｌ＝Ｌｔ茬恻茬喇Ｖｚ“‘（ａ）Ｅ二＊ＶｔＴｍ（ｂ）ＶＬｍⅡ＾（ｃ）图６２４各模型的口模出口速度分布图Ｆ噜６２４Ｄｋ伽ｅｌＨｖｃｌｏｃ时ｏｆ血ｅｔｈ／ｅｅｍｏｄｅｌｓ（曲ｍＭｅ¨；（ｂ）ｍｏｄｅｌ一５；（ｃ）ｍｏｄｄ．６第六章ＥＰＤＭ橡胶密封条挤出口型逆向设计分析及其实验验证６．４小结从上述分析结果来看，变截面流道结构比单一截面流道结构好，挤出口模的压力小、能耗少。但是变截面流道的加工较困难，所以，在实际生产中的流道结构主要是包含单一截面直流道及变截面流道的复合流道结构，这就是本文分析的指导意义所在。通过上述口模设计及实验验证的结果可知，按照本文提出的口模逆向设计方法得到的口模结构是合理的。在实际生产应用中，采用本方法进行口型设计，结合第五章的流道设计，再辅以少量的调试修正即可得到所需要的口模。另外结合ＣＡＤ绘图工具及ＣＡＭ数字化加工技术，即可形成完整的挤出口模３Ｃ（ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ）技术平台，提高企业的技术水平等级，为企业的长远发展奠定基础。３Ｃ技术相对于传统的经验“试差法＂，成本低、周期短、重复性好，具有重要的实用价值。上海交通大学博士学位论文第七章橡胶密封条挤出模拟分析的应用７．１引言前几章主要研究了混炼胶熔体流变性能及流变模型、橡胶密封条挤出过程中工艺参数的影响、挤出口模流道及口型的设计分析，这些研究内容的目的是为了在橡胶密封条的工业生产中优化挤出生产工艺、挤出口模及流道的结构，并解决生产中的相关问题，从而提高生产效率、降低生产成本。本章将应用上述研究成果，针对申雅密封件有限公司在生产中的一些实际问题进行模拟分析，提出可行的解决方案，并通过实际验证来进一步说明本课题研究内容、方法和结果的可行性和实用性。在橡胶密封条挤出生产中，机头型式和流道结构是非常重要的，它不但决定了口模的结构类型，还影响着机头压力、机头散热、橡胶熔体的流动方向路径、熔体是否容易焦烧，甚至最终产品的表面质量等。本章将着重应用计算机模拟手段分析橡胶熔体在机头及口模内的流动状态，从而优化设计出合理机头结构形式。具体分析案例如下：１、小机头流道优化设计；２、机头焦烧问题分析及其改进；３、头道密封条挤出口型逆向设计分析的应用。４、某新式机头的设计及其应用；７．２某新式小机头流道优化设计橡胶密封条的挤出机头结构有多种形式，有日系的、欧系的等等。如图７．１为某一新型挤出机头图片（部分），俗称“小机头’’（相对于现有老机头而言）。图７．２为该小机头的三维数模图片，图７．３为该小机头的流道示意图。１４５第七章橡胶密封紊挤出过程模拟的应用图７１小机共相片（部分）Ｆｉｇ，７１Ｐｈｏｔｏｏｆｔｈｅｎｃｗｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄ（ｐａｒｔ）圜７Ｆｉｇ．７．２２ｔＩ－机头三雏教模３Ｄｍｏｄｅｌｏｆ山ｅｎｅｗｅｘＣ世ｉｏｎｈｅａｄ上海交通大学博士学位论文图７．３小机头胶料流道示意图Ｆｉｇ．７．３Ｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓｏｆｔｈｅｎｅｗｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄ图７．４小机头胶料Ｉ流道示意图Ｆｉｇ．７．４Ｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｏｆｒｕｂｂｅｒｍｅｌｔ－Ｉｉｎｔｈｅｎｅｗｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄ１４７第七幸橡胶密封条挤出过程模拟的应用本机头在试用过程中，机头压力比较大，产品调试有困难．需要对其结构及流道情况进行分析改进，本部分研究内容就是对实心胶流道进行分析，并提出优化设计方案。在机头与口模之间有一储料模腔用于胶料熔体的分配及导向，由于带骨架产品和纯胶产品结构不同，所用的储料模腔结构也不一样，在分析过程中，将分别分析带骨架产品流道和纯胶产品流道。如图７．４所示为分析的挤出机头胶科Ｉ挤出流道的剖面图，整个流道共分为三个部分：机头内流道、储料模腔流道及成型Ｅｌ模流道。储料模腔在机头与ｒｌ模之间，是导向并分配从挤出机头出来的胶料熔体至口模中挤出，其结构影响着挤出流量平衡及速度的分布，而流量平衡和速度分布是影响挤出密封条产品形状质量的重要因素。本次分析的目的就是优化储料模腔的结构，使得从口模中挤出胶料熔体的流量、速度平衡。７２１纯胶密封条产品胶料一ｌ流道分析及其结构优化图７．５为纯胶密封条挤出的储料模腔结构图（示例），图７．６则为某产品挤出口模形状。图７．５纯腔密封奈挤出用储料模腔结构Ｆｉｇ７．５Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｂｅｓｔｏｒｉｎｇｍｏｕｌｄｆｏｒｒｕｂｂｅｒｓｅａｌ上海交通大学博士学位论主图７．６纯脘密封奈挤出口模结构（示侧）Ｆｉｇ．７．６Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｏｆｔｕｂｌ’ｅｒｓｅａｌ（ｅｘａｍ一０１储料模腔结构优化方案在分析过程中，共设计了４种储料模腔结构，如图７７所示。为了比较这些模腔结构的优劣，用一片均匀分布着许多等直径圆柱孔的口模来代替产品口模，检验圆柱孔出口的流量（速度）分布，若分布均匀，则表示中间储料模腔的形状合理。研究中采用的等直径圆柱孔数目分别为９个、２５个、６３个（见图７８）。Ｓｔｒｕ－３Ｓｔｒｕ－１Ｓｔｒｕ－２Ｂｔｎ．，－４宁哪中口亨秒审护囤７．７用于设计优化的四种储料模腔结构Ｆｉｇ．７．７Ｆｏｕｒｔｙｐｅｓｏｆｓｔｏｒｉｎｇｍｏｕｌｄｓｆｏｒｏｐｔｉｍｉｚｅｄ第七章橡胶密封条挤出过程模拟的应用（ａ）９ｈｏｌｅｓ≮／；ｉ｛．囤７８Ｆｉｇ７．８‘幺‘Ｃｏ）２５ｈｏｌｅｓ（ｃ）６３ｈｏｌｅｓ用于验证的等直径圆柱口模的三种结构形式Ｔｈｒｅｃｔｙｐｅｓｏｆｏｘｔｒｏｓｉｏｎｄｉｅｓｗｉｔｈｔｈｅｓａｍｅｃｙｌｉｎｄｅｒｓｆｏｒｖａｌｉｄａｔｉｏｎ２计算模型图７．９为挤出机头、储料模腔、挤出验证口模流道的计算模型示意图。密封条挤出所用的材料是ＥＰＤＭ６０混炼胶．计算中所采用的是Ｂｉｒｄ．ｃａｒｒｃａｕ模型，采用壁面滑移边界条件——广义纳威尔滑移准则。图７９计算模型Ｆｉｇ７．９ＦＥＡｍｏｄｅｌ上海交通大学博士学位论丈３计算结果分析分析过程中，对上述几种储料模腔及验证口模进行匹配计算，根据计算结果所显示的口模出口速度分布及机头出口处的压力分布大小可以比较出几种储料模腔结构的优劣，从而优化出所需要的储料模腔结构。１）９孔出口圆柱口模检验（１）圆柱ｎ模出口速度分布比较图７１０为９孔圆柱口模的出口速度分布比较图，从图示结果可看出，速度分布均匀度从好到差依次为结构４、结构３、结构２、结构１。妊●●漕ｉ三●●●●蠢···Ｉ。···＿＿兰●●：茬匡ｆ兰●●一豢。一●●巴Ｊ１ｋ菱●●●●旺··：睦··：仨仨．●●（ａ）彻图７．１０Ｆｉｇ．７１０９孔田牲口模出口速度分布比较囤Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｉｅｏｕｔｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆ９－ｈｏｌｃｓｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｄｉｅ（２）机头出口处（机头与储料模腔交界处）的压力分布比较图７１１为机头出口处的压力分布比较图，从压力分布大小来比较，从好到差依次为结构３、结构１、结构４、结构２。从９孔圆柱出口速度分布及机头压力分布比较的综合结果来看，四种储料模腔结构优劣的排列顺序依次为：结构４、结构３、结构２、结构ｌ。第七章橡胶密封蒂挤出过程模拟的应用’ｊ耍氯仨ｌ’ｉ１。：ｒ“‰矿’Ｅ嘎∥正÷．一方，洛‘，氏５∞＿Ｏ｝…（～）Ｆｉｇ７１Ｉ５…｝脚∞（ｈｌｏｆｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄ（９－ｈｏｌｅｓ）图７．１ｌ机头出口处的压力分布比较图（９孔）Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｏｕｔｌｅｔ口㈣ｍ２１２５孔出１２圆柱ＩＸｌ模检验（１）圆柱口模出口速度分布比较Ｉ●●●●●：：：：：１···，４●●●Ｉ●●●●●●●●４●洲．。．．．☆蚰。。。．。＿暮；雾霎；蠢攫；鬻鋈●●●●●三一“¨ｍ。。．．。№∽口。．。．肭（ａ）囤７Ｆｉｇ７．１２１２豢（ｂ）２５孔圃柱口模出口速度分布比较囤Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｉｅｏｕｔｌｅｔｖｅｌｏｅｉ可ｏｆ２５－ｈｏｌｅｓｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｄｉｅ图７．１２为２５孔圆柱ＩｓＩ模的出口速度分布比较图，从图示结果可看出，速度分，１１｜均匀度从好到差依次为结构４、结构３、结构２、结构１。上海交通大学博士学位论支（２）机头出口处的压力分布比较图７ｔ３为机头出口处的压力分布比较图，从压力分布大小来比较，从好到差依次为结构２、结构３、结构４、结构ｌ。’ｉ两良０一ｉ酗；耋＾■｝Ｖ５∞¨Ｍ”ｅ·∞㈣图７．１３Ｆｉｇ，７．１３三ｉ焱汐一＾ｐ汐５．７８ｅ－：∞－６０１ｅ－“５㈣机头出口赴的压力分布比较图（２５孔）Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｏｕｔｌｅｔｐｒｅｓｓｕｍｏｆｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄ（２５·ｈｏｌｅｓ）从２５孔圆柱出口速度分布及机头压力分布比较的综合结果来看，四种储料模腔结构优劣的排列顺序依次为：结构４、结构３、结构２、结构ｌ。３，６３孔出口圆柱口模检验（１）圆柱口模出口速度分布比较图７．１４为６３孔圆柱口模的出口速度分布比较图，从图示结果可看出，速度分布均匀度从好到差依次为结构４、结构３、结构２、结构１。（２）机头出口处的压力分布比较图７．１５为机头出口处的压力分布比较图，从压力分布大小来比较，从好到差依次为结构３、结构４、结构２、结构１。从６３孔圆柱出口口模的速度分布及机头压力分布比较的综合结果来看，四种储科模腔结构优劣的排列顺序依次为：结构４、结构３、结构２、结构１。第七章橡胶密封寺挤出过程模拟的应用ＪＩ：＝：＝～＝；●ｉ．．¨．¨”．．．．¨●●●●●●●●●●●●●■三兰三＝～一Ｉ＝……．．疰；ｉ；；；；；ｉＦ。＝…图７Ｆｉｇ．７１４１４瀑崮ｏｆ６３－ｈＤｂ一蘩ｉ型６３孔圆柱口模出口速度分布比较图ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｄｉｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｉｅｏｕｔｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙ１ｉ受’ｊ｛！，多‰，，重◇’ｉ＾Ｉ兰噜惫艮Ｖ４９２．｝０和５１ｈ＋衢（Ｐａ）誊彩：一奈ｏｓ１２ｐＯ｝５３５ｅ＋９５（Ｐａ】图７Ｆｉｇ７１５１５机头出口处的压力分布比较圉（６３孔Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｏｕｆｌｅｔｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄｆ６３－ｈｏｌｅｓ）综上所述，总体比较结果是储料模腔结构４最合理，其次为结构３、结构２，虽不合理的是结构ｌ。上海交通大学博士学位论文７２．