塑料加工流变学及其应用

绪论

参考文献

第一章 塑料流体的流变特性

第一节 黏性剪切流动

一、牛顿流体

二、非牛顿流体

三、表征塑料流体流动的方法

第二节 影响黏性剪切流动的因素

一、剪切速率的影响

二、温度的影响

三、压力的影响

四、分子参数的影响

五、聚合物结构的影响

六、添加剂的影响

第三节 弹性现象

一、离模膨胀

二、熔体破裂

第四节 剪切黏度和流动的测定

一、毛细管流变仪

二、转动流变仪

三、振动流变仪

四、转矩流变仪

第五节 拉伸流动(无剪切流动)

一、拉伸流动的分类

二、单轴拉伸流动特性

三、拉伸流动的测定

参考文献

第二章 流体流动基础

第一节 应力及应力张量

一、关于应力张量的概念

二、应力张量的性质

三、应力张量的特殊类型

第二节 守恒方程

一、连续性方程

二、动量方程

三、能量方程

第三节 流体的运动和变形

一、速度梯度

二、变形速率张量

第四节 本构方程

一、牛顿流体的本构方程

二、广义牛顿流体的本构方程

三、黏弹性流体的本构方程

四、本构方程的选择

第五节 限制假设和边界条件与基本方程组的解法

一、边界条件和简化假设

二、基本方程组的解法

参考文献

第三章 简单截面导管内的流动

第二节 拖曳流动

一、平行板拖曳流动

二、沿矩形槽的拖曳流动

三、圆环空间的拖曳流动

四、环形导管的轴向拖曳流动

第二节 压力流动

一、平行板之间的压力流动

二、矩形导管中的压力流动

三、长圆管中的压力流动

四、环形导管中的轴向压力流动

五、锥形、环锥形和异形导管中的压力流动

六、分层多相压力流动

第三节 拖曳、压力组合流动

……

第四章 单螺杆挤出机内的流动

第五章 双螺杆挤出机内的流动

第六章 挤出口模内的流动

第七章 注塑机和注模内的流动

第八章 压延机辊隙中的流动、挤出吹塑中的流动及其他流动

第九章 转矩流变仪的关键技术及其应用

第十章 转矩流变仪在PVC-U中的应用

第十一章 硬聚氯乙烯的润滑平衡

《塑料加工流变学及其应用》是一本论述流变学在塑料加工中应用的专著。全书共十一章。第一章至第三章介绍塑料流体的流变特性、守恒方程、本构方程和简单截面导管中的流动。第四章至第八章着重介绍单、双螺杆挤出机、口模、注塑机和注模内的流动，也介绍压延、吹塑、吹膜等流动。第九章至第十一章介绍硬聚氯乙烯的润滑平衡、转矩流变仪的关键技术及其在PVC-U中的应用等。

POLYFLOW软件是目前应用最广泛的黏弹性材料流动分析的CAE软件，《POLYFLOW基础及其在塑料加工中的应用》以POLYFLOW 3.10为版本，内容共分为10章，1~7章分别介绍了POLYFLOW软件的理论基础和各模块的功能及操作，内容涵盖几何模型建立、模型网格划分、模型边界及参数设置、分析计算、后处理分析及结果输出等;8~10章通过一些典型的实例介绍POLYFLOW软件在挤出成型、中空吹塑成型和聚合物共混等方面的应用。

《POLYFLOW基础及其在塑料加工中的应用》采用软件基本操作与典型范例相结合的讲解方式，结构清晰，内容全面，图文并茂，通俗易懂，可以使读者轻松上手，并配有一张光盘，包含范例的操作视频和范例模型文件。

