基于有限体积法的气辅注塑成型气体穿透预测方法技术

本发明专利技术公开一种基于有限体积法的气辅注塑成型气体穿透预测方法，包括以下步骤：(1)由型腔实体网格构造三维节点控制体作为有限体积；(2)设置成型工艺参数；(3)设置材料参数；(4)计算塑料熔体流动速度、压力和温度；(5)更新塑料熔体流动前沿，确定时间步长；(6)塑料熔体填充量是否达到指定体积；(7)计算塑料熔体和气体的流动速度、压力和温度；(8)更新塑料熔体流动前沿和气体穿透前沿，确定时间步长；(9)型腔是否充满。本发明专利技术基于三维有限体积法，通过改进传统的有限体积法，计算塑料熔体与气体的耦合流动，考虑了粘度、速度、压力、温度之间的强非线性，能准确预测气体辅注塑成型气体穿透前沿及各种物理量场的分布。

Prediction method of gas penetration in gas assisted injection molding based on finite volume method

The invention discloses a finite volume method based on the gas assisted injection molding gas penetration prediction method, which comprises the following steps: (1) by the cavity structure of 3D entity grid node control as finite volume; (2) setting the process parameters; (3) setting material parameters; (4) calculating the plastic melt flow rate, the pressure and temperature; (5) update the plastic melt flow front, determine the time step; (6) whether the plastic melt filling amount reaches the specified volume; (7) calculating the plastic melt and gas flow velocity, pressure and temperature; (8) to update the plastic melt flow front and gas penetration front, determine the time step (9; the cavity is full). The present invention relates to a 3D finite volume method based on finite volume method, through improving the traditional coupling, flow calculation of plastics melt and gas, considering the strong nonlinearity between viscosity, velocity, pressure and temperature distribution, can accurately predict the gas assisted injection molding gas penetration front and various physical fields.