２带骨架复合密封条产品实心胶流道分析殛其结构优化带骨架复台密封条（如门框密封条、行李箱密封条等）通常由海绵胶、实心胶及金属骨架等多种材料组成，如图７．１６所示。用于小机头挤出的为多片式复合口模，如图７１７，不同材料经由不同的流道挤出，实心胶流道见图７．３的流道Ｉ。图７．１７带骨架复合密封条挤出口模Ｆｉｇ．７１７Ｍｕｌｔｉ－ｐｌａｔｅｅｘｈ＿ＩＪｓｉｏｎｄｉｅｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｒｕｂｂｅｒｓｅａｌｗｉｔｈｓｔｅｅｌｃａｒｒｉｅｒ第七章橡胶密封条挤出过程模拟的应用在上述口模中包含一片储料模腔及一片多蚓柱孔流量调节模，用于均衡和引导胶料熔体的流量和流向，她罔７１８、图７１９。分析过程中，保留储料模腔结构刁ｉ变通过优化分析多圆丰ｔ孔流量渊节模的圆｝舒Ｌ数Ｈ、直径大小及分布束达到Ｈ的。图７１９多圆柱孔流量调节模Ｆｉｇ７１９Ｆｌｏｗａ嘶ｕｓｔｌｖｅｍｏｕｌｄｗｉｔｈｍｕｌｔｉ－ｃｙｌｉｎｄｅｒｈ州嚣１５６上海交通大学博士学位论主分析模型图７２０即为整个实心胶部分的流道结构分析模型圈７．２１Ｆｉｇ．７．２１２０个５ｍ等直径四柱孔（方案１）ＦｌｏｗａｄｊｔＥｔｌｖｅｍｏｕｌｄｗｉｔｈ２０ｓａｍｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｏｌｅｓｏｆ５ｍｍｄｉａｍｅｔｏｒ（Ｍｏｄｅｌ·ｎ第七章橡胶密封条挤出过程模拟的应用２）方案２：２０个非等直径圆柱孔ｌ（图７２２）ｂ㈡圆。擎亳挚邀～毽◇；７～ＩＩ５ｏ／目７Ｆｉｇ．７．２２Ｆｌｏｗ２２２０十非等直径田柱孔（方案２）ｃｙｌｉｎｄｅｒｈｏｌｅｓ“ｍｄｉｆｅｒｃｎｔｄｉａｍｅｔｅｒ（Ｍｏｄｅｌ－２］ａｄｊｕｓｔｌｖｅｍｏｕｌｄｗｉｔｈ２０３、方案３：２０个非等直径圆柱孔２（图７２３）¨５、。。。羚∥现。。…ｏ“４ｏ２’℃ｏ“４ｏ¨｝Ｄｏ“５ｏ“以、ｐ…。鳓气搭扩图７．２３Ｆｉｇ７２３Ｆｌｏｗ２０十非等直径圆柱孔（方棠３）ａｄｊｕｓｔｉｖｅｍｏｏｌｄｗｉｔｈ２０ｃｙｌｉｎｄｅｒｈｏｌｅｓｗｉｔｈｄｉｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒ（Ｍｏｄｅｌ－３）３分析过程１）口模出口处的速度分布比较图７２４为口模出口处的速度分布比较．可看出。方案３的速度分布最均匀。上海竞通走学博士学位论文界蓬＠静＠图７２４口模出口处的速度分布比较囤Ｆｉｇ７．２４ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｄｉｃｏｕｔｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅⅡＩｍｅｍｏｄｅｌｓ２）机头出口处的压力分布及大小比较图７２５为机头出口处的压力分布比较，可看出，方案２的压力最小，方案３其次，方案１最大，但相差都不是很大。Ｍｏｄｅｌ－１Ｍｏｄｅｌ．２Ｍｏｄｅｌ－３１口、Ｉ’ｉＩ、ｊ＿、，’，’、一：：蕾｛。夕Ｐｒｅｓ一，Ｐａｉｉ。。歹Ｐｒｅｓ—Ｐａ（１＿０３—１０６）ＭＰａ毒ｎ℃ｇ峨－Ｐａ（１ｌｐｌ１３）ＭＰａ（１１０￣１１８）ＭＰａ田７２５机头出口处的压力舟布比较图Ｆｉｇ７２５Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｏｕｔｌｅｔｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｍｏｄｅｌｓ３）总体比较结果从上述速度及压力的总体比较结果来看，方案３是最好的．即可采用方案３的圆柱孔分布形式来分配和调节流量。第七章橡胶密封条挤出过程模拟的应用７．３机头焦烧问题分析及其改进方案橡胶密封条是经过挤出机、机头、口模而挤出的，橡胶熔体经过机头分流、口模流道导向及口型成型，从挤出机喂料到从口模挤出需要一定的时间。为了保证其流动性，橡胶熔体处于高温环境中，同时橡胶熔体在挤出过程中要受到强烈的剪切变形，从而产生大量的热量，使熔体温度升高。由于橡胶熔体为包含硫化剂的混炼胶体系，在高温下保持时间超过其对应硫化时间后，会发生硫化而变得很硬，从而影响其流动性。当熔体在机头及口模的流道中发生了高温硫化，则会产生焦烧现象，影响挤出产品表面质量及效率。机头焦烧是橡胶产品挤出过程中比较容易发生的问题，与多种因素有关，如机头结构、口模及流道结构、胶料流动性、机头及胶料温度等，其中机头结构是最为关键的因素，其关系到胶料熔体的流动过程及轨迹，不合理的机头及流道结构容易使熔体在部分位置的流速很慢，流向不合理，甚至不流动，从而使熔体在机头内的驻留时间过长而产生硫化焦烧，这些不合理的结构俗称“死角’’。机头结构相对来说是比较复杂且固定的，需要设计得比较合理且要能适应不同配方胶料熔体的挤出，一般不能轻易进行改动，否则会影响正常生产，仅凭经验进行改动风险很大。在本研究中，应用有限元法，采用Ｐｏｌｙｆｌｏｗ软件对橡胶熔体在机头及口模流道中的流动情况进行模拟，分析熔体的流动轨迹方向、流动速度分布、压力分布，找出速度慢及流动轨迹不合理的部分，分析产生焦烧的位置和原因，并和实际产生焦烧的位置进行对比，说明采用计算机模拟的可行性。在此基础上，对结构进行优化，提出合理的解决方案并经过实际验证。７．３．１问题描述如图７．２６为在橡胶密封条挤出中使用的一种意大利式机头，该机头结构相对来说比较老式，图７．２７则为该机头在挤出线上的工作状态。在挤出带骨架的复合密封上海交通大学博士学位论文条时，机头内海绵胶进料口对面靠近口模区域容易产生焦烧现象导致每次连续挤出扯５个小时就必须停线清洗机头，严重影响挤出效率、产品质量，并导致大量废品浪费。图７．２６机头相片【部分】Ｆｉｇ７．２６ＰｈｏｔｏｏｆｔｈｅｅｘＩｎｔｓｉｏｎｈｅａｄ（ｐａｒｔ）田７２７机头工作状态Ｆｉｇ７２７Ｗｏｒｋｉｎｇｓ∞ｍｓｏｆｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄ第七章橡胶密封素挤出过程模拟的应用图７２８（ａ）为该机头外套筒的三维图，图７２８（ｂ）则为８二维剖面图，胶料Ｉ（实心胶）及胶料ＩＩ（海绵胶或另一股实心胶）在机头内通过套筒、口模等隔开，进入各自的挤出流道，最后在口模出口处汇合共挤出成型。挤出过程中的焦烧问题发生在套筒内进入口模流道之前海绵胶部分。为了解决该焦烧问题，研究中采用了两种方案：一种是海绵胶进口内增加胶料分流器；另一种则是改变套筒和口模结构形式。最后是综合采用两种方案来解决。ｌＩＴｕｎｎｄｏｆ岫，蚓ｃ叮Ｉｃｏ２－－ＦＩ删妇１３－－ＦＩ州ｄ¨ｎｎｄｏｆｎｄｌｂ“·Ｉｏｆ“Ｂｂ“－ｌＩ图７．２８机头三维图厦其二维剖面图Ｆｉ｝７２８３Ｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｅｘ吣ｉｏｎｈｅａｄａｎｄｔＩＩｃｃｍａｗａｙｖｉｅｗ７３２采用分流器的解决方案分析图７．２９为在胶料ＩＩ（海绵胶）流道中增加了分流器后的二维剖面图。增加胶料入口分流嚣的目的是减小胶料熔体进入机头的速度梯度，增加壁面处的流速，从而加快整个流道范围内的壁面处速度，减少胶料停留时间，减少焦烧特别是壁面处焦皮的产生。采用某门框条的海绵胶部分的挤出来分析增加分流器的作用，如图７３０所示。图７．３１（ａ）、图７．３１（ｂ）分别为无分流器和有分流器时装好了口模的机头－口模三维图（示例为该门框条口模）。上海交通大学博士学位论文图７．２９增加了分流器后机头二维剖面图Ｆｉｇ．７．２９Ｔｈｅ２Ｄｃｕｔａｗａｙｖｉｅｗｏｆｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄｗｉｔｈｆｌｏｗａｄｊｕｓｔｅｒ图７．３０某门框密封条断面Ｆｉｇ．７．３０Ｔｈｅｐｒｏｆｉｌｅｏｆｔｈｅｄｏｏｒｏｐｅｎｓｅａｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ１６３第七章橡胶密封务挤出过程模拟的应用（ａ）（ｂ）图７．３１机头带口模三维图（ａ）无分流器：（ｂ）有分漉器Ｆｉｇ７，３１３Ｄｍｏｄｅｌｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｈｅａｄａｎｄｄｉｅ（ａ）ｗｉｔｈｏｕｔｆｌｏｗ删ｕｓｔｅｒ；（ｂ）ｗｉｔｈ耐ｊＩ垭ｅｆ图７．３２（ａ）、ｓ３２（ｂ）分别为无分流器时门框条海绵胶流道的三维图及其有限元模型。图７．３３（ａ）、８．３３（ｂ）则分别为有分流器时门框条海绵胶流道的三维图及其有限元模型。Ｏｕｔｌｅｔ（ａ）（ｂ）图７．３２无分流嚣时机头带口模的沌遵三堆模型覆其有限元模型Ｆｉｇ７３２３ＤＦＥＡｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｏｆｅｘ咖，ｓｌｏｎｈｅａｄａｎｄｄｉｅｗｉｔｈｏｕｔｆｌｏｗ喇ｆｌｅｅｔ上海交通太学博士肇住论文‘Ｂｃ．３Ｏｕｔｌｅｔ‘ａ）（ｂ）目７．”有分流器时机头带口模的流蓬三堆模型厦其有限元模型Ｆｉｇ７．３３３ＤＦＥＡｍｏｄｅｌ＆ｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｏｆｅｘ栅ｓｉｏｎｈｅａｄａｎｄｄｉｅｗｉｔｈｆｌｏｗａｄｊｔⅨｔｅｒ图７３４（ａ）、图７．３４（ｂ）分别为无分流器和有分流器时的壁面滑移运度分布图，图示表明，增加分流器后，壁面滑移速度有所增加，有利于减少壁面周围一层熟胶皮的产生。ｊ：三：：：气ｌ‰１产毫．Ｊ～蠢（ａ）Ｆｉｇ７３４Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｗａｌｌ拉：ｊＩＩ一“习Ｖｍｍｔｓ（ｂ）图７．３４壁面滑移速度分布圈（ａ）无分流器；（ｂ）有分流嚣ｓｌｉｐｖｅｌｏｃｉｔｙ街ｗｉｔｈｏｕｔｆｌｏｗａｄｊｕｓｔ叫佃）ｗｉｔｈｆｌｏｗａｄｊｕｓｔｅｒ图７．３５（ａ）、图７．３５（ｂ）分别为无分流器和有分流器时的胶料速度流线分布图第七幸橡胶密封奈挤出过程模拟的应用（Ｏ～２ｍｍ／ｓ），图示可见，两者胶料流动轨迹是一致的。’堇彦三Ｖｒａｍ／￥（ａ）Ｖ．ｍｍ／ｓｆｂ鲴７．３５Ｏ－２咖，ｓ连度流线囤（ａ）克分漉嚣：（ｂ）有奔流嚣Ｆｌｏｗｉｎｇｔｒａｃｅｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙ（０－０２、ｍｍ／ｓＦｉｇ７３５（ａ）ｗｉｔｈｏｕｔｆｌｏｗａｄｊｕｓｔｅｒ；∞ｗｌｔｈｆｌｏｗａｄｊｕｓｔｅｒ图７．３６、图７．３７分别为无分流器和有分流器时的速度分布图（０’Ｉｍ／ｓ），图示可见，两者胶料流动轨迹是一致的。都出现了一太块０．２ｍ／ｓ以下的超低速区，意味着两者的这块区域内都有焦烧的可能性。无分流器时，机头套筒内的超低速区比有分流器时稍大些，说明增加分流器对套筒内的流动有所影响，但不是很明显。誊警誊＋：，鞫誊ｊ。蔷澎‘＋∥蓄雾上海交通大学博士学住论文ＶＨｒｔ＿ｔ（ｂ图７．３８口模出口速度分布图（ｎ）无分漉器：（ｂ）有分流器Ｆｉｇ７３８Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｉｅｏｕｔｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙ（劬ｗｉｔｈｏｕｔｆｌｏｗａｄｊｕｓｔｅｒ；（ｂ）ｗｉｔｈｆｌｏｗａｄｊｕｓｔｅｒ第七幸橡胶密封条挤出过程模拟的应用从上述分析结果来看，采用分流器的影响如下：ｌ、对整个机头内的胶料流动没有明显改善，口模套筒内仍会有胶烧现象发生：２、但在机头流道外壁的流动速度会增加，减少焦烧胶皮的产生。３、由于分流器的加入，实际上是增加了杌头套简内的压降，在六个分流道内产生了收缩流及＾口压降区，在收缩区壁面附近内流速较小，甚至会产生二次回流，导致胶料驻留．引起焦烧，在换口模换胶料时造成困难。在实际使用分流嚣后中已产生了该问题。