《POLYFLOW基础及其在塑料加工中的应用》可作为POLYFLOW软件初学者的自学教材和参考书，还

第1章 POLYFLOW理论基础 1

1.1 计算流体动力学分析理论基础 1

1.1.1 概述 1

1.1.2 计算流体动力学的工作步骤 2

1.1.3 计算流体动力学的特点 2

1.1.4 计算流体动力学的应用领域 2

1.1.5 计算流体动力学的数值解法 3

1.2 流体力学中流体与流动的基本特性 4

1.2.1 理想流体与黏性流体 4

1.2.2 牛顿流体与非牛顿流体 4

1.2.3 流体热传导及扩散 5

1.2.4 可压缩流体与不可压缩流体 5

1.2.5 稳定流动与非稳定流动 5

1.2.6 层流与湍流 6

1.2.7 聚合物流变行为 6

1.3 流体动力学控制方程 7

1.3.1 质量守恒方程 8

1.3.2 动量守恒方程 8

1.3.3 能量守恒方程 10

1.3.4 组分质量守恒方程 11

1.3.5 控制方程的通用形式 11

1.3.6 对控制方程的进一步讨论 12

1.4 CFD的求解过程 13

1.4.1 总体计算流程 13

1.4.2 建立控制方程 13

1.4.3 确定边界条件与初始条件 14

1.4.4 划分计算网格 14

1.4.5 建立离散方程 14

1.4.6 离散初始条件和边界条件 15

1.4.7 给定求解控制参数 15

1.4.8 求解离散方程 15

1.4.9 判断解的收敛性 15

1.4.10 显示和输出计算结果 15

1.5 CFD软件结构以及常用的CFD商业软件 16

1.5.1 软件结构 16

1.5.2 常用的CFD商用软件 17

第2章 POLYFLOW软件及分析流程 20

2.1 软件介绍 20

2.1.1 POLYFLOW简介 20

2.1.2 POLYFLOW软件结构 20

2.1.3 POLYFLOW的一些基本概念 21

2.1.4 POLYFLOW分析概要 25

2.2 POLYFLOW分析流程 27

2.2.1 问题描述 27

2.2.2 POLYMAN中新建项目、启动

POLYDATA和输入网格文件 28

2.2.3 POLYDATA参数设置 31

2.2.4 POLYFLOW计算求解 40

2.2.5 结果文件的后处理 42

第3章 主控程序POLYMAN 53

3.1 POLYMAN用户界面 53

3.1.1 菜单栏 54

3.1.2 工具栏 54

3.1.3 树状区 55

3.1.4 信息区 55

3.1.5 注释区 55

3.1.6 Tab(标签)栏 56

3.2 创建新的工程项目、新的模拟和几何 56

3.2.1 创建新的项目 56

3.2.2 创建新的GAMBIT文件 56

3.2.3 创建新的模拟 57

3.3 打开已有项目 57

3.4 导入文件 57

3.4.1 导入GAMBIT文件 57

3.4.2 导入模拟文件 58

3.4.3 导入网格文件 58

3.4.4 导入材料参数文件 58

3.4.5 导入数据文件 58

3.4.6 导入结果文件 58

3.4.7 导入UDF文件 58

3.4.8 导入CSV文件 58

3.4.9 导入Ideas文件 58

3.4.10 导入Patran文件 59

3.5 导出文件 59

3.6 复制和删除文件 59

3.7 启动POLYFLOW软件的各模块 59

3.7.1 启动GAMBIT 60

3.7.2 启动POLYDATA 60

3.7.3 启动POLYFLOW 60

3.7.4 启动FLUENT/Post 60

3.7.5 启动FIELDVIEW 60

3.7.6 启动POLYFUSE 61

3.7.7 启动POLYSTAT 61

3.7.8 启动POLYMAT 61

3.7.9 启动POLYDIAG 61

3.8 设置模块选项 61

3.8.1 POLYDATA选项 61

3.8.2 POLYFLOW选项 62

3.8.3 FIELDVIEW选项 63

3.9 转换GAMBIT中性文件 63

3.10 查看列表文件 64

3.11 获得项目信息和模拟信息 64

3.11.1 获得项目信息 64

3.11.2 获得模拟信息 64

3.12 安排模拟项目 64

3.13 帮助 67

3.14 退出POLYMAN 67

第4章 前处理模块GAMBIT 68

4.1 GAMBIT的图形用户界面 69

4.1.1 绘图窗口 69

4.1.2 主菜单栏 69

4.1.3 Operation工具栏 70

4.1.4 窗口区域 72

4.1.5 Global Control工具条 72

4.1.6 Description窗口 72

4.1.7 Transcript窗口和Command文本框 73

4.2 生成几何结构 73

4.2.1 一般操作 74

4.2.2 创建顶点 79

4.2.3 创建边 82

4.2.4 创建面 88

4.2.5 创建体积 92

4.2.6 布尔操作 94

4.2.7 分割/融合操作 96

4.3 模型的网格划分 99

4.3.1 生成边界层 99

4.3.2 边网格划分 100

4.3.3 面网格划分 101

4.3.4 体网格划分 101

4.3.5 组网格划分 102

4.4 设定区域类型 103

4.4.1 设定边界类型 103

4.4.2 指定连续介质类型 104

4.5 实例一:基本几何结构的创建和网格化 104

4.5.1 问题描述 105

4.5.2 操作步骤 105

