發(fā)布時(shí)間：2018-12-11 11:15

【摘要】：含纖聚合物基復(fù)合材料制品具有廣泛的應(yīng)用與發(fā)展空間,但是目前人們對(duì)于含纖聚合物基復(fù)合材料的研究還不完善。首先,大部分研究集中在成品制件的力學(xué)性能測(cè)試上,且多是采用實(shí)驗(yàn)方法,對(duì)于含纖聚合物基復(fù)合材料成型過程的數(shù)值模擬研究不多。其次,充模過程是注塑成型的主要階段,伴隨相當(dāng)復(fù)雜的物理過程,即固化、體積收縮及可能的結(jié)晶過程。目前雖有文獻(xiàn)建立了聚合物熔體充填過程的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬,但是對(duì)于含纖聚合物基復(fù)合材料的充模過程,都忽略了相變的產(chǎn)生。再次,高分子材料的性能與注塑成型過程中聚合物的微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系密切,然而研究者大多只注意注塑成型過程中熔體及纖維的宏觀行為,很少研究注塑成型過程中熔體及纖維的微觀行為。迄今為止,還沒有一個(gè)全面而準(zhǔn)確的描述帶有相變充填過程的多尺度數(shù)學(xué)模型。本文從數(shù)學(xué)建模的角度出發(fā),建立了帶有相變的含纖聚合物基復(fù)合材料充模過程的多尺度數(shù)學(xué)模型,并采用相應(yīng)的數(shù)值方法進(jìn)行求解,成功地模擬了黏彈性熔體以及含纖黏彈性熔體在成型過程中壁面附近的凝固現(xiàn)象及型腔內(nèi)熔接線的形成,并對(duì)熔體充模流動(dòng)過程中的一些流體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)問題、纖維運(yùn)動(dòng)和取向、應(yīng)力變化以及微觀分子鏈構(gòu)象信息等進(jìn)行了研究,得到了與實(shí)驗(yàn)定性一致的計(jì)算結(jié)果。本文的主要工作如下:1、基于相場(chǎng)模型建立了一種新的Level Set方法做為本文充填過程中追蹤運(yùn)動(dòng)界面的方法,并給出了相應(yīng)的高精度求解格式。與傳統(tǒng)的Level Set方法相比,該方法將Level Set方程與重新初始化方程合并成一個(gè)方程,在極大地減少計(jì)算量的同時(shí),可以更準(zhǔn)確地追蹤運(yùn)動(dòng)界面。2、提出了一個(gè)對(duì)型腔內(nèi)熔體和氣體都適用的修正的焓模型來描述充模過程中的相變,進(jìn)而建立了黏(彈)性流體在充模過程中帶有相變的氣-液兩相宏觀模型。采用基于同位網(wǎng)格的有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散并求解,并通過非等溫平板收縮流、液滴下落、潰壩等基準(zhǔn)問題驗(yàn)證了模型及算法的有效性。3、建立了帶有相變的含纖聚合物基復(fù)合材料充模的宏觀(流動(dòng))-介觀(纖維)模型,并采用基于同位網(wǎng)格的有限體積法對(duì)該模型進(jìn)行離散并求解,成功模擬了含纖聚合物基復(fù)合材料的充填過程。對(duì)充填過程中各物理量的變化、凝固現(xiàn)象、纖維取向等問題進(jìn)行了研究,得到了與實(shí)驗(yàn)定性一致的結(jié)果。4、建立了帶有相變的含纖聚合物基復(fù)合材料充模過程的宏觀(流動(dòng))-介觀(纖維)-微觀(分子鏈)多尺度模型。宏觀流動(dòng)的物理特性由Navier-Stokes方程描述,介觀尺度的纖維運(yùn)動(dòng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定理來描述,微觀分子鏈的信息用Brown構(gòu)型場(chǎng)方法來獲得。采用基于同位網(wǎng)格的有限體積法對(duì)模型進(jìn)行離散并求解,成功模擬了含纖聚合物基復(fù)合材料的充填過程,得到了宏觀物理特性、介觀纖維取向與微觀分子鏈構(gòu)象等信息。
[Abstract]:Fiber-containing polymer matrix composites have a wide range of applications and development space, but the research of fiber-containing polymer-based composites is not perfect. First of all, most of the research focused on the mechanical properties of the finished parts, and most of the experimental methods are used, and there are few numerical simulation studies on the molding process of polymer matrix composites containing fiber. Secondly, the filling process is the main stage of injection molding, accompanied by quite complex physical processes, that is, solidification, volume shrinkage and possible crystallization process. Although some literatures have established the mathematical model of polymer melt filling process and carried out numerical simulation, but for the filling process of polymer matrix composites containing fiber, the generation of phase transition has been neglected. Thirdly, the properties of polymer materials are closely related to the microstructure of polymer during injection molding. However, most researchers only pay attention to the macroscopic behavior of melt and fiber during injection molding. The microscopic behavior of melt and fiber during injection molding is seldom studied. Up to now, there is no comprehensive and accurate multi-scale mathematical model with phase change filling process. In this paper, from the point of view of mathematical modeling, a multi-scale mathematical model of the filling process of fiber polymer matrix composites with phase transition is established, and the corresponding numerical method is used to solve the model. The solidification phenomena near the wall and the formation of weld lines in the cavity during the molding process of the viscoelastic melt and the fibrillar viscoelastic melt are successfully simulated, and some hydrodynamic and thermodynamic problems during the filling process of the melt are discussed. The motion and orientation of the fiber, the stress change and the conformation information of the micro molecular chain were studied, and the calculated results were in agreement with the experimental results qualitatively. The main work of this paper is as follows: 1. Based on the phase field model, a new Level Set method is established as a method to track the moving interface in the filling process, and the corresponding high precision solution scheme is given. Compared with the traditional Level Set method, this method combines the Level Set equation and the reinitialization equation into one equation, which can greatly reduce the computational cost and track the motion interface more accurately. A modified enthalpy model suitable for both melt and gas in the cavity is proposed to describe the phase transition during the filling process, and a gas-liquid two-phase macroscopic model with phase transition in the filling process of the viscous (elastic) fluid is established. The control equation is discretized and solved by the finite volume method based on the same grid. The validity of the model and the algorithm is verified by the datum problems such as non-isothermal plate shrinkage flow, drop and dam-break. A macroscopic (flow) mesoscopic (fiber) model for the filling of fiber polymer matrix composites with phase transition is established. The model is discretized and solved by using the finite volume method based on the in-situ grid. The filling process of polymer matrix composites containing fiber was successfully simulated. The changes of physical quantities, solidification phenomena and fiber orientation during filling are studied. The results are consistent with the experimental results. A macroscopic (flow)-mesoscopic (fiber)-microcosmic (molecular chain) multi-scale model for the filling process of fiber containing polymer matrix composites with phase transition was established. The physical properties of macroscopic flow are described by Navier-Stokes equation, the mesoscopic fiber motion is described by Newton's motion theorem, and the information of micro molecular chain is obtained by Brown configuration field method. The model was discretized and solved by using the finite volume method based on the same grid. The filling process of polymer matrix composites containing fiber was successfully simulated. The information of macroscopic physical properties, mesoscopic fiber orientation and micro molecular chain conformation were obtained.
【學(xué)位授予單位】：太原科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ317;TB33

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本文編號(hào)：2372440