７３．３改进套筒和口模结构的解决方案分析机头、套筒和口模组成了密封条挤出的流道，三者的配合结构都要合理才能使胶料流动顺畅，否则就会出现胶料滞留、硫化焦烧的问题。机头结构一般不能轻易改变．在本小节研究中，考虑改变套筒和口模的结构形式，如图７３９为老式套筒结构，图７４０则为新式套筒结构。图７３９老式套筒蛄构三堆图Ｆｉｇ．７３９３Ｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｏｌｄｓｌｅｅｖｅ上海交通丈学博士学位论文囤７．４０新式套筒结构三维图Ｆｉｇ，７４０３Ｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｎｃｗｓｌｅｅｖｅ由于套筒结构发生改变，口模结构也要相应的采用新的结构形式（新式口模）。为了充分分析套筒结构和口模结构对熔体流动的影响，本研究中分别对某门框密封条和某行李箱密封条海绵胶部分挤出流动情况进行了分析（两种口模熔体的出口位置形式充分代表了两大类的带骨架复合密封条的挤出）。ｌ门框密封条口模及机头的海绵胶流道比较分析门框条断面结构见图７３０。图７．４１（ａ）、图７．４１（ｂ）分别为门框条老式套筒和老式口模、机头配合的海绵胶流道三维图及相应的有限元模型。第七幸橡胶密封奇挤出过程模拟的应用～Ｂｃ．３Ｏｕａｅｔ｛ａｌ（ｂ）图７４２门框奈挤出流道三堆图度有限元模型（新式套筒）Ｆ．ｇ７．４２３ＤＦＥＭｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｏｆｄｏｏｒｏｐｅｎｓｅａｌ（ｎｅｗｓｌｅｅｖｅ）图７．４３（ａ）、图７．４３（ｂ）分别为两种结构的胶料速度流线分布圈（Ｏ～５ｒｎｍ／ｓ），老式上海交通太学博士学位论文结构在进料口对侧有一明显胶料流线偏少区（两侧来料相会点的上部），而新式结构这一区域不明显。ａ１叶０２（ｂ）０２－１用７．４４门框备老式结构的速度分布（ａ）０－ｏ．２ｍ／ｓ；（ｂ）０２－ｌｍ／ｓＦｉｇ．７４４Ｄｉｓ”ｉｂｕｌｉｏｎｏｆｖｅｌｏｃ时ｏｆｔｈｅｏｌｄｓｌｅｅｖｅｍｏｄｅｌ（ｏ，－ｏ．２）ｍｍ／ｓ；（ｂ）（０２一Ｉ）ｍｍ／ｓ第七章橡胶密封务挤出过程模拟的应用｜：量良（ａ）０＂０．２Ｆｉｇ．７４５Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｎｃｔ，ｖＶｍ耐０ｂ）（１２－－１囤７．４５门框奈新式结构的速度分布（ａ）０－０．２ｍ／ｓ；（ｂ）Ｏ．２－ｌｍ／ｓｓｌｅｅｖｅｍｏｄｅｌ（ａ）（Ｏ加２）ｒｎｍ／ｓ；０）（０２—１）ｍｉ，ｉＱｓ２行李箱密封条口模及机头海绵胶流道比较分析图７．４６为某行李箱密封条断面图，图７．４７（ａ）为该行李箱密封条老式套筒和老式１：３模、机头配合的海绵胶流道三维图，图７４７（ｂ）则为其相应的有限元模型。田７４６行李葙密封奈断面蛄构Ｆｉｇ７．４６Ｐｒｏｆｉｌｅｏｆｍｍｋｓｅａｌ上海交通大学博士学位论支匾上ｅＣ－３Ｏｕｔｅｒ（ａ）（ｂ）目７４８新式套筒、口模结构三堆图厦有限元模型Ｆｉｓ７．４８３ＤＦＥＭｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｏｆＵｕｎｋｓｅａｌ（ｎｅｗｓｌｅｅｖｅ）图７．４９（ａ）、图７．４９∞分别为两种结构的胶料速度流线分布图（０，－－Ｓｍｍ／ｓ），图示两者胶料流动轨迹是不一样的，老式结构在进料口对侧有一明显胶料流线偏少区（两第七章橡胶密封条挤出过程模拟的应用侧来料相会点的上部）．而新式结构这一区域不明显。■Ｊ１＝ｌ～～：够Ｕ“ＴＴｕｓ＇＝斑蛙酸少区域三，＝““ＥｆａＶｒａｔａｋ（ｂＪ（ａ）老式结构：（ｂ）新式结构ｓｌｅｅｖｅ困７．４９行车箱整封条挤出连度流线图（Ｏ－５叫／ｓ）Ｆｉｇ．７．４９ＦｌｏｗｉｎｇｔｒａｃｅｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙｔＯｏ）ｍｍ／ｓ（ａ）ｏｌｄｓｌｅｅｖｅ；（ｂ）ｎｏｗ图７ＳＯ（ａ）、图７．５１（ａ）分别为两种结构的胶料速度分布ｔ虱（ｏ－－ｏ２ｒａｍ／ｓ），图７５０㈣、图７５１（ｂ）则为两种结构对应的０．２～ｌｍｍ／ｓ速度分布图，从图中可明显看出在老式结构在进料口对侧有一明显的低速区（Ｏ加２ｍｍ／ｓ），而新式结构这一区域非常小，由此可看出老式结构在该区域很容易产生焦烧现象。１塞渗留蓬④蘑Ｖｍｒ呐‰一跫∥ｕｍｌＷ§（ａ）０－０２（ｂ）０．２－１图７５０行李箱密封夺老式结构的速度分市（ａ）Ｃｏ２ｍ／ｓ；（ｂ）０．２－ｌｍ／ｓＦｉｇ．７５０Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｏｌｄｓｌｅｅｖｅｍｏｄｅｌ（０－０２）ｍｎ“ｓ；（ｂ）（０２￣１）ｍｍ／ｓ”４上海交通走学博士学位论文＇＝兰≈＝一ｔ薹勘ｅ：ｉ＿¨Ｖ‘霹聱霸鬟Ｖｍｉｎｔｓ《ｂ）０．２－ＩＥＶｒｒｒｎｂａ１０－０２Ｆｉｇ７５１ＥＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｖｅｌｏｃｌｔｙｏｆｔｈｅｎｅｗｓｌｅｅｖｅｍｏｄｅｌ图７．５１行李箱密封条新式鲒构的速度分布（ａ）０－０２ｒａｍ／ｓ；（ｂ）０２－Ｉｍｍｌｓ（对（０－－０２）ｆｉｎｎ／ｓ；（ｂ）（０．２—１）ｌｌｌＩ】眺３结论从上述分析结果可得出如下几点结论：ｉ）无论是行李箱密封条口模还是门框密封条口模，采用新套筒后，胶料流动都得到明显的改善，低速区域很小，焦烧产生的可能性性小，而对于老套筒结构，有很明显的一块低速区域，这就是发生焦烧现象的位置；２）行李箱口模结构的海绵胶出料口更均匀的分布在口模的一圈范围内，而门框条口模结构的海绵胶的出料口只分布在半圈，所以行李箱这种结构更有利于胶料的流动，减少低速区域；对于门框条这类口模，为了减少机头进料口对面低速区域的产生，加速其胶料的流动，可以尽量把海绵胶的出料口分布在这一区域，说明口模设计过程中海绵泡部分的摆放方向（相对于挤出过程）对于橡胶的流动是有影响的。３）密封条口模内海绵胶流道的分布要均匀合理，海绵泡的摆放方向最好在胶料入口对侧；在机头套筒内容易形成焦烧的低速区域根据胶料的流动轨迹采用合理的结构形式封住，杜绝该区域的形成。第七章橡胶密封条挤出过程模拟的应用７．３．４试验验证申雅（淮安）公司采用老式结构的套筒和口模时，在挤出过程中，每挤出４’５小时机头内就会有焦烧，必须停线拆洗机头，造成大量浪费。根据模拟分析的结果，试验了两种方案，结果表明，后一种方案对减少焦烧现象效果明显，挤出持续时间可达９’１０小时以上，验证了ＣＡＥ分析的结果是可行的，说明ＣＡＥ模拟分析具有重要的现实指导意义。７．４头道密封条挤出口型逆向设计分析及应用头道密封条的结构一般是比较复杂的，其中包含一个或多个空心孔，挤出变形比较复杂。如图７．５２即为某头道密封条的断面结构，面积Ａ１＝８９．１ｍｍ２，其材料为ＳＣＭ６０的实心胶。由于挤出口型膨胀及牵引挤出的作用，要挤出得到该断面结构，就必须设计合理的挤出口型及其流道结构。目前，主要是依靠经验经过多次调试而确定挤出口模的状态。在本节的研究中，将运用ＣＡＥ分析的手段，采用Ｐｏｌｙｆｌｏｗ软件来进行挤出口型的逆向设计，运用第七章所研究的方法进行口型膨胀及正向挤出，最后通过实际挤出进行验证。图７．５２某头道密封条的断面结构Ｆｉｇ．７．５２Ｐｒｏｆｉｌｅｏｆａｄｏｏｒｓｅａｌ１７６上海交通太学博士学位论文７４Ｔ逆向口型计算如图７．５３为逆向分析的有限元模型及其边界条件（模型．１）。模型计算过程中保持挤出体出口形状（８Ｃ．４）为所需断面形状不变（图７．５２所示），而挤出口型则为需要分析得到的结果，口模为直流道结构，模型中口模厚度为１５ｒａｍ，挤出体长度为６０ｒａｍ。材料采用Ｂｉｒｄ．ｃａｒｒｅａｕ模型，材料参数同前述章节。边界条件设置如下：１１入口边界条件：流量，Ｑ＝１５０００ｍｍ３／ｓ；２）壁面边界条件：无滑移（％＝ｕ＝０）；３、自由边界条件：铲＂＝０；４）出１３边界条件：自由挤出，一亏西＝０。Ｉｎｌｅｔ固７５３挤出口型逆向分析有限元模型（模型－１）Ｆｉｇ．７５３ＦＥＡｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｅ．ｘｍＢｉｏｎ（ｍｏｄｅｌ－图７．５４为逆向分析时的变形图，图７．５５则为逆向计算得到的口型和产品断面形状对比，逆向口型面积为Ａ２＝７３ｍｍ２。第七章橡胶密封争挤出过程模拟的应用’＝：…＊…ｉ＝：Ｆｉｇ７５４＇菠ｋ＼ｌｎｖｅＢｅＶｚｍｍ／ｓ图７５４逆向分析三雏变形囤Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｘｔｒｕｄａｔｅｄｕｒｉｎｇｉｎｖｅｒｓｅｅｘｔｍｄｌｎｇｌ－Ｒｅｑｕｉｔｅｄｐｒｏｄｕｃｔ，Ａ１－８９２－Ｉｎｖｅｒｓｅｄｉｔｌｉｐ，Ａ２＝７３ｍｍ２１ｍ砰图７．５５逆向口型与产品断面形状对比Ｆｉｇ７５５Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｄｐｒｏｄｕｃｔａｎｄｉｎｖｅｒｓｅｄｉｅｌｉｐ７４２正向挤出分析一Ｉ正向挤出分析的模型和上一节逆向分析的模型一样．区别在于此时挤出口型和产品断面形状一样并且计算过程中保持不变。挤出体出口断面形状为计算所要得到的，上海交通大学博士学住论吏边界条件ＢＣ－４具有牵引速度Ｖ刚尸２００ｍｍ／ｓ，其它边界条件不变。图７．５６为正向分析时的变形图，图７５７则为正向口型与计算得到的挤出断面形状对比，正向口型面积为Ａ３＝Ａｌ＝８９．１ｍｍ２，挤出断面面积为Ａ４＝７９．４ｍｍ２。结果表明挤出断面和需要得到的产品断面形状相差很大，说明不能完全复制产品形状来加ＩＥＩ＝Ｉ型，必须进行适当的口型变形。７．４３口型放大分析由图７．５７可知，当牵引速度为ｖＤ。１１＝２００ｍｍ／ｓ时，挤出１２１型相对于挤出断面的口型放大系数为ａ＝Ａ３／Ａ４＝Ｉ１２２，所以当需要得到的挤出断面面积为Ａ５－ＡＩ＝８９１ｍｍ２时，所需要的挤出口型面积为Ａ６一Ａ５＊ｄ＝９９９７ｎｕｎ２。在７．４．１节中计算得到的逆向ｒａ型面积为Ａ２＝７３衄２，则逆向ｒａ型放大系数Ｂ＝Ａ６／Ａ２＝Ｉ挤出ｒｌ型面积为Ａ６－－９９７．５８所示。９７３６７。所以最终所需要的ｉｎＲｌ２，１３型形状和Ｆｉ９７５５中的逆向１３型Ａ２一致，如图Ｖ工ｍｍ，ｓ图７．ｓ６正向分析三堆变形图Ｆｉｇ．７５６ＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅⅫｎＩｄ蹴ｄｕｒｉｎｇｄｉｒｅｃｔ１７９ｅｘａｖｄｉｎｇｇ－ｅ章橡胶密封条挤出过程模拟的应用１－－Ｄｉｅｌｉｐｏｆｄｉｒｅｃｔｅｘｔｒｕｄｉｎｇ，Ａ３＝Ａ１＝８９．１ｍｍ２２－－Ｅｘｔｒｕｄａｔｅｏｆｄｉｒｅｃｔｅｘｔｒｕｄｉｎｇ，Ａ４２７９．４ｍｍ２图７．５７正向挤出口型与挤出断面形状对比Ｆｉｇ．７．５７Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｅｘｔｒｕｄａｔｅａｎｄｄｉｅｌｉｐｏｆｄｉｒｅｃｔｅｘｔｒｕｄｉｎｇ１－Ｒｅｑｕｉｒｅｄｐｒｏｄｕｃｔ，Ａ５＝Ａｌ＝８９．１ｍｍ２２－Ｉｎｖｅｒｓｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｂｅｆｏｒｅｅｎｌａｒｇｅｄ，Ａ２＝７３ｍｍ２３－Ｉｎｖｅｒｓｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅａｆｔｅｒｅｎｌａｒｇｅｄ，Ａ６＝９９．９７ｒａｍｚ图７７．５８挤出口型放大前后与挤出断面形状对比Ｆｉｇ．７．５８Ｔｈｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｅｎｌａｒｇｅｄ１８０上海交通走学博士学住论文７．４，４正向挤出分＃ｉｌｌ根据放大后的口型形状建立直流道口模的正向挤出模型（模型－２），如图７．