4.6 实例二:三管相贯模型的建立 110

4.6.1 问题描述 110

4.6.2 操作步骤 111

第5章 主程序模块POLYDATA 126

5.1 POLYDATA图形用户界面 126

5.1.1 主菜单栏 127

5.1.2 关键字栏 128

5.1.3 文本窗口 128

5.1.4 图形显示窗口 128

5.1.5 文本输出窗口 128

5.1.6 POLYDATA主菜单窗口 129

5.2 POLYDATA中的渐近问题 143

5.2.1 非线性和渐近 143

5.2.2 渐近法简介 144

5.2.3 POLYDATA中的渐近函数 145

5.2.4 使用渐近法 146

5.3 POLYDATA中的瞬态问题 150

5.3.1 瞬态理论 150

5.3.2 瞬态流动分析流程 152

第6章 图形后处理模块FLUENT/Post 156

6.1 FLUENT/Post用户界面 156

6.2 文件操作 157

6.2.1 读取文件 157

6.2.2 导入文件 158

6.2.3 保存文件 158

6.2.4 图像文件硬复制 158

6.3 系统定义 159

6.3.1 定义活动域 159

6.3.2 定义场函数 160

6.3.3 定义单位 161

6.4 创建表面 162

6.4.1 创建区域表面 162

6.4.2 创建点表面 163

6.4.3 创建线表面和靶表面 164

6.4.4 创建平面表面 165

6.4.5 创建二次表面 166

6.4.6 创建等值面 167

6.4.7 创建等值剪切表面 168

6.4.8 转换表面 168

6.4.9 管理表面 169

6.5 图形可视化 170

6.5.1 基本图形生成 170

6.5.2 自定义图形显示方式 178

6.5.3 XY曲线图和柱状图 184

6.6 数字计算报告 187

6.6.1 表面积分 187

6.6.2 柱状图报告 189

第7章 统计后处理模块POLYSTAT 191

7.1 聚合物加工过程中的混合原理 191

7.1.1 混合机理 191

7.1.2 混合的分类 191

7.2 POLYDATA 中的混合任务 192

7.2.1 输入网格文件创建混合任务 192

7.2.2 定义流体区域 193

7.2.3 定义边界条件 194

7.2.4 定义速度场 195

7.2.5 定义材料点生成 197

7.2.6 设置轨迹参数 198

7.2.7 设置运动学参数 199

7.2.8 选择生成结果 200

7.2.9 设置文件储存 201

7.2.10 定义运动部件 201

7.2.11 保存混合结果文件，退出POLYDATA 202

7.3 POLYSTAT中的混合任务 202

7.3.1 FILE菜单 202

7.3.2 PROPERTIES菜单 208

7.3.3 TRAJECTORIES菜单 211

7.3.4 SLICES菜单 214

7.3.5 STATISTICS菜单 216

第8章 POLYFLOW在塑料挤出成型中的应用 219

8.1 2.5D轴对称挤出 219

8.1.1 模型描述 219

8.1.2 主要操作步骤 220

8.2 3D挤出成型 235

8.2.1 模型描述 236

8.2.2 操作步骤 237

8.3 3D逆向挤出 247

8.3.1 模型描述 247

8.3.2 操作步骤 247

8.4 黏弹流体的挤出胀大流动 252

8.4.1 模型描述 252

8.4.2 操作步骤 252

8.5 黏弹性流体的流动分析 257

8.5.1 模型描述 257

8.5.2 操作步骤 257

8.6 共挤 262

8.6.1 模型描述 262

8.6.2 操作步骤 262

第9章 POLYFLOW在吹塑成型中的应用 269

9.1 2D等温吹塑成型的厚度分布分析 269

9.1.1 模型描述 269

9.1.2 操作步骤 270

9.2 3D吹塑成型 279

9.2.1 模型描述 279

9.2.2 操作步骤 280

第10章 POLYFLOW在聚合物共混过程中的应用 286

10.1 2D混合任务描述 286

10.1.1 模型描述 286

10.1.2 有限元任务模拟计算 286

10.1.3 混合任务模拟计算 295

10.2 聚合物熔体在双螺杆挤出机的三维数值模拟分析 305

10.2.1 模型描述 305

10.2.2 计算步骤 305

10.3 HAAKE混合器中聚合物共混物的分布混合和分散混合分析 310

10.3.1 模型描述 310

10.3.2 材料物性参数与边界条件 312

10.3.3 混合1s的模型计算 312

10.3.4 混合30s的模型计算 318

10.3.5 混合600s的模型计算 319

10.3.6 整合10.3.3~10.3.5的浓度场计算结果 319

参考文献 321

目前，我国在塑料制品设计、模具设计和成型工艺控制等新产品开发环节还主要依靠设计者的经验，但由于高分子流体黏弹性而产生流动行为的特殊性，导致设计存在缺陷，经常出现不能获得合格产品而反复试模和修模的状况。CAE(ComputerAidEngineering)技术是在计算机上运用专业软件对产品的生产过程进行模拟分析，以此来代替试制和试验，提高一次试模的成功率。利用CAE技术可以在设计阶段对制品设计和模具设计的方案进行评价，预测制品可能产生的缺陷，修改设计，从而获得最优化的方案。本书中我们介绍的POLYFLOW软件就是一种目前应用最广泛的黏弹性材料流动分析的CAE软件。