共混挤出过程纤维长度分布预测方法、装置、设备和介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种共混挤出过程纤维长度分布预测方法、装置、设备和介质。所述方法包括：(1)获取预设共混挤出过程所对应的流场数据，所述流场数据包括剪切速率场和停留时间，所述剪切速率场包括沿共混挤出方向依次排列的N个剪切速率值，N≥2；(2)基于质量守恒原则建立纤维长度分布预测模型，将待进行共混挤出过程的初始纤维长度分布作为所述预测模型的初始输入，然后沿共混挤出方向利用所述预测模型依次对每个剪切速率值进行纤维长度分布预测处理，将前一次纤维长度分布的预测结果作为后一次纤维长度分布预测的预测处理输入，直至预测得到共混挤出过程完成时的纤维长度分布。本发明专利技术能够预测共混挤出过程整个纤维长度分布的信息。

【技术实现步骤摘要】
共混挤出过程纤维长度分布预测方法、装置、设备和介质
本专利技术属于纤维增强共混挤出领域，更具体地，涉及一种共混挤出过程纤维长度分布预测方法、装置、设备和介质。
技术介绍
在工业上，纤维增强材料是一种常见的增强复合材料，具有比强度和比模量大、成型工艺简单、可二次加工等特点。相比于短纤维增强材料，长纤维增强材料具有更好的机械性能。因此，在制备纤维增强材料时要尽可能多地保留长纤维。而在共混挤出的过程中往往会发生严重的纤维断裂，因此纤维长度分布的预测对实际生产有重要意义。注塑成型领域对纤维长度分布研究比较成熟，非专利文献“TuckerIIICL,PhelpsJH,AbdEl-RahmanAI,KuncV,FrameBJ.Modelingfiberlengthattritioninmoldedlong-fibercomposites.In:ProceedingsofPPS-26AnnualMeeting,Banff,July2010”公开了用于预测模具填充过程纤维长度分布变化的模型。共混挤出领域关于纤维长度分布的研究较少且不够成熟，而制备纤维增强材料常见的工艺方法是双螺杆挤出制备。非专利文献“ShonK,LiuD,WhiteJL.Experimentalstudiesandmodellingofdevelopmentofdispersionandfiberdamageincontinuouscompounding.IntPolymProc2005；20:322–31”公开了描述不同连续过程中平均纤维长度演变的经验模型。然而，这些研究主要围绕共混挤出过程平均纤维长度的变化，不能提供整个纤维长度分布的信息。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种共混挤出过程纤维长度分布预测方法、装置、设备和介质，其目的在于建立纤维长度分布预测模型，能够预测共混挤出过程整个纤维长度分布的信息，由此解决现有技术中仅能预测共混挤出过程平均纤维长度的变化，不能提供整个纤维长度分布的信息的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种共混挤出过程纤维长度分布预测方法，包括下列步骤：(1)获取预设共混挤出过程所对应的流场数据，所述流场数据包括剪切速率场和停留时间，所述剪切速率场包括沿共混挤出方向依次排列的N个剪切速率值，N≥2；(2)基于质量守恒原则建立纤维长度分布预测模型，将待进行共混挤出过程的初始纤维长度分布作为所述预测模型的初始输入，然后沿共混挤出方向利用所述预测模型依次对每个剪切速率值进行纤维长度分布预测处理，将前一次纤维长度分布的预测结果作为后一次纤维长度分布预测的预测处理输入，直至预测得到共混挤出过程完成时的纤维长度分布。优选地，所述预测模型通过下式表示：其中，mi为纤维长度为Li的纤维i的质量分数，mj为纤维长度为Lj的纤维j的质量分数，pi为纤维长度为Li的纤维i在预设共混挤出过程中断裂的概率，pj为纤维长度为Lj的纤维j在预设共混挤出过程中断裂的概率，Pij为在预设共混挤出过程中长度为Lj的纤维j断裂成长度为Li的纤维i的断裂概率，t为停留时间，n为纤维长度分类总数。需要说明的是，长纤维到短纤维的质量传递遵循质量守恒定律。同时本专利技术中假设整个断裂过程中，纤维的半径不会发生变化，因此本专利技术中纤维质量分数分布与纤维长度分布可等价表示。此处，所述初始纤维长度分布和所述共混挤出过程完成时的纤维长度分布均满足下列条件：Li＝(n+1-i)×Ln；其中，Ln为长度最小的且无法断裂的纤维的长度，L1为长度最大的纤维的长度，Li为长度为Li的纤维的长度，1＜i＜n。也就是说，本专利技术中为了描述整个纤维分布，根据纤维的长度将纤维分成n类，其中最小纤维长度设为Ln,在这种长度下，假设纤维无法断裂。优选地，纤维长度为Lx的纤维x在预设共混挤出过程中断裂的概率P(Bux)通过下式表示：P(Bux)＝1；Bux＞1其中，屈曲参数Bux表示为：其中，η为流体黏度，为流体剪切速率，θ和为纤维x的两个取向角，该两个取向角所在的平面互相垂直，βx为纤维长度为Lx的纤维x的半长径比，E为杨氏模量。其中，下标x满足1≤x≤n，x可以为i、j等。例如，当x为j时，即当纤维长度为Lj的纤维j在预设共混挤出过程中断裂的概率pj,即概率P(Buj)通过下式表示：P(Buj)＝1Buj＞1其中，屈曲参数Buj表示为：其中，η为流体黏度，为流体剪切速率，θ和为纤维x的两个取向角，该两个取向角所在的平面互相垂直，βx为纤维长度为Lx的纤维x的半长径比，E为杨氏模量。同理地，当x为i时，即当纤维长度为Li的纤维i在预设共混挤出过程中断裂的概率pi,即概率P(Bui)。需要说明的是，屈曲参数Bux通过下列方法得到；首先，在确定旋转周期纤维平均取向下，计算纤维在流场中的应力状态，可表示为：其中，η为流体黏度，为流体剪切速率，θ和为纤维取向角，β为纤维半长径比，E为杨氏模量。然后，将纤维屈曲前受到的应力σB与最大应力进行比较，得到屈曲参数Bu：其中，假设纤维旋转符合Jeffrey方程，此方程适用于椭球形粒子，而纤维为圆柱形粒子，因此采用等效半长径比β′＝0.75β替换，能更好的描述纤维在流场中的取向。由此，可以得到屈曲参数Bux的表达式：其中，η为流体黏度，为流体剪切速率，θ和为纤维x的两个取向角，该两个取向角所在的平面互相垂直，βx为纤维长度为Lx的纤维x的半长径比，E为杨氏模量。另外，需要说明的是，弯曲的纤维最小曲率半径位于正中间，所以理想状态下的纤维将始终在中点断裂。但是纤维总是会存在缺陷，从而在临界应力值以下发生断裂。本专利技术中假设纤维由于缺陷在屈曲应力值以下发生断裂，而一旦达到屈曲应力值就一定会断裂。优选地，假设在预设共混挤出过程中长度为Lj的纤维j断裂成长度为Li的纤维i符合韦伯分布，所述在预设共混挤出过程中长度为Lj的纤维j断裂成长度为Li的纤维i的断裂概率Pij通过下式表示：其中，m为形状参数，n为纤维长度分类总数。本专利技术中m优选为3，形状参数为3的韦伯分布与高斯分布类似，因此此时，所述也断裂概率Pij可用高斯分布假设。优选地，所述获取预设共混挤出过程所对应的流场数据，包括下列子步骤：(101)获取预设共混挤出过程所对应的工艺参数、材料物性参数和黏度本构方程，所述工艺参数包括螺纹内径、螺纹外径、螺距、螺旋角、螺杆径向距离、螺杆长度、流体轴向压力降、流体径向压力降、螺杆转速、单位时间熔体经过螺杆单元的体积和待熔融共混的材料的填料质量；所述材料物性参数包括待熔融共混的材料密度；所述黏度本构方程为Carreau-Yasuda模型；(102)建立共混挤出全局模型，将所述工艺参数、粘度本构方程作为所述全局模型的输入，得到预设共混挤出过程的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种共混挤出过程纤维长度分布预测方法，其特征在于，包括下列步骤：/n(1)获取预设共混挤出过程所对应的流场数据，所述流场数据包括剪切速率场和停留时间，所述剪切速率场包括沿共混挤出方向依次排列的N个剪切速率值，N≥2；/n(2)基于质量守恒原则建立纤维长度分布预测模型，将待进行共混挤出过程的初始纤维长度分布作为所述预测模型的初始输入，然后沿共混挤出方向利用所述预测模型依次对每个剪切速率值进行纤维长度分布预测处理，将前一次纤维长度分布的预测结果作为后一次纤维长度分布预测的预测处理输入，直至预测得到共混挤出过程完成时的纤维长度分布。/n