５９所示，材料模型和边界条件和７．４２节中相同。ｉｌｌｅｌＥｘｔｒｕｓｉｄｉｅＯｕｔｌｅｔ图７５９放九舌口型的正向挤出有限无模型（模型一２）Ｆｉｇ７５９ＦＥＭｍｏｄｅｌｏｆｄｉｒｅｃｔｅｘｔｒｕｄｉｎｇｆｏｒｔｈｅｅｎｌａｒｇｅｄｉｎｖｅｒｓｅｄｉｅ（ｍｏｄｅｌ－２）圈７．６０为正向分析时的变形国，图７．６ｌ则为正向口型与计算得到的挤出断面形状对比，正向口型面积为Ａ６－－－９９．９７ｉｉｌｌｎ２，挤出断面面积为Ａ７－＇－＇－毋０．７ｆｉｌｍ２。断面对比结果表明，计算得到的挤出断面与所需要的产品断面除了唇边端头位置有点偏差外，其它部位极为一致，说明从模拟分析的角度来看．逆向口型设计的是合理的。第七章橡肢密封奈挤出过程模拟的应用Ｌ４∞¨ｔ—ｉ一一‘＾＊＿砉ｋＶｚ．ｍｍ／ｓＦｉｇ一——＾＼Ｏ∞¨Ｐｒｏｆｉｌｅｏｆｅｘｔ九ｌｄａｔｅ７．６０正向分析三雏变形图（模型一２Ｆｉｇ．７６０Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｅｘ：ｔｒｕｄａｔｅｄｕｒｉｎｇｄｉｒｅｃｔｅｘｔｒｕｄｌｎｇ（ｍｏｄｅｌ－２）１－－Ｒｅｑｕｉｒｅｄｐｒｏｄｕｃｔ，Ａ５；Ａ１２８９ｌｍｍ２一ＥｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｌｉｐＡ６＝９９．９７ｍｍ３－－Ｅｘｔｒｕｄａｔｅ，Ａ７＝９０７ｒａｍＦｉｇ．７６１正向挤出口型与挤出断面形收对｝匕Ｆｉｇ７６１Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｄｐｌｆｏｃｉｕｃｔ，ｅｘＣｕｓｉｏｎｄｉｅｌｉｐａｎｄｅｘｔｍｄａｔｅ上海空通大学博士学位论文图７６２、图７６３分别为正向挤出分析．Ｉ（模型－１）与正向挤出分析．ＩＩ（模型－２）中的口型出口处的挤出速度分布图，分别为（０－－４７３）ｍ州ｓ和（０－－３５４）ｍｍ／￥，后者比前者分布更均匀，说明逆向分析得到的１３型更有利于平衡速度分布，是更台理的。＿：：：§哒。Ｆｉｇ７ｉ：：＝：＿＝ａ：＝拦畦岵Ｈｖｚｍｍ，ｓ（Ｏ－３，５４）ｍｍ／ｓＦ培７．６３模型－２１２型出口速度分布圈Ｆｉｇ．７６３Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｉｅｏｕｔｌｅｔｖｅｌｏｃ时ｏｆｍｏｄａｌ－２第七章橡胶密封务挤出过程模拟的应用７４５试验验证根据７．４３节中得到的放大后的口型形状，加工了挤出口模，如图７．“所示。在申雅密封件有限公司的密封条挤出生产线上进行挤出试验，挤出试验中牵引速度为１２ｍ／ｓ，红外线测温仪测得的口模内熔体温度为（１１０－１２０）℃，利用该口模挤出加工后得到的产品断面如图７．６５所示，其面积为Ａ８＝９０．６ｍｍ２。、＼越琴，＼懑罗图７．６４挤出口模相片Ｆ培７．６４Ｐｈｏｔｏｏｆｔｈｅｅｘｌ咖ｓｉｏｎｄｉｅ毋７．６５挤出断面相片Ｐｉｇ７６５Ｐｈｏｔｏｏｆｔｈｅｅｘ＇ｌｒｄａｔｅ图７６６即为计算挤出断面、试验挤出断面和所需得到的挤出断面的对比，图示上海交通大学博士学位论文结果表明，三者的面积大小很接近，尤其是各部位的厚度非常接近。但是唇边位置有所偏差，尤其是试验挤出断面的唇边往外偏差较大，这是因为实际挤出中唇边外侧为着带面，唇边受到重力作用会偏向挤出牵引输送带，而计算过程中由于软件功能的局限性没有考虑重力因素和着带牵引因素。实际挤出过程中，挤出断面中各部位的厚度尺寸符合要求是最重要的，位置的微小偏差可以通过后续定位工装加以调整，从这个方面来讲，计算得到的口型形状还是比较合理的。１－－Ｒｅｑｕｋｅｄｐｒｏｄｕｃｔ．Ａ５＝ａｌ一８９．１ｍｍ２２－－Ｅｘｔｒｕｄａｔｅｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ａ７＝９０．７ｍｍ２３－－ＥｘｔｒｕｄａｔｅｂｙｔｅｓＬＡ８＝９０．６ｍｍ２图７．６６各挤出断面对比图Ｆｉｇ．７．６６Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｅｘｔｒｕｄａｔｅｂｙｓｉｍｕｌｍｉｏｎａｎｄｔｅｓｔ７．４．６牵引速度和挤出断面面积的关系图７．６７为采用模型．２进行正向挤出过程中牵引速度和挤出断面面积的关系，计算中流量保持Ｑ＝１５０００删ｎ２不变。图示说明在流量不变的情况下，牵引速度和挤出断面面积基本成线性关系，牵引速度越大，挤出断面面积越小。这就对实际挤出具有一定指导意义，在保证产品充分硫化的基础上，可以通过调整牵引速度来控制断面大小。但是实际生产中，因为为了保证断面的充分硫化，牵引速度一般是不变的，第七章橡胶密封条挤出过程模拟的应用主要是通过调整流量来细微的控制断面大小，如果断面大小相差太大，只能通过修改口型或流道来控制，但是逆向计算得到的口型形状还是有指导意义的。伯：ｇ∞∞∞弱∞；２加１５０１∞１７０１８０伯０２００２１０２２０２３０Ｔｒａｃｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ．ｍｍ／ｓ图７．６７牵引速度和挤出断面面积的关系（Ｑ＝１５０００ｍｍ２）Ｆｉｇ．７．６７Ａｒｅａｏｆｅｘｔｒｕｄａｔｅｖｅｒｓｕｓｔｌ＂ａｃｆｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ（Ｑ＝１５０００ｍｍ２）７．５某新式机头的设计及应用在７．３节中谈到的老式机头存在诸多缺点，如胶料容易焦烧、挤出机头压力大、温度分布不均、挤出速度和效率不高等，而７．２节中的新式小机头的挤出机布局不同，两者不能简单替代，这是该新式小机头还没有投入实际应用的重要原因。鉴于此，在维持挤出机布局不变的情况下，应用有限元分析方法，重新优化设计了一种全新结构的机头。７．５．１机头结构如图７．６８为经过多次流道分析后优化设计得到的新式机头结构中海绵胶流道及实心胶流道的网格模型。上海交通走学博士学位论文机头鼻缩胶糊出口遗度街呻Ｆｉｇ７．６９实心腔藏通ｆｌｌｒａｄｉｉ度分毒囤７６９出口速度分布囤Ｏｕｔｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｔｗｏｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓ第七章橡胶密封务挤出过程模拟的应用图７．７０、７７ｌ则分别为两个流道模型的熔体流动轨迹及熔体压力分布。’茎蓬圉７．７０熔Ｆｉｇ７．７０Ｆｌｏｗｌ）＇ａｇｅ虻：ｍ＝忙二：：：：～卜Ｅ；：，乙枷ｔ＋４ｍ■．¨～＾■，一§■●■撕ｍ张㈣捆Ｅ耋一出■■＿＝＝二莲Ｆｉｇ７７１ｐｒｅｓｓｕｒｅ７：９ＪｒＩ■，＿．＿－，，ｊｉ：＝：；二｛：＝二～一◆图７７１流追内熔体压力分布图ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｗｏｆｌｏｗｃｈａｎｎｅｌｓ５．３实际应用由于牵涉到公司机密，该机头实物结构图片不宜公开。该机头已经成功应用于申雅密封件有限公司的６号生产线。经过实际应用检验表明：机头压力有明显降低，胶料温度分布也更均匀，挤出速度和效率有明显提高。该机头结构形式正在准备申请专利，并且参加了上海市优秀发明选拔赛．目前正在评比之中。上海交通大学博士学位论文７．６小结本章应用模拟方法来解决生产实际中遇到的问题，尤其是机头内胶料焦烧的问题，取得了很好的效果；此外还通过分析设计了一种新的机头结构，并得到推广使用。这些研究成果说明本课题的研究已经达到了生产应用的阶段，在国内汽车密封条行业开创了在橡胶挤出加工领域应用计算机模拟的新方法、新阶段。第八章全文总结第八章全文总结本文中，基于汽车橡胶密封条挤出模拟研究的需要，首先测试研究了ＥＰＤＭ混炼胶的流变性能及其流变模型和材料参数，并通过毛细管和矩形口模的挤出模拟和试验来验证材料模型和参数的合理性；其次对结构复杂的橡胶密封条的挤出加工进行了详细的模拟研究和验证，分析了壁面滑移、牵引速度及流量等对挤出状态的影响规律；然后对挤出口型及流道结构的优化设计分析和逆向计算过程做了开拓性的研究工作；最后，运用前述的研究方法和结论分析了工程中遇到的几个实际问题并得到了实际的验证。本论文的主要结论如下：ｌ、通过ＥＰＤＭ混炼胶的流变试验结果表明，在稳态流动条件下，材料的弹性较弱，提示在剪切速率不太大的范围内，可以不考虑材料弹性的影响。在实际橡胶挤出温度变化范围内，温度对ＥＰＤＭ橡胶的粘度影响并不显著，说明对于橡胶密封条的挤出流动模拟研究可以近似地不考虑温度的影响。这对于橡胶挤出流动分析中简化计算具有重要意义。２、经过ＥＰＤＭ混炼胶流变试验数据分析可知其流变行为具有典型的剪切变稀特性，其剪切速率和剪切粘度关系满足Ｂｉｒｄ—Ｃａｒｒｅａｕ纯粘性模型。毛细管和矩形等简单口模的挤出模拟及试验说明采用Ｂｉｒｄ—Ｃａｒｒｅａｕ模型是可行的。３、在对ＥＰＤＭ橡胶密封条的挤出成型过程中，分析了材料性能、流量、牵引速度（牵引力）等工艺参数对挤出速度、压力和挤出体结构的影响。研究结果表明：（１）壁面滑移对挤出状态影响很大。壁面滑移越大，挤出变形（胀大）越小，说明在橡胶的实际挤出过程中，口模内壁的光洁度、口模和橡胶熔体的表面结合力是影响壁面滑移的重要因素。然而，通过模拟和试验的对比分析，可以认为在实际挤出中，壁面滑移很小，在实际计算中，可以假设壁面无滑移条件。（２）在挤出流动过程中，外在的牵引速度对口模内的流动情况没有影响。随着挤出熔体离开口模的时间和距离增加，产品断面形状和大小与牵引速度有关，牵引速度越大，产品断面变化越大，且最终的稳定断面越小。上海交通大学博士学位论文（３）流量对挤出产品断面大小影响很大，流量越大则挤出产品越大。若要挤出得到相同大小的产品断面，流量和牵引速度的调整符合正比的线性关系，即当牵引速度增加时，流量也必须线性加大。这点对实际生产具有重要的指导意义。（４）计算所采用的材料模型（纯粘性模型和粘弹性模型）对挤出流动状态是有影响的，但当存在牵引速度时对最终稳定状态下的挤出断面结果影响不大，说明在进行比较复杂的模拟分析时，可以近似考虑采用纯粘性模型，以避免因考虑粘弹性模型计算而难以收敛的问题，同时节约计算成本，这对实际问题的挤出分析简化计算规模、节约计算成本具有重要的指导作用。４、结合流量平衡原理及正向模拟分析，本文提出了一套可以定量计算口模流道大小、形状及深度的设计方法，由此指导设计的流道结构在生产实际中已经得到了很好的应用。此外，在挤出口模流道结构优化分析中，发现局部扩充流道结构和阻尼块流道结构对于平衡挤出速度和压力具有重要作用。５、根据速度重分布原则，结合正向模拟和逆向模拟，提出了一套可以定量计算挤出口模口型形状和大小的设计方法，解决了橡胶密封条挤出模拟应用中的一大难点。此外，通过分析，发现变截面流道结构比单一截面流道结构好，挤出口模的压力小、能耗少。６、通过对实际挤出机头流道的优化分析及实际产品口型逆向设计验证、机头焦烧问题及新机头设计等多个实际问题的应用，进一步验证了上述方法和结论的正确性，为橡胶密封条等聚合物产品的挤出加工研究开辟了新的方法和思路。本研究通过计算机模拟的手段来了解橡胶挤出流动状态、预测挤出产品形状并优化口型及流道结构，不仅可以节约产品调试成本和时间，而且可以提高产品质量，这对于橡胶挤出加工领域的发展具有重要意义。本研究提出的橡胶密封条挤出口模设计方法，是口模设计从经验设计到计算机仿真设计的一大创新和突破。结合ＣＡＤ绘图工具及ＣＡＭ数字化加工技术，可形成完整的挤出口模３Ｃ（ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ）技术平台，相对于传统的经验“试差法＂，３Ｃ技术具备成本低、周期短、重复性好的优势，所以具有重要的实用价值。对企业来说，３Ｃ技术的应用，可大大提高企业的技术水平等级，为企业的长远发展奠定基础。