本文選題：薄膜流延 + 有限元方法　； 參考：《山東大學》2017年碩士論文

【摘要】：流延成型是聚合物薄膜重要成型工藝方法,該工藝過程影響因素多,控制難度大。本文針對聚合物薄膜流延成型工藝進行系統(tǒng)性分析,建立了描述擠出、流延、換熱各工藝過程的數(shù)值模型,采用有限元方法求解控制方程并研究了相關關鍵技術,通過對薄膜流延成型工藝過程進行數(shù)值模擬,探究各工藝參數(shù)對流延膜成型質量的影響,以指導實際成型工藝控制。針對流延膜擠出過程,依據(jù)理論經(jīng)驗公式,設計衣架型擠出流道以提高流動均勻性�；谟嬎懔黧w力學理論,建立了描述熔體擠出流動過程的三維非等溫數(shù)學模型,針對壓力—速度耦合問題采用罰函數(shù)有限元方法進行解耦求解,采用線性化交替迭代法實現(xiàn)穩(wěn)定數(shù)值求解。將出口流速模擬結果與工藝實驗結果進行比較,驗證了數(shù)學模型和數(shù)值計算方法的可靠性,并具體分析了模具溫度、擠出速度等工藝因素對出口流速分布的影響。針對聚合物熔體通過口模后的流延過程建立數(shù)學模型,考慮到三維模型中薄膜厚度方向尺度小,網(wǎng)格劃分困難等問題,將厚度作為變量進行求解,推導得到二維模型。以一維模型的解析解作為初始場,采用有限元方法進行數(shù)值分析,通過Newton-Raphson方法迭代求解速度場、厚度場、自由邊界�？紤]空氣強制對流換熱作用,以及非牛頓流體的粘性作用,對非等溫條件下薄膜流延過程進行數(shù)值仿真,通過與工藝實驗結果對比驗證模擬方法的合理性。分析流延比、模輥間隙等工藝條件對薄膜成型質量的影響,探究頸縮、啞鈴邊等成型缺陷形成的原因以及改進措施,分析了材料彈性因素對薄膜寬度、厚度的影響規(guī)律。針對薄膜冷卻定型過程,設計平行流道換熱系統(tǒng),考慮冷卻水湍流對薄膜冷卻帶來的影響,建立聚合物熔體、流延輥以及冷卻水之間熱量傳遞的數(shù)學模型。根據(jù)換熱邊界條件的不同,對上述熱傳遞過程進行耦合數(shù)值求解,并分析了薄膜在軸向和徑向的溫度分布;通過調節(jié)冷卻工藝參數(shù)分析其影響規(guī)律,統(tǒng)計薄膜兩側熱交換量,同時探討了流延輥轉速所造成的薄膜溫度差異性。本文通過數(shù)值仿真與工藝實驗,系統(tǒng)研究了薄膜流延成型過程各工藝參數(shù)影響規(guī)律,有助于提高薄膜生產質量與工藝控制水平。
[Abstract]:Casting is an important process for polymer film forming, which has many influencing factors and is difficult to control. Based on the systematic analysis of polymer film casting process, a numerical model describing the extrusion, casting and heat transfer processes is established. The control equations are solved by finite element method and the relevant key technologies are studied. Through the numerical simulation of the casting process of thin film, the influence of various process parameters on the forming quality of the film is explored to guide the actual process control. In order to improve the flow uniformity, a garment rack extrusion channel was designed according to the theoretical empirical formula for the extrusion process of ductile film. Based on the theory of computational fluid dynamics, a three-dimensional non-isothermal mathematical model was established to describe the melt extrusion flow process. The penalty function finite element method was used to solve the pressure velocity coupling problem. The linear alternating iteration method is used to realize the stable numerical solution. The reliability of the mathematical model and the numerical calculation method are verified by comparing the simulation results of the exit velocity with the experimental results, and the effects of die temperature and extrusion speed on the velocity distribution of the outlet are analyzed in detail. In view of the mathematical model of polymer melt flow through the die, considering the small dimension of film thickness and the difficulty of mesh division in the three-dimensional model, the thickness is taken as a variable to solve and the two-dimensional model is derived. The analytical solution of one-dimensional model is taken as the initial field, the finite element method is used to carry out numerical analysis, and the Newton-Raphson method is used to iteratively solve the velocity field, thickness field and free boundary. Considering the forced convection heat transfer of air and the viscous effect of non-Newtonian fluid, the numerical simulation of thin film flow under non-isothermal conditions is carried out. The rationality of the simulation method is verified by comparing the results with the experimental results. The influence of casting ratio and die roll clearance on the film forming quality is analyzed. The forming reasons of forming defects such as necking and dumbbell edge and the improving measures are discussed. The influence of material elastic factors on the film width and thickness is analyzed. Considering the influence of cooling water turbulence on film cooling, a mathematical model of heat transfer between polymer melt, roll and cooling water was established. According to the difference of heat transfer boundary conditions, the coupled numerical solution of the heat transfer process is carried out, and the temperature distribution of the film in axial and radial direction is analyzed, and the influence law of the film is analyzed by adjusting the cooling process parameters, and the heat exchange amount on both sides of the film is calculated. At the same time, the film temperature difference caused by roll speed is discussed. In this paper, through numerical simulation and process experiment, the influence of process parameters on film casting process is systematically studied, which is helpful to improve the film production quality and process control level.
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.2

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本文編號：2019431