基于有限體積法的氣輔注塑成型氣體穿透預測方法
【專利摘要】本發明公開一種基于有限體積法的氣輔注塑成型氣體穿透預測方法，包括以下步驟：(1)由型腔實體網格構造三維節點控制體作為有限體積；(2)設置成型工藝參數；(3)設置材料參數；(4)計算塑料熔體流動速度、壓力和溫度；(5)更新塑料熔體流動前沿，確定時間步長；(6)塑料熔體填充量是否達到指定體積；(7)計算塑料熔體和氣體的流動速度、壓力和溫度；(8)更新塑料熔體流動前沿和氣體穿透前沿，確定時間步長；(9)型腔是否充滿。本發明基于三維有限體積法，通過改進傳統的有限體積法，計算塑料熔體與氣體的耦合流動，考慮了粘度、速度、壓力、溫度之間的強非線性，能準確預測氣體輔注塑成型氣體穿透前沿及各種物理量場的分布。
【專利說明】 基于有限體積法的氣輔注塑成型氣體穿透預測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于計算機數值模擬方法，特別涉及一種基于有限體積法的氣輔注塑成型氣體穿透預測方法，用于氣體輔注塑成型。
【背景技術】
[0002]氣體輔注塑成型(gas-assisted injection molding, GA I Μ)是在傳統的注塑成型的基礎上，通過氣針將氣體注入塑料熔體內部，氣體壓力推動塑料熔體繼續流動充滿模具型腔，氣體在穿透過程中形成塑料熔體內部空洞，由此得到中空塑料制品的先進注塑成型工藝。GAM工藝具有很多優點，如節省原料、減小合模力、縮短冷卻時間、防止制品縮痕、減少制品內應力、減少或消除制品翅曲、提聞制品表面性能、提聞生廣效率、降低生廣成本等，增加產品的市場競爭力。GAIM技術從20世紀70年代中期開始發展起來，Ferromatik、BattenfeId、KraussMaffei > Cinpress、Maximator、GAIM 技術等公同對 GAIM 技術進行了不斷的開發和完善。目前，GAIM技術在發達國家成功地應用于各種產品如汽車、電腦、手機、家電、家具、包裝、農用塑料制品、運動器械等領域。
[0003]目前具有代表性的GAIM技術主要有外部氣輔注塑成型、振動氣輔注塑成型、冷卻氣輔注塑成型、多腔控制氣輔注塑成型、氣輔共注射成型技術等。根據預注塑量的不同，氣輔注塑成型分為欠料注射和滿料注射。氣輔注塑成型工藝包括塑料熔體注射、氣體穿透、冷卻、頂出等步驟，其中氣體穿透是至關重要的一步，如何控制和優化氣體穿透前沿是GAM的關鍵技術。熔體溫度、注射速度、預注塑量、延遲時間、氣體壓力、氣針位置、氣道形狀和長度、產品厚度等諸多工藝和產品因素對氣體穿透前沿都有重要影響，可能導致產品缺陷，如氣體吹破、遲滯線、放射斑、翹曲、縮痕、氣指、短射等，可以通過調整工藝和產品設計來避免缺陷的產生。然而這些問題的解決如果依賴傳統的經驗法、試錯法，即不斷地反復試模后再評定產品設計和工藝參數，會使得GAM工藝的成本高、開發周期長，且產品的廢品率高、生產不穩定，因此，會浪費大量的人力物力。而基于數值模擬的方法能預測GAIM的氣體穿透過程，為GAM產品和工藝設計提供了一種經濟、實用和科學的手段。
[0004]有學者開發了數值模擬軟件研究GAIM的氣體穿透前沿，但采用的均為有限元法，如南昌大學的周國發、柳和生等開發的三維有限元數值模擬軟件，華中科技大學周華民等開發的基于中面和表面模型的有限元數值模擬軟件，鄭州大學的申長雨等開發的二維有限元數值模擬軟件，此外，也有研究者采用商業軟件Moldflow模擬GAM的氣體穿透前沿。基于中面、表面模型和二維的數值模擬方法引入簡化模型描述氣體的穿透前沿，無法模擬厚度方向上，特別是產品較厚處、厚度變化處、結構交叉處復雜的氣體穿透前沿。有限體積法兼有有限元和有限差分的優點，能同時滿足局部守恒和整體守恒，完全兼容非結構的有限元網格，因此三維有限體積法較有限元法能更好地模擬GAIM的氣體穿透前沿。
[0005]隨著全球市場競爭日趨激烈，要求盡可能科學、準確地設計GAM產品和設置工藝參數，提高產品質量與生產效率，因此，需要一種全面科學地預測氣體穿透前沿的方法。
【發明內容】
[0006]本發明目的在于提供一種基于有限體積法的氣輔注塑成型氣體穿透預測方法，同時滿足局部守恒和整體守恒，完全兼容非結構的有限元網格，用于模擬三維GA頂中氣體穿透前沿。本發明采用節點控制體作為限體積，考慮到塑料熔體和氣體耦合流動中相鄰節點控制體的粘度較大差異，根據相鄰節點控制體公共界面上流動剪切應力相等的原則，改進了傳統的有限體積法，如節點控制體中心的速度梯度、節點控制體公共界面的速度和速度梯度的計算方法，提高了有限體積法模擬空間粘度差異較大的GAIM過程的數值精度和數值穩定性，避免了數值震蕩。
[0007]本發明目的是通過以下技術方案來實現的:
[0008]本發明涉及一種基于有限