１９１第八章全文总结在本课题的研究和应用过程中，也发现存在一些问题，需要进一步的深入探讨，主要体现在以下几个方面：１、由于缺乏专业的橡胶材料的流变性能测试仪器，本课题采用的毛细管流变仪及旋转流变仪主要用于塑料、纤维等高分子材料的流变性能测试，而橡胶材料在高温下表现为高粘稠的熔融态，采用这些仪器测试时流动性较差，测试结果不稳定，难以得到较理想测试结果。为了更真实的表征橡胶材料的流变性能，在以后的研究中需要应用更为专业的橡胶流变性能测试仪器进行测试分析。２、橡胶为粘弹性材料，其挤出胀大既与速度重分布的平衡原理有关，又与橡胶弹性变形能的出口回复胀大有关，而且随着挤出速度的增加，弹性出口回复引起的胀大越强，所以在计算模拟分析时最好采用粘弹性模型来表征橡胶材料的流变性能，这样计算结果将能更好的反应实际状态。但由于受到粘弹性模型理论、数值方法、计算软件功能及硬件运算能力等因素的影响，采用粘弹性模型计算容易出现计算不收敛的问题，而且计算时间长，计算成本高，在实际应用中并不合适，尤其对于较为复杂的模型更不可行。鉴于此，本课题中主要采用粘性模型来计算，分析结果和实际结果有所偏差也就在所难免，尤其在口模及流道结构的设计应用中，计算得到的口模还需要经过少量的修正才能投入实际使用，这些都与材料模型、材料参数、计算域范围及边界条件的选择有关。尽管如此，分析结果用于对比性优化分析在实际应用中还是完全可行的。所以在今后的研究中，如何应用更为合理的粘弹性模型来分析问题，及如何提高计算精度是进一步需要重点考虑的。３、由于橡胶产品如密封条挤出后为柔软的热态，如何测试得到准确的挤出断面是一大难点。本课题采用的方法虽然较为方便可行，但由于制取过程中断面还是有变形，所以得到的断面与实际状态还是有差异。所以如何测试得到准确的挤出断面也是今后研究工作中需要进一步研究的内容。４、本课题研究的主要是单组分橡胶产品的挤出，而实际橡胶产品（如密封条）很多都是多组分的共挤出，如两种或两种以上胶料共挤出、带插入件（如金属骨架）的共挤出。这些复合挤出产品结构及工艺更复杂，模拟分析也将更复杂，上海交通大学博士学位论文还有很多问题需要在以后的研究中去发现、去解决。５、本课题研究的橡胶挤出过程主要为稳态挤出状态，没有研究瞬态挤出，主要是因为橡胶密封条的实际挤出过程一般为稳态的。虽然由于胶料体系内部各组分分布会有些不均匀，或者受工艺参数变化的影响，挤出过程会出现不稳定现象，但这些必须是在可控制范围内，否则挤出得到的产品断面将会不断变化，致使得不到稳定的合格产品。此外，胶料进入挤出机后的初始挤出为瞬态过程，但这只是挤出调试的初始阶段，并不影响后续的稳定生产挤出过程。为了使计算模拟和实际一致，将挤出过程考虑为稳态挤出是合理可行的。当然，为了研究胶料的动态流变特性，进一步分析模拟其瞬态挤出过程也是很有意义的。６、本课题主要为结合实际橡胶密封条的挤出应用进行模拟研究的，考虑的为宏观挤出流动过程，所以没有结合高分子本身的结构及其变化进行理论分析，这是稍显不足之处。如果能够同时结合微观结构变化进行机理分析，那将具有很重要的理论指导意义。参考文献参考文献【１】Ｎ．ｓｏｍｂａｔｓｏｍｐｏｐ，ＡＳｕｒｖｅｙｏｆＲｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＰｏｌｙｍｅｒＭｅｌｔｓｉｎＣａｐｉｌｌａｒｙＲｈｅｏｍｅｔｅｒｓ．ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＲｕｂｂｅｒａｎｄＰｌａｓｔｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９，１５（１）：．【２】ＪｉＺｈａｏＬｉａｎｇ，Ｐｒｅｓｓｕｒｅｅｆｆｅｃｔｏｆｖｉｓｃｏｓｉｔｙｆｏｒｐｏｌｙｍｅｒｆｌｕｉｄｓｉｎｄｉｅｆｌｏｗ，Ｐｏｌｙｍｅｒ，４２（２００１）：３７０９—３７１２．【３】王贵一编译，丁腈橡胶和高苯乙烯树脂复合材料的流变性能，橡胶参考资料，２００２，３２（２）：４４－４７；Ｎ．Ｃ．Ｎａｙａｋ，《Ｋ．ＧＫ．》，２００１，５４（１０）：５５０～５５３．［４】ＫｒｉｓｈｎａＣｈ．Ｇｕｒｉｙａ，Ａ．Ｋ．ＢｈａｔｔａｃｈａｒｉｙａａｎｄＤ．Ｋ．Ｔｒｉｐａｔｈｙ，ＲｈｒｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＥｔｈｙｌｅｎｅＰｒｏｐｙｌｅｎｅＤｉｅｎｅＲｕｂｂｅｒ（ＥＰＤＭ）Ｃｏｍｐｏｕｎｄ—ＥｆｆｅｃｔｏｆＢｌｏｗｉｎｇＡｇｅｎｔ，ＣｕｒｉｎｇＡｇｅｎｔａｎｄＣａｒｂｏｎＢｌａｃｋＦｉｌｌｅｒ．ＰＯＬＹＭＥＲ，１９９８，３９（１）：【５】Ａ．Ｋ．Ｍａｉｔｙ，Ｓ．ＥＸａｖｉｅｒ，Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｅｔｈｙｌｅｎｅ—ｐｒｏｐｙｌｅｎｅｂｌｏｃｋｃｏｐｏｌｙｍｅｒａｎｄＥＰＤＭｒｕｂｂｅｒｂｌｅｎｄｓｕｓｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ．１９９９，３５：１７３·１８１．ａｔｏｒｑｕｅｒｈｅｏｍｅｔｅｒ．ＥｕｒｏｐｅａｎＰｏｌｙｍｅｒ【６】６Ｃ．Ｓｉｒｓｉｎｈａ，Ｗ．Ｓｉｔｔｉｃｈｏｋｃｈｕｃｈａｉ，ＡＳｔｕｄｙｏｆＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎＳｔａｔｅ—ｏｆ－Ｍｉｘ，ＲｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ＤｙｎａｍｉｃＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅ，Ｖ０１．７６，１５４２－１５４８（２０００）．ＢｏｕｎｄＲｕｂｂｅｒＣｏｎｔｅｎｔ．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ【７】７ＰｒｅｍａｍｏｎｙＧｈｏｓｈ，ＡｍｉｔＣｈａｋｒａｂａｒｔｉ，ＥｆｆｅｃｔｏｆＩｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＣｏｎｄｕｃｔｉｎｇＣａｒｂｏｎＢｌａｃｋ弱ＦｉｌｌｅｒｏｎＭｅｌｔＲｈｅｏｌｏｇｙａｎｄＲｅｌａｘａｔｉｏｎＢｅｈａｖｉｏｕｒｏｆＥｔｈｙｌｅｎｅ－ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ—Ｄｉｅｎｅ６０７．６１７．Ｍｏｎｏｍｅｒ（ＥＰＤＭ）．ＥｕｒｏｐｅａｎＰｏｌｙｍｅｒＪｏｕｒｎａｌ，２０００：［８】Ｎ．Ｓｏｍｂａｔｓｏｍｐｏｐ，ＰＲｕｎｇｒａｔｔａｗａｃｈａｉ，Ｎ．Ｂｏｕｖａｒｅｅ，Ｋ．Ｅａｋｓｒｉｓａｋｕｌ，ＥｆｆｅｃｔｏｆｍａＳｔｉｃａｔｉｏｎｔｉｍｅｏｎｆｌｏｗｐａｔｔｅｍｓｏｆｎａｔｕｒａｌｒｕｂｂｅｒｉｎｔｈｅｂａｒｒｅｌｏｆａｃａｐｉｌｌａｒｙｒｈｅｏｍｅｔｅｒ．ＰｏｌｙｍｅｒＴｅｓｔｉｎｇ，２００１，２０：３１７—３２０．【９】Ｎ．Ｓｏｍｂａｔｓｏｍｐｏｐ，Ｍ．Ｃ．ＴａｎａｎｄＡ．Ｋ．Ｗｏｏｄ，ＦｌｏｗＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＮａｔｕｒａｌＲｕｂｂｅｒｉｎＣａｐｉｌｌａｒｙＲｈｅｏｍｅｔｅｒ．１：ＲｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＢｅｈａｖｉｏｒａａｎｄＦｌｏｗＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｉｎｔｈｅＢａｒｒｅｌ．１９４上海交通大学博士学位论文ＰｏｌｙｍｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＳｃｉｅｎｃｅ，１９９７，３７（２）：［１０】Ｎ．Ｓｏｍｂａｔｓｏｍｐｏｐ，Ｒ．Ｄａｎｇｔａｎｇｅｅ，ＥｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅＡｃｔｕａｌＤｉａｍｅｔｅｒｓａｎｄＤｉａｍｅｔｅｒＲａｔｉｏｓｏｆＢａｒｒｅｌｓａｎｄＤｉｅｓＲｕｂｂｅｒｉｎＣａｐｉｌｌａｒｙｏｎｔｈｅＥｌａｓｔｉｃＳｗｅｌｌａｎｄＥｎｔｒａｎｃｅＰｒｅｓｓｕｒｅＤｒｏｐｏｆＮａｔｕｒａｌＦｌｏｗ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＤｉｅＰｏｌｙｍｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，８６（２００２）：１７６２—１７７２．［１ｌ】ＥＤｉｍｉｅｒ，Ｂ．Ｖｅｒｇｎｅｓ，Ｍ．Ｖｉｎｃｅｎｔ，Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎｍａｓｔｉｃａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａｎａｔｕｒａｌｒｕｂｂｅｒ．Ｒｈｅ０１．Ａｃｔａ．２００４，４３：１９６．２０２．【１２】刘淑梅，７３６－－，７３８林莉，苏忠铁，橡胶粘弹性的测试方法，橡胶工业，２００１，４８（１２）：【１３】苏忠铁，刘淑梅，汪慧玲，林化，ＲＰＡ２０００橡胶加工分析仪的检测功能，橡胶工业，２００２，４９（４）：２３５～２３７【１４】王贵一，ＲＰＡ２０００橡胶加工分析仪在橡胶研究中的应用，特种橡胶制品，２００１，２２（１）：５６－－６２［１５】ＪｏｈｎＳ．Ｄ．，ＨｅｎｒｙＡ．Ｄ．，ＲＰＡ２０００橡胶加工分析仪的２０种用途，特种橡胶制品，１９９８，１９（４）：３１～３４［１６】ＪｏｈｎＳ．Ｄｉｃｋ，ＨｅｎｒｙＡ．Ｐａｗｌｏｗｓｋｉ，橡胶加工分析仪的应用（上），橡胶技术与装备，２００１，２７（１）：４３￣４７［１７】ＪｏｈｎＳ．Ｄｉｃｋ，ＨｅｎｒｙＡ．Ｐａｗｌｏｗｓｋｉ，橡胶加工分析仪的应用（下），橡胶技术与装备，２００１，２７（２）：３８－－４７［１８】Ｐｏｌｙｆｌｏｗ１９９８：１４．１７ＰｏｌｙｍａｔＭａｎｕａｌ．Ｂ一１３４８Ｌｏｕｖａｉｎ－Ｌａ－ＮｅｕｖｅＢｅｌｇｉｕｍ．ＦｌｕｅｎｔＩｎｃ．【１９】周持兴，俞炜．聚合物加工理论［Ｍ】，北京：科学出版社，２００４：１４２．１４６【２０】ＡｎａＬｕｃｉａＮ．Ｓｉｌｖａ，ＭａｒｉｓａＣ．ＧＲｏｃｈａ，ＦｅｍａｎｄａＭ．Ｂ．Ｃｏｕｔｉｎｈｏ，Ｓｔｕｄｙｏｆｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｅｌａｓｔｏｍｅｒ／ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｂｌｅｎｄｓ，Ｐｏｌｙｍｅｒｔｅｓｔｉｎｇ，２００２，ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ２１：２８９－２９３．【２ｌ】Ｄ．Ｂｅｎｏｕａｌｉｄ，Ｍ．ＥＢｏｕｂｅ，（王Ｌｅｃｋｅｒ，Ｃ．Ｚｅｒｍａｔｉ．ＦｌｏｗｏｆＥＰＤＭＣｏｍｐｏｕｎｄｓｉｎＣａｐｉｌｌａｒｙＤｉｅｓ：ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｎｄＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓｗｉｔｈＳｔｉｃｋｉｎｇ１９５ａｎｄＳｌｉｐｐｉｎｇＣｏｎｔａｃｔ．参考文献Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ，ＣｅｎｔｒｅＤｅＲｅｃｈｅｒｃｈｅｓ，Ｆｒａｎｃｅ．【２２】Ｙ．Ｒｕｂｉｎ，Ｔｈ．