【技术特征摘要】
1.一种共混挤出过程纤维长度分布预测方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)获取预设共混挤出过程所对应的流场数据，所述流场数据包括剪切速率场和停留时间，所述剪切速率场包括沿共混挤出方向依次排列的N个剪切速率值，N≥2；
(2)基于质量守恒原则建立纤维长度分布预测模型，将待进行共混挤出过程的初始纤维长度分布作为所述预测模型的初始输入，然后沿共混挤出方向利用所述预测模型依次对每个剪切速率值进行纤维长度分布预测处理，将前一次纤维长度分布的预测结果作为后一次纤维长度分布预测的预测处理输入，直至预测得到共混挤出过程完成时的纤维长度分布。


2.如权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述预测模型通过下式表示：



其中，mi为纤维长度为Li的纤维i的质量分数，mj为纤维长度为Lj的纤维j的质量分数，pi为纤维长度为Li的纤维i在预设共混挤出过程中断裂的概率，pj为纤维长度为Lj的纤维j在预设共混挤出过程中断裂的概率，Pij为在预设共混挤出过程中长度为Lj的纤维j断裂成长度为Li的纤维i的断裂概率，t为停留时间，n为纤维长度分类总数。


3.如权利要求2所述的预测方法，其特征在于，纤维长度为Lx的纤维x在预设共混挤出过程中断裂的概率P(Bux)通过下式表示：



P(Bux)＝1；Bux＞1
其中，屈曲参数Bux表示为：



其中，η为流体黏度，为流体剪切速率，θ和为纤维x的两个取向角，该两个取向角所在的平面互相垂直，βx为纤维长度为Lx的纤维x的半长径比，E为杨氏模量。


4.如权利要求2所述的预测方法，其特征在于，所述在预设共混挤出过程中长度为Lj的纤维j断裂成长度为Li的纤维i的断裂概率Pij通过下式表示：



其中，m为形状参数，n为纤维长度分类总数。


5.如权利要求1-4任一项所述的预测方法，其特征在于，所述获取预设共混挤出过程所对应的流场数据，包括下列子步骤：
(101)获取预设共混挤出过程所对应的工艺参数、材料物性参数和黏度本构方程，所述工艺参数包括机筒直径、螺纹内径、螺纹外径、螺距、螺旋角、螺杆径向距离、螺杆长度、流体轴向压力降、流体径向压力降、螺杆转速、单位时间熔体经过螺杆单元的体积和待熔融共混的材料的填料质量；所述材...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云，王子钦，高煌，余文劼，周晓伟，李茂源，周华民，黄志高，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42