【技术实现步骤摘要】
基于有限体积法的气辅注塑成型气体穿透预测方法
本专利技术属于计算机数值模拟方法，特别涉及一种基于有限体积法的气辅注塑成型气体穿透预测方法，用于气体辅注塑成型。
技术介绍
气体辅注塑成型(gas-assistedinjectionmolding，GAIM)是在传统的注塑成型的基础上，通过气针将气体注入塑料熔体内部，气体压力推动塑料熔体继续流动充满模具型腔，气体在穿透过程中形成塑料熔体内部空洞，由此得到中空塑料制品的先进注塑成型工艺。GAIM工艺具有很多优点，如节省原料、减小合模力、缩短冷却时间、防止制品缩痕、减少制品内应力、减少或消除制品翘曲、提高制品表面性能、提高生产效率、降低生产成本等，增加产品的市场竞争力。GAIM技术从20世纪70年代中期开始发展起来，Ferromatik、Battenfeld、KraussMaffei、Cinpress、Maximator、GAIM技术等公同对GAIM技术进行了不断的开发和完善。目前，GAIM技术在发达国家成功地应用于各种产品如汽车、电脑、手机、家电、家具、包装、农用塑料制品、运动器械等领域。目前具有代表性的GAIM技术主要有外部气辅注塑成型、振动气辅注塑成型、冷却气辅注塑成型、多腔控制气辅注塑成型、气辅共注射成型技术等。根据预注塑量的不同，气辅注塑成型分为欠料注射和满料注射。气辅注塑成型工艺包括塑料熔体注射、气体穿透、冷却、顶出等步骤，其中气体穿透是至关重要的一步，如何控制和优化气体穿透前沿是GAIM的关键技术。熔体温度、注射速度、预注塑量、延迟时间、气体压力、气针位置、气道形状和长度、产品厚度等诸多工艺和产品因素对气体穿透前沿都有重要影响，可能导致产品缺陷，如气体吹破、迟滞线、放射斑、翘曲、缩痕、气指、短射等，可以通过调整工艺和产品设计来避免缺陷的产生。然而这些问题的解决如果依赖传统的经验法、试错法，即不断地反复试模后再评定产品设计和工艺参数，会使得GAIM工艺的成本高、开发周期长，且产品的废品率高、生产不稳定，因此，会浪费大量的人力物力。而基于数值模拟的方法能预测GAIM的气体穿透过程，为GAIM产品和工艺设计提供了一种经济、实用和科学的手段。有学者开发了数值模拟软件研究GAIM的气体穿透前沿，但采用的均为有限元法，如南昌大学的周国发、柳和生等开发的三维有限元数值模拟软件，华中科技大学周华民等开发的基于中面和表面模型的有限元数值模拟软件，郑州大学的申长雨等开发的二维有限元数值模拟软件，此外，也有研究者采用商业软件Moldflow模拟GAIM的气体穿透前沿。基于中面、表面模型和二维的数值模拟方法引入简化模型描述气体的穿透前沿，无法模拟厚度方向上，特别是产品较厚处、厚度变化处、结构交叉处复杂的气体穿透前沿。有限体积法兼有有限元和有限差分的优点，能同时满足局部守恒和整体守恒，完全兼容非结构的有限元网格，因此三维有限体积法较有限元法能更好地模拟GAIM的气体穿透前沿。随着全球市场竞争日趋激烈，要求尽可能科学、准确地设计GAIM产品和设置工艺参数，提高产品质量与生产效率，因此，需要一种全面科学地预测气体穿透前沿的方法。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于有限体积法的气辅注塑成型气体穿透预测方法，同时满足局部守恒和整体守恒，完全兼容非结构的有限元网格，用于模拟三维GAIM中气体穿透前沿。本专利技术采用节点控制体作为限体积，考虑到塑料熔体和气体耦合流动中相邻节点控制体的粘度较大差异，根据相邻节点控制体公共界面上流动剪切应力相等的原则，改进了传统的有限体积法，如节点控制体中心的速度梯度、节点控制体公共界面的速度和速度梯度的计算方法，提高了有限体积法模拟空间粘度差异较大的GAIM过程的数值精度和数值稳定性，避免了数值震荡。本专利技术目的是通过以下技术方案来实现的：本专利技术涉及一种基于有限体积法的气辅注塑成型气体穿透预测方法，包括以下步骤：A、由型腔实体网格构造三维节点控制体作为有限体积；B、设置成型工艺参数；C、设置材料参数；D、计算塑料熔体流动速度、压力和温度；E、更新塑料熔体流动前沿，确定时间步长；F、塑料熔体填充量是否达到指定体积，如果达到，进入步骤G，否则进入步骤D；G、计算塑料熔体和气体的流动速度、压力和温度；H、更新塑料熔体流动前沿和气体穿透前沿，确定时间步长；I、模具型腔是否充满，如果模具型腔已经填充满，则计算结束，否则进入步骤G。优选地，所述步骤A的由型腔实体网格构造三维节点控制体作为有限体积步骤进一步包括：导入型腔实体网格，连接网格单元的体心、面心、边中点构造三维节点控制体作为有限体积。计算中的变量，如速度、压力、温度等均位于节点控制体的中心，即节点上。优选地，步骤B中，所述成型工艺参数包括塑料熔体的注射压力、注射时间或注射速度，气体的注射压力、注射时间或注射速度，以及模具温度、熔体温度。优选地，步骤C中，所述材料参数包括气体粘度，塑料熔体的密度、比热容、热传导系数，以及塑料熔体的7参数WLF-Cross粘度模型的材料常数。进一步优选地，所述材料常数包括A1、A2、D1、D2、D3。优选地，所述步骤D的计算塑料熔体流动速度、压力和温度步骤中，忽略塑料熔体的惯性力、体积力，塑料熔体为不可压缩流体，其速度、压力、温度等变量位于节点控制体中心(即节点处)，塑料熔体流动的速度、压力和温度的计算步骤进一步包括：(1)根据7参数WLF-Cross粘度模型计算节点控制体中心的粘度，塑料熔体粘度为温度、压力、剪切应变速率的函数：式中，η为粘度，η0为零剪切粘度，T为温度，p为压力，为非牛顿指数，为剪切应变速率，为材料剪切常数，A1、A2、D1、D2、D3为材料参数，其中T、p、为节点控制体中心的变量值，由速度、压力和温度计算得到；(2)塑料熔体速度、压力、温度的控制方程分别采用如下动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程：ui，j＝0ρCp(T，t+uiT，i)＝Φ+λT，ii式中，为剪切应变速率，下标“’”表示偏导，i，j＝1，2，3为空间局部笛卡儿坐标系分量，ui为速度分量，p为压力，η为粘度，T为温度，t为时间，ρ、CP分别为塑料熔体的密度、比热容，λ为塑料熔体的热传导系数，为剪切耗散功，是塑料熔体充模过程的热源项；(3)采用有限体积法对动量方程进行离散时，考虑到塑料熔体流场中相邻节点控制体的粘度较大差异，根据相邻节点控制体公共界面上流动剪切应力相等的原则，改进传统的有限体积法，得到如下计算公式：a、某节点控制体中心P0的速度梯度计算式为：式中，...