ＭａｒｃｈａｌａｎｄＲｏｔｈｅｍｅｙｅｒ，Ｌｏｕｖａｉｎ—ｌａ－ＮｅｕｖｅａｎｄＨａｎｏｖｅｒ，ＤｉｅＤｅｓｉｇｎＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓｔｈｒｏｕｇｈＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＥｘｔｒｕｓｉｏｎｏｆＥＰＤＭＣｏｍｐｏｕｎｄｓ，ＭａｃｈｉｎｅｒｙａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，９（１９９８）：６０３—６０８．【２３】ＪｕＭｉｎＫｉｍ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＭｏｖｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｓｉｎｇＦｒｅｅＳｕｒｆａｃｅＰｒｏｂｌｅｍｓｉｎＰｏｌｙｍｅｒＶｏｌｕｍｅ－ｏｆ－ＦｌｕｉｄＭｅｔｈｏｄ［Ｊ】．ＰｏｌｙｍｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＳｃｉｅｎｃｅ，２００１，４１（５）：８５８·８６６【２４】Ｍｏｈａｐａｔｒａ．Ｐ．Ｋ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｔｕｄｙｏｆＦｌｏｗｓ谢ｔｈＭｕｌｔｉｐｌｅＦｒｅｅＳｕｒｆａｃｅｓ【Ｊ】．ＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｆｏｒＮｕｍｅｒｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｓｉｎＦｌｕｉｄｓ，２００１，３６（２）：１６５－１８４［２５】Ｃｈｕａｎｇ，Ｊ．Ｍ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＳｔｕｄｉｅｓｏｎＮｏｎ—ｌｉｎｅａｒＦｒｅｅＳｕｒｆａｃｅＦｌｏｗＵｓｉｎｇｆｏｒＳｃｈｗａｒｚ－ＣｈｒｉｓｔｏｆｆｅｌＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ阴．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌＮｕｍｅｒｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｓｉｎＦｌｕｉｄｓ，２０００，３２（７）：７４５－７７２［２６】涂志刚，柳和生．挤出胀大计算机模拟过程中自由界面的更新【Ｊ】．中国塑料，１９９４，１４（９）：３８－４１【２７】ＭｏｏｎｅｙＭ．，Ｊ．Ｒｈｅｏｌｏｇｙ，Ｅｘｐｌｉｃｉｔｆｏｒｍｕｌａｓｆｏｒｓｌｉｐａｎｄｆｌｕｉｄｉｔｙ．１９３１，２（２）：２１０．［２８】橡胶在挤出口型流动中的壁面滑移现象。梁基照，合成橡胶工业，１９９７．０３．１５，２０（２）：７２．７５．［２９】Ｎ．Ｓｏｍｂａｔｓｏｍｐｏｐ，Ａ．Ｋ．Ｗｏｏｄ，ＦｌｏｗＲｈｅｏｍｅｔｅｒ．２：ＦｌｏｗＰａｔｔｅｒｎｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＮａｔｕｒａｌＲｕｂｂｅｒｉｎＶｅｌｏｃｉｔｙＰｒｏｆｉｌｅｓｉｎｔｈｅａＣａｐｉｌｌａｒｙａｎｄＥｎｔｒａｎｃｅＤｉｅ，．ＰｏｌｙｍｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＳｃｉｅｎｃｅ，１９９７，３７（２）：２８１－２９０【３０】吕静，陈晋南，胡冬冬，壁面滑移对两种聚合物熔体共挤出影响的数值研究，化工学报，２００４，５５（３）：４５５～４５９【３１】Ｐ．Ｊａｙ，Ｊ．Ｍ．Ｐｉａｕ，Ｎ．ＥＩａｎｄＥｘｔｒｕｄａｔｅＫｉｓｓｉ，Ｊ．Ｃｉｚｅｒｏｎ．ＴｈｅＲｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆＶｉｓｃｏｕｓＥｘｔｒｕｓｉｏｎＳｔｒｅｓｓｅｓＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎＵｓｉｎｇＳｌｉｐｐｅｒｙＥｘｉｔＳｗｅｌｌＳｕｒｆａｃｅｓ．ＪｏｕｍａｌｏｆＮｏｎ－ＮｅｗｔｏｎｉａｎＦｌｕｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ．１９９８，７９：５９９－６１７．【３２】Ｋ．Ｌｅｅ，Ｍ．Ｒ．Ｍａｃｌｄｅｙ．ＴｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｄａｔａｗｉｍＳｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｏｆＳｌｉｐｉｎＭａｔｃｈｉｎｇＰｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎ－ＮｅｗｔｏｎｉａｎＦｌｕｉｄ１９６Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ上海交通大学博士学位论文Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ．２０００，９４：１５９－１７７．［３３】Ｓ．Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ，Ｔｈｅ【３４】Ｒ．Ｉ．Ｔａｎｎｅｒ，ＡＤｉｅＳｗｅｌｌＰｈｅｎｏｍｅｎｏｎ，Ｒｈｅ０１．Ａｃｔａ９（１９７０）１９３．８（１９７０）２０６７．ｔｈｅｏｒｙｏｆｄｉｅ－ｓｗｅｌｌ，Ｊ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．ＰａｒｔＡ２【３５】Ｒ．Ｉ．Ｔａｎｎｅｒ，ＡＮｅｗＩｎｅｌａｓｔｉｃＭｅｃｈ．６（１９８０）２８９．ＴｈｅｏｒｙｏｆＥｘｔｒｕｄａｔｅＳｗｅｌｌ，Ｊ．Ｎｏｎ－ＮｅｗｔｏｎｉａｎＦｌｕｉｄ【３６】柳和生，熊洪槐，涂志刚，包忠诩，聚合物挤出胀大研究进展，塑性工程学报，２００１，８（１）：１３—１７【３７】Ｊｉ—ＺｈａｏＬｉａｎｇ，Ｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｅｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅａｎｎｕｌａｒｃｏｎｉｃａｌｄｉｅｆｌｏｗｏｆａｒｕｂｂｅｒｃｏｍｐｏｕｎｄ，ＰｏｌｙｍｅｒＴｅｓｔｉｎｇ，２００３，２２：４９７—５０１．【３８］梁基照．挤出１２Ｉ型中混炼胶出口压力降的预测【Ｊ】．橡胶工业．１９９６，４３（１０）：５７９．５８１【３９】梁基照．料筒与口型直径比对混炼胶挤出膨胀行为和入口压力降的影响【Ｊ】．合成橡胶工业，１９９３，１６（２）：１１０．１１２［４０］梁基照．聚合物短口型挤出胀大方程川．合成橡胶工业，１９９５，１８（３）：１７１．１７３【４ｌ】梁基照．混炼胶长口型挤出胀大比的预测【Ｊ】．合成橡胶工业，１９９７，２０（３）：４４—４５［４２】梁基照等．混炼胶挤出流动行为与１３型入口角的关系叨．合成橡胶工业，１９９３，１６（１）：４５－４７【４３】梁基照．弹性体短１２１型挤出胀大行为的研究【Ｊ】．弹性体，１９９５，５（４）：４３－４５［４４】梁基照．聚合物熔体挤出流动中的弹性行为［Ｊ】．合成橡胶工业，１９９５，１８（２）：１０７－１０９［４５】涂志刚，熊洪槐．缝隙口模中熔体受力历史分析［Ｊ】．塑料，１９９９，２８（６）：２０．２３［４６】涂志刚，熊洪槐．圆环隙口模中熔体受力分析［Ｊ】．南昌大学学报，２０００，２２（３）：１９－２３【４７】ＷａｎｇＹＴｈｅＦｌｏｗＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＭｏｌｔｅｎＰｏｌｙｍｅｒｓｉｎＳｌｉｔＤｉｅｓｔｈｒｏｕｇｈＴｈｒｅｅ—ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＤｉｅｓａｎｄＣｏａｔＨａｎｇｅｒＡｎａｌｙｓｉｓ【Ｊ】．ＰｏｌｙｍｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＳｃｉｅｎｃｅ，１９９１，３１（３）：２０４．２１２【４８】Ｓｕ，ＧＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＰｒｅｓｓｕｒｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎＬ—ＳｈａｐｅＳｈｅｅｔＥｘｔｒｕｓｉｏｎＤｉｅｂｙ１９７参考文献Ｔｈｒｅｅ—ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ阴．ＳｙｎｔｈｅｔｉｃＲｕｂｂｅｒＩｎｄｕｓｔｒｙ，２００１，２４（５）：２８８·２９０［４９】ＢｕｓｈＭ．Ｂ．，ａｎｄＰｈａｎ·ＴｈｉｅｎＮ．ＴｈｒｅｅＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＶｉｓｃｏｕｓＦｌｏｗｓ谢ｔｌｌＳｕｒｆａｃｅ：ＦｌｏｗＯｕｔｏｆＡＬｏｎｇＳｑｕａｒｅａＦｒｅｅＤｉｅ［Ｊ】．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎ·ＮｅｗｔｏｎｉａｎＦｌｕｉｄＭｅｃｈ，１９８５，１８（２）：２１１—２１８【５０】Ｔｒａｎ—ＣｏｎｇＴ．，ａｎｄＰｈａｎ－ＴｈｉｅｎＮ．ＤｉｅＤｅｓｉｇｎｂｙＡＢｏｕｎｄａｒｙＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ［Ｊ】．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎ－ＮｅｗｔｏｎｉａｎＦｌｕｉｄＭｅｃｈ，１９８８，３０：３７【５１】ＥｌｌｗｏｏｄＫ．Ｒ．Ｊ．，ＰａｐａｎａｓｔａｓｉｏｕＴ．Ｃ．，ＷｉｌｋｅｓＪ．Ｏ．Ｔｈｒｅｅ－ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＳｔｒｅａｍｌｉｎｅｄＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔｓＤｅｓｉｇｎｏｆＥｘｔｒｕｓｉｏｎＤｉｅｓ【Ｊ】．ＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｆｏｒＮｕｍｅｒｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｓｉｎＦ１ｕｉｄｓ，１９９２，１４：１３【５２】ＬｅｇａｔＶａｎｄＭａｒｃｈａｌＪ．Ｍ．ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＴｈｒｅｅ－ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＧｅｎｅｒａｌＥｘｔｒｕｄａｔｅｓｂｙＡｎＩｍｐｌｉｃｉｔＩｔｅｒａｔｉｖｅＭｅｔｈｏｄｓｉｎＦ１ｕｉｄｓ，１９９２，１４：６０９ＳｈａｐｅＳｃｈｅｍｅ叨．ＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｆｏｒＮｕｍｅｒｉｃａｌ【５３】Ｏ．ＷａｍｂｅｒｓｉｅａｎｄＭ．Ｊ．Ｃｒｏｃｈｅｔ．ＴｒａｎｓｉｅｎｔＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄｆｏｒＣａｌｃｕｌｍｉｎｇＳｔｅａｄｙＳｔａｔｅＴｈｒｅｅ－ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＦｒｅｅＳｕｒｆａｃｅｓ［刀．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｆｏｒＮｕｍｅｒｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｓｉｎＦｌｕｉｄｓ，１９９２，ｌ４（３）：３４３—３６０［５４】朱敏，陈晋南，吕静，橡胶异型材挤出口模的数值模拟，中国塑料，２００３，１７（１２）：７５．７８。【５５】王刚，赵建才，周持兴，戴元坎，牵引速率对ＥＰＤＭ密封条挤出过程的影响分析及口模设计，中国塑料，２００５，１９（３）：５９．６２【５６】阮水荣，橡胶异型材挤出模头的设计，橡胶工业，【５７】孙洪举，橡胶挤出模具设计探讨，橡胶工业，１９９６，４３：２９２－２９５。２００２，４９：５５３－５５６。［５８】胡海明，汪传生，柳和生，橡胶异型材挤出模头的设计，模具工业，１９９５．１７８，（１２）：【５９】王进文编译，塑料异型材挤出模具中内筋的口模流道设计，特种橡胶制，２００２，２１（３）：【６０】阮水荣，组合式异型密封条挤出模头的研制，特种橡胶制品，２００１，２２（３）：１９８上海交通大学博士学位论文３７－－４ｌ，２２（３）：３４—３９。【６１】周志宏等，轿车橡胶密封条挤出口型设计，橡胶工业，２００１，３，１５４￣１５７。［６２】Ｓｈｕ—Ｈｅｎｇｗｅｎ，Ｔａ－Ｊｏｌｉｕ．ＥｘｔｒｕｓｉｏｎＤｉｅＤｅｓｉｇｎｆｏｒＭｕｌｔｉｐｌｅＳｔｒｉｐｅｓ叨．ＰｏｌｙｍｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＳｃｉｅｎｃｅ，１９９５，３５（９）：７５９－７６７【６３】Ｃａｒｎｅｉｒｏ，０．Ｓ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄａｎｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆＭａｎｄｒｅｌＰｉｐｅＤｉｅｓ【Ｊ】．Ｐｌａｓｔｉｃｓ，ＲｕｂｂｅｒａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９５，２４（２）：７９—８７【６４】郭志英等．挤出机缝口模头流道系统的计算机辅助设计【Ｊ】．塑料科技，１９９６，１１４（４）：２９．３４【６５】Ｊｉｎｇ－ＰｉｎＰａｎ．ＥｘｔｒｕｓｉｏｎＤｉｅＤｅｓｉｇｎｆｏｒＳｌｏｗｌｙＲｅａｃｔｉｖｅＭａｔｅｒｉａｌ川．ＰｏｌｙｍｅｒｏｆＰｒｏｆｉｌｅＥｘｔｒｕｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＳｃｉｅｎｃｅ，１９９７，３７（５）：８５６—８６７ＰＡ，ＢｌｏｕｉｎＤ．ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＢａｓｅｄ【６６】Ｈｕｒｅｚ，ＰｔａｎｇｕｙＤｅｓｉｇｎＤｉｅｓ【Ｃ】．ＡｎｎｕａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．ＳｏｃｏｆＰｌａｓｔｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｓ．１９９１，３７：１０２８．１０３１［６７】Ｃａｍｅｉｒｏ，０．Ｓ．ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＲｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＤｅｓｉｇｎｏｆＥｘｔｒｕｓｉｏｎＤｉｅｓｆｏｒＰｒｏｆｉｌｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，１１４（１）：７５－８６Ｄｅｓｉｇｎ：ＡｎＩｍｐｌｉｃｉｔＦｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅ【６８】ＶｉｎｃｅｎｔＬｅｇａｔ，Ｊｅａｎ－ＭａｄｅＭａｒｃｈａｌ，ＤｉｅＩｎｖｅｒｓｅＰｒｏｂｌｅｍ，ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｆｏｒＭｅｔｈｏｄｓｉｎＦ１ｕｉｄｓ，１９９３，１６：２９—４２．Ｍｅｔｈｏｄｆｏｒ【６９】Ｎｇｕｙｅｎ－Ｔｈｉｅｎ，Ｔ．ｅｔｃ．ＩｍｐｒｏｖｅｄＢｏｕｎｄａｒｙＥｌｅｍｅｎｔｗｉｔｈＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＰｒｏｆｉｌｅＰｏｌｙｍｅｒＥｘｔｒｕｓｉｏｎ【Ｊ】．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓ８１．８９ＢｏｕｎｄａｒｙＥｌｅｍｅｎｔｓ，１９９７，２０（１）：［７０】Ｒｕｂｉｎ，Ｙｖｅｓ．Ｄ．ｅｔｃ．Ｃｏ－ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｏｆＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＤｉｅａｌｌＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＰｒｏｆｉｌｅ谢ｔｌｌＭｅｔａｌＩｎｓｅｒｔＤｅｓｉｇｎ［Ｃ］．ＡｎｎｕａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．ＳｏｃｏｆＰｌａｓｔｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｓ．１９９８，１：２９９－３０３【７１】ＪａｍｅｓＥＳｔｅｖｅｎｓｏｎ，Ｄｉｅｄｅｓｉｇｎｆｏｒｒｕｂｂｅｒｅｘｔｒｕｓｉｏｎ，Ｒｕｂｂｅｒｗｏｒｌｄ，２００３，２２８（２）：２３－２９．【７２】周持兴．聚合物流变实验与应用［Ｍ】．上海：上海交通大学出版社，２００３：２２．５０【７３】ＭｃＣａｂｅ，Ｃ．Ｃ．ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｏｆＥｌａｓｔｏｍｅｒｓ【Ｍ】，Ｃｈａｐ．７，Ｋｒａｕｓ，Ｇ．Ｆ．Ｒ．（Ｅｄ．），１９９参考文献ＡｃｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ＇Ｎ．Ｙ，１９６５【７４】ＰｌｉｓｋｉｎＩ．，ＴｏｋｉｔａＮ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．，１９７２，１６：４７３【７５】赵良知，唐国俊，郑融．混炼胶熔体的挤出膨胀研究［Ｊ】．橡胶工业，１９９６，４３（１１）：６４９．６５１【７６】赵良知，唐国俊．混炼胶在圆锥口型挤出膨胀行为的研究叨．合成橡胶工业，１９９６，１９（１）：５３—５４【７７】ＪａｓｍｅｓＬＷｈｉｔｅ，ＤａｖｉｄＨｕａｎｇ．ＥｘｔｒｕｄａｔｅＳｗｅｌｌａｎｄＥｘｔｒｕｓｉｏｎＰｒｅｓｓｕｒｅＬｏｓｓｏｆＰｏｌｙｍｅｒＭｉｌｔｓＦｌｏｗｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈＲｅｃｔａｎｇｕｌａｒａｎｄＴｒａｐｅｚｏｉｄａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＳｃｉｅｎｃｅ，１９８１，２１（１６）：１１０１－１１０７Ｄｉｅｓ叨．Ｐｏｌｙｍｅｒ【７８】杨广军．挤出胀大数值模拟［Ｄ】．郑州工业大学硕士学位论文，１９９６【７９】Ａｒｐｉｎ，Ｂ．ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒＳｏｆｔｗａｒｅＰｒｏｇｒａｍｆｏｒＣｏａｔＨａｎｇｅｒＤｉｅａｎｄＳｃｉｅｎｃｅ，１９９４，３４（８）：６５７．６６４ｅｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ川．ＰｏｌｙｍｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［８０】ＤａｖｉｄＣ．Ｈｕａｎｇａ１．ＥｘｔｒｕｄａｔｅＳｗｅｌｌｆｒｏｍＳｌｉｔａｎｄＣａｐｉｌｌａｒｙＤｉｅｓ：ＡｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌＳｔｕｄｙ【Ｊ】．ＰｏｌｙｍｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＳｃｉｅｎｃｅ，１９７９，１９（９）：６０９—６１６【８１】ＳａｓａｋｉＹＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｔｕｄｙｏｆＥｘｔｒｕｄａｔｅＳｗｅｌｌ［Ｃ］．ＡＮＴＥＣ’９４：１２１２．１２１５【８２】Ｄａｎｉｅｌ１９９０Ｊ．ＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓｏｆＶｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃＬｉｑｕｉｄｓ．Ｓｐｒｉｎｇｅｒ－ＶｅｒｌａｇＮｅｗＹｏｒｋＩｎｃ．【８３】Ｐｏｌｙｆｌｏｗ３．１０Ｕｓｅｒ’ＳＧｕｉｄｅ，ＦＬＵＥＮＴＩｎｅ．２００３【８４】金目光，”高聚物流变学及其在加工中的应用”，北京：化学工业出版社１９８６．４７７．４８０．４８３—４９０２００上海交通大学博士学位论文致谢即将完成博士阶段的学业，回想这几年来在工作之余利用业余时间的在职博士求学历程，感慨万千，并心存无限感激。首先感谢国家自然科学基金及上海汽车工业科技发展基金对本研究项目的资助及支持！非常感谢我的导师周持兴教授，是先生引领我进入流变学及其计算机模拟的领域，为我的课题研究指引方向、严厉把关和悉心指导！每一步的进展，都凝聚了周老师的心血和智慧。在我处于工作、学习和家庭的各种矛盾与迷茫中，是先生一直地给予我耐心的开导、帮助与鼓励。俞炜老师在我的课题研究及科研细节中给予了极大的帮助，指导我设计研究思路，解决了许多科研上我所无法克服的困难，在此表示深深的感谢！感谢赵建才博士在课题研究中给予我的合作和帮助。感谢郭营博士、郑泓博士在课题实验及模拟分析中给予我的极大帮助和指导！我能够在工作多年后继续进入上海交通大学攻读博士学位，是要非常感谢申雅公司的蔡增伟总经理的，是他鼓励并给予我这次难得的机会。还要感谢申雅公司的马国安经理、问庆武经理、关建民经理，在我学习期间，给予了极大的理解、支持和鼓励。还要感谢申雅公司的洪巍、孙艳菊、孔德晨等人，在我课题研究的模拟分析和实验验证中给予了极大的帮助。感谢Ａ０２１１０９１班级所有同学对我的帮助及给我的友谊，我将永远怀念与你们在一起的日子！最后要特别感谢我的妻子李醒瑜，始终支持、帮助和鼓励我，并与我分享着艰辛与快乐，在繁忙的工作之余，承担起照顾家庭生活的重担，无怨无悔！感谢所有的亲人，祝福你们健康、幸福！上海交通大学博士学位论文攻读博士期间与研究课题相关论文１．圣丝丝玉Ｃ．Ｘ．ＺｈｏｕａｎｄＷ．Ｙｕ，“ＩｎｖｅｒｓｅＤｅｓｉｇｎｉｎｇＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＥｘｔｒｕｓｉｏｎＤｉｅｏｆＡｕｔｏＲｕｂｂｅｒＳｅａｌａｎｄＶｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ｐｌａｓｔｉｃｓ，ＲｕｂｂｅｒａｎｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，２００７，３６（４）：１４１．１４８．［ＳＣｒｌ２．Ｚ尼ＤａＬＨ．Ｚｈｅｎｇ，Ｃ．Ｘ．ＺｈｏｕａｎｄＷ．Ｙｕ，‘ＱｕｉｃｋＰｒｏｆｉｌｅＤｉｅＢａｌａｎｃｉｎｇｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＲｕｂｂｅｒＳｅａｌＥｘｔｒｕｓｉｏｎｂｙＣＡＥｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ’，Ｊ．