【技术保护点】
一种基于有限体积法的气辅注塑成型气体穿透预测方法，其特征在于，包括如下步骤：A、由型腔实体网格构造三维节点控制体作为有限体积；B、设置成型工艺参数；C、设置材料参数；D、计算塑料熔体流动速度、压力和温度；E、更新塑料熔体流动前沿，确定时间步长；F、塑料熔体填充量是否达到指定体积，如果达到，进入步骤G，否则进入步骤D；G、计算塑料熔体和气体的流动速度、压力和温度；H、更新塑料熔体流动前沿和气体穿透前沿，确定时间步长；I、模具型腔是否充满，如果模具型腔已经填充满，则计算结束，否则进入步骤G。

【技术特征摘要】
1.一种基于有限体积法的气辅注塑成型气体穿透预测方法，其特征在于，包括如下步骤：A、由型腔实体网格构造三维节点控制体作为有限体积；B、设置成型工艺参数；C、设置材料参数；D、计算塑料熔体流动速度、压力和温度；E、更新塑料熔体流动前沿，确定时间步长；F、塑料熔体填充量是否达到指定体积，如果达到，进入步骤G，否则进入步骤D；G、计算塑料熔体和气体的流动速度、压力和温度；H、更新塑料熔体流动前沿和气体穿透前沿，确定时间步长；I、模具型腔是否充满，如果模具型腔已经填充满，则计算结束，否则进入步骤G；所述步骤D中，忽略塑料熔体的惯性力、体积力，塑料熔体为不可压缩流体，其速度、压力、温度变量位于节点控制体中心，所述塑料熔体流动的速度、压力和温度的计算具体包括如下步骤：(1)根据7参数WLF-Cross粘度模型计算节点控制体中心的粘度，塑料熔体粘度为温度、压力、剪切应变速率的函数，如下：式中，η为粘度，η0为零剪切粘度，T为温度，p为压力，为非牛顿指数，为剪切应变速率，为材料剪切常数，A1、A2、D1、D2、D3为材料参数，其中T、p、为节点控制体中心的变量值；(2)塑料熔体速度、压力、温度的控制方程分别采用如下动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程：ui,i＝0ρCp(T，t+uiT，i)＝Φ+λT，ii式中，为剪切应变速率，下标“,”表示偏导，i,j＝1,2,3为空间局部笛卡儿坐标系分量，ui为速度分量，p为压力，η为粘度，T为温度，t为时间，ρ、CP分别为塑料熔体的密度、比热容，λ为塑料熔体的热传导系数，为剪切耗散功，是塑料熔体充模过程的热源项；(3)采用有限体积法对动量守恒方程进行离散，a、某节点控制体中心P0的速度梯度计算式为：式中，u为节点速度矢量，下标“k”表示相邻节点控制体，Pk为相邻节点控制体中心，nf为相邻节点控制体数，r为控制体中心的位置矢量，上标“T”表示转置向量，为加权系数，rk为与相邻节点控制体的公共界面中心的位置矢量，为两个节点控制体中心的粘度比；b、与相邻节点控制体的公共界面中心的速度梯度计算式为：式中，u*为公共界面中心速度矢量，sk为相邻节点控制体公共界面的面积外法矢量，是由P0指向Pk；c、与相邻节点控制体的公共界面中心的速度计算式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：严波，韩先洪，李涛，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：