Ｍａｃｒｏｍ０１．Ｓｃｉ，ＰａｒｔＡ：ＰｕｒｅａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００８，４５（１２）：１０３０－１０３８．［ＳＣＩ】３．夔丞这，郭营，俞炜，周持兴，“三元乙丙橡胶在简单口型中的正向挤出分析及逆向口型设计’’，合成橡胶工业，２００６，３０（２）：１２４－１２８．【ＥＩ】４．夔丞这，李向阳，周持兴，“橡胶密封条挤出流道的计算机模拟优化设计”，合成橡胶工业，２００８，３１（２）：９２—９５．［ＥＩ】５．夔丞这，孙艳菊，周持兴，俞炜，“汽车橡胶密封条挤出口模结构分析及其实１２。验验证”，高分子材料科学与工程，２００８，２４（７）：１０９－１［ＥＩ】６．夔丞这，潘旭峰，郭营，“橡胶密封条挤出机机头储料模腔的计算机模拟优化设计’’，橡胶工业，２００６，５３（Ｉ１）：６８８～６９３．【中文核心】７．赵建才，墓丞这，俞炜，周持兴，“运用熔融指数仪研究ＥＰＤＭ橡胶熔体的流变性能＂，合成橡胶工业，２００５，２８（１）：１２－１４【ＥＩ】上海交通大学博士学位论文８．郭营，煎五迭，俞炜，周持兴，“用改进的Ｈｅｒｓｃｈｅｌ—Ｂｕｌｋｌｅｙ模型描述ＥＰＤＭ胶料的流变行为＂，橡胶工业，２００７，５４（９）：５３１－５３４［中文核心】王刚，赵建才，周持兴，夔丞这，“牵引速率对密封条挤出过程的影响分析＂，中国塑料，２００５，１９（３）：５９—６２【ＣＡ］附录附录１基本守恒方程ＥＰＤＭ橡胶挤出流动加工过程，满足三大基本守恒方程：即连续性方程、动力学方程及能量方程。假设挤出成型过程中橡胶熔体为不可压缩熔体，机头及口模内熔体温度大约在１ｌ０℃～ｌ６０℃，具体温度与胶料性能有关，但对同一种胶料来说，其熔体温度变化在２０℃之内。从第二章的测试结果可知，温度变化在２０℃之内，ＥＰＤＭ橡胶熔体的流变性能变化很小，所以可以将橡胶密封条的挤出成型过程近似为等温过程，能量方程自动满足，可不予考虑。１．１连续性方程根据挤出过程中的质量守恒定律，可得出不可压缩流体的连续性方程为：Ｖ．矿＝０（Ａ．１）式中矿为熔体质点的速度矢量。１．２动力学方程一Ｖｐ＋Ｖ·Ｔ＋ｆ＝ｐ百式中（Ａ．２）Ｐ…．熔体压力（标量）于…．二阶偏应力张量于…．外力（体积力）矢量Ｐ…．密度（标量）石…－力Ⅱ速度矢量上海交通大学博士学位论文１．３材料本构方程橡胶熔体为粘弹性流体，根据其弹性效应的强弱，可以分别将其作为广义牛顿流体及粘弹性流体来处理。１．３．１广义牛顿流体对于广义牛顿流体，应力应变关系为Ｔ＝２归（Ａ．３）式中万为二阶形变速度张量。ｒ／为熔体剪切黏度，是剪切速率夕的函数：ｒ／＝７７（户）＝ｒ／（Ｄ）（Ａ．４）夕＝而１）（Ａ．５）广义牛顿流体典型的本构模型有如下几种：幂率模型刁＝Ｋ（砂）”１式中：刁一剪切粘度；Ｋ一稠度系数；五一松弛时间；户一剪切速率；ｎ一非牛顿指数。（Ａ．６）幂率模型～般用来描述聚合物材料的粘性行为，适用于剪切速率较大的场合，如户大于１０ｓ一。当剪切速率很小时，Ｂｉｒｄ．Ｃａｒｒｅａｕ或Ｃｒｏｓｓ模型比幂率模型能更好地描述粘度曲线的平台区域。２）Ｂｉｒｄ—Ｃａｒｒｅａｕ模型附录ｒ／＝ｒＬｏ＋（吼一巩）（１＋五２户２）＿（Ａ．７）式中：‰一户趋于非常大时聚合物剪切变稀剪达到的另一个平衡粘度；ｔ／ｏ一零剪切粘度；Ａ一松弛时间（如，流体从牛顿区域向非牛顿区域变化时的剪切速率的倒数）；ｎ一非牛顿指数。Ｂｉｒｄ－Ｃａｒｒｅａｕ模型适用于剪切速率较低时的场合，它与Ｃｒｏｓｓ模型的区别主要在于粘度曲线从零剪切牛顿平台到剪切变稀区域时的斜率不同。Ｃｒｏｓｓ模型刁２可ｒ万／ｏ（Ａ．８）Ａ一松弛时间；ｍ一流动指数（当剪切速率较大时，ｍ＝ｌ－ｎ）粘弹性流体对于粘弹性流体，式（２—２）中的偏应力张量于可分解为弹性分量霉和纯Ｔ＝五＋疋（Ａ．９）疋＝２ｒ／２Ｄ（Ａ．１０）３）式中：玑一零剪切粘度；１．３．２粘性分量云：式中露通过采用的粘弹性模型计算得到，而夏则是与偏应力张量中的纯粘性部分有关：＿————————————————————————————————————————————————一设仉＝叩２／ｒ／为粘度比，则ｒ／２＝ｒ／，ｒ／上海交通大学博士学位论文（Ａ·１１）及ｒ／ｌ＝（１一ｒ／，），７（Ａ．１２）式中的孙ｒ／ｉ和ｒｈ分别为总黏度、与弹性相关的黏度和与纯粘性相关的黏度。对于多模态的粘弹性模型，ｒ／。定义为与第一模态的黏度，为了避免混淆上述定义的纯粘性相的黏度ｒ／：和第二模态的黏度，定义纯粘性相的黏度为ｒ／ｒｒ／ｌ，所以材料参数必须指定，７ｌ和ｒ／，。典型的粘弹性模型包括：１）上随流Ｍａｘｗｅｌｌ模型石＋五穸ｌ＝２ｒ／ｌＤ一式中：瓦一形变速率张量；Ａ一松弛时间；叩。一粘性因素；（Ａ·１３）丢一粘弹性偏应力的上随流时间导数，其表达式为：手·＝堕Ｄｔ一石·ＶＹ－ＶＹｒ．哥一速度２）（Ａ．１４）Ｗｈｉｔｅ—ＭｅｔｚｎｅｒＭｏｄｅｌ盂＋允手，：２刁ｌ万（Ａ．１５）松弛时间Ａ和剪切粘度玎可以是常数或者是通过幂律函数或Ｂｉｒｄ－Ｃａｒｒｅａｕ函数来表示。３）ＰＴＴ模型附录ｅＸｐ［鲁护（瓦）］－露＋Ａ［（·一妄］手－＋孝笋·］＝２仇万式中：善一与剪切粘度有关材料常数。ｓ一与拉伸粘度有关材料常数；４）ＫＢＫＺ模型（Ａ．１６）露＝南Ｑ晤ｏＮ暑ｅｘｐ（寻户“，厶灯１（ｆ一咖躬。一ｓ灿式中：日（‘，厶）一衰减函数，是个与流体结构相关的参数；ｆ一松弛模式；ｐ一标量参数，用来控制法向应力差的比率；———＝－＝＝一ＮＩＮ、ｅ１—８１．３．３判断粘弹性的几个参数从上述分析的材料本构模型可看出，粘弹性模型要比纯粘性模型复杂得多，在某些应用场合，相对于粘性来说，聚合物的弹性是可以忽略不计的。所以，从实用的角度出发，如果能够预先判断流体的粘弹性则是非常重要的，以下几个参数即可用于这种判断中。１）法向应力参数Ⅳｌ＝Ｎ２。０Ⅳ１和Ｎｚ如果ＮＩ＝Ｎ，≈０，则可认为是纯粘性流体。２）可回复剪切５Ｒ（ＲｅｃｏｖｅｒａｂｌｅＳｈｅａｒ）耻等【－】鬻（圳当ＳＲ“Ｉ时，可作为粘性流体对待，反之，＆越大，弹性作用越强。上海交通大学博士学位论文３）德博拉数（Ｄｅｂｏｒａｈｎｕｍｂｅｒ）见＝丢式中旯是松弛时间，铭是实验观察时间。（Ａ．１９）当铭＜＜１时，可作为粘性流体对待，反之，铭越大，弹性效应越显著。４）魏森伯格数％（Ｗｅｉｓｓｅｎｂｅｒｇｎｕｍｂｅｒ）％：堕‘１２（Ａ．２０）与＆一样，Ｗｓ也是从应力比的尺度判断流体的粘弹性，％越小，弹性作用越不明显，反之，％越大，弹性作用越强。２边界条件的确定在实际生产中，橡胶密封条的挤出速度并不高，通常为（１０－２０）ｍ／ｍｉｎ，根据其在机头及口模流道中的实际流动情况以及上述材料的实测数据，做出如下假设：１）胶料熔体为不可压缩的非牛顿流体；２）胶料熔体在口模中是三维的等温稳态层流流动；３）由于胶料熔体的高粘性，忽略惯性力和重力对流动的影响。根据上述假设，在挤出过程数值模拟中，涉及的边界条件非常复杂，主要包括５种边界条件：流入、流出、口模壁面滑移、自由边界以及对称条件。２．１流入边界条件附录假设入口区橡胶熔体的流动是充分发展的稳态等温流动，在入口区给定流量Ｑ，Ｐｏｌｙｆｌｏｗ软件将流量自动转成稳态的二次曲线分布或者压力分布。２．２口模壁面滑移边界条件１）壁面滑移现象介绍壁面滑移现象是聚合物熔体粘弹性行为的重要特征之一，它既有可能影响挤出物的外观质量（如周期性的挤出物），又有可能引发不稳定挤出流动或熔体破裂（如鲨鱼皮），并由此限制了生产速度的进一步提高，所以对滑移现象的研究很重要。橡胶熔体挤出过程中，挤出速度很高时，在壁面处的剪切速率很大，剪切应力也就很高。当剪切应力超过了熔体与壁面之间的临界粘滞力后，壁面处的熔体会产生滑移，挤出速度分布（速度梯度）发生变化，从而导致挤出胀大发生变化。壁面滑移的实质是流体与流道壁面之间的粘合失效。影响橡胶熔体在口型挤出过程中产生壁面滑移现象的主要因素有：橡胶的分子结构、胶料配方，流道的几何形状及其表面光滑度，胶料的温度和流动速率等。２）口模壁面滑移条件：假定橡胶熔体黏附在壁面上，固．固（液）界面上的流体速度等于壁面速度，也就是说流体相对于壁面没有速度、无滑移，这就是无滑移假设，此时壁面的切向速度‰＝０。对于滑移条件，规定流体的法向速度分量屹＝０，剪切力Ｚ和流体的切向速度之间具有以下定律【８３】：１．广义Ｎａｖｉｅｒ定律Ｚ＝ＢＯ删一Ｋ）ｌｖ删一匕ｒ’１式中：（Ａ．２１）匕为流体的切向速度，‰为壁面的切向速度，乃和％为材料参数。公式（３－２１）中，当日＝Ｏ时，Ｚ＝Ｏ，流体相对于壁面完全滑移。当ｅ“＝１２１０上海交通大学博士学位论文时，Ｚ＝Ｂｈ一屹），Ｚ与‰成线性关系。当ｏ＜％＜１时，Ｚ与‰成幂率关系。对于广义牛顿流体，ｅａ＝１意味着流体的计算具有线性特征，当ｅａ＜１时，流体的计算变成非线性问题，需要迭代求解技术。在２．５维和３维问题中，下标ｓ代表两个切线方向，从物理意义上在两个切线方向上不允许使用不同的滑移定律。２．极限定律一Ｂ化一‰），Ｚ＝Ｋ一‰＜，结／ｌ、７，ｓｌ一咒吨：卜‰一封屹一‰≥％（Ａ．２２）式中：局和兀．：为两种不同的滑移系数，儿为流体出现滑移时的临界力密度。３．渐进定律序￡［１．ｅｘｐ（争）］式中：Ｋ为关于速度维数的换算系数，％影响滑移一速度曲线的斜率。２．３对称边界条件∽２３，对于轴对称模型，为了节约计算机存储空间和计算时间，通常采用二分之一或者四分之一模型用来计算，因此需要在对称轴上定义对称条件。在对称轴上，对各个变量采用对称条件：ｉＯｕ：ｏ，１，：ｏ，熹：ｏ：冬：０，孥：ｏ，勺：ｏ咖砂咖卵（Ａ．２４）其中ｋ，％，～为应力分量。２．４流出边界条件２ｌｌ附录对于牛顿流体，出口后熔体完全松弛，没有记忆效应，所以没有残余应力；而粘弹流体则不同，经过强烈的收缩拉伸作用以后所贮存的弹性能到出口处部分回复，在出口处有压力降屹打。２．５自由边界条件挤出胀大模拟涉及自由边界的计算，即需要大量的迭代计算来确定未知的胀大表面。未知自由边界的存在，增大了自由度的数目，使得计算量增大。由于自由胀大面上的速度、应力以及位置坐标都是无法预先设定的，因而计算过程必须满足如下运动学条件和动力学条件［８３］－动力学条件：／＝ｇ（Ａ．２５）式中：厂为法向力，ｇ为施加在自由边界上的力。当自由边界没有外力作用时ｆ＝０运动学条件：（堡一一ＵＯｔ）·杀＝。ｌ——一｜．珂＝ＵＬ／（Ａ．２６）式中：ｉ为自由表面上的节点位置，ｆｉ－为速度矢量，ｆｉ－为自由边界的法向矢量。对于稳态流动，法向速度等于Ｏ≯．公式（３７７）简化为：万·万＝０（Ａ．２７）公式（３．７）的物理意义为流体粒子没有脱离自由边界。自由边界在满足一定的运动学条件下进行运动，势必导致自由边界附近的网格发生扭曲，因此在计算过程中要及时调整自由边界附近网格的变化，使之保持良好的形状，这就需要特殊的网格重置技术来控制节点的分布以保证运算精度。２１２汽车橡胶密封条挤出成型过程的计算机模拟研究
作者：
学位授予单位：
戴元坎
上海交通大学
1.期刊论文 王毓琪 汽车密封条技术创新趋势 -特种橡胶制品2001,22(5)
依据我国汽车工业发展现状及即将加入WTO面临的挑战,从计算机应用技术、橡胶材料的优选及生产工艺的优化等方面,阐述了汽车密封条技术的创新趋势.
2.会议论文 刘世平 汽车用橡胶制品及橡胶材料现状与发展动向 2001
本文从汽车V带、同步带、胶管、减震制品、汽车密封条、汽车油封、汽车安全带等方面对汽车用橡胶制品的开发进行了介绍.并从丙烯酸脂橡胶、氧橡胶、氢代丁腈橡胶、垫塑弹性体等方法对汽车用橡胶材料的现状与开发进行了论述.
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1551317.aspx
下载时间：2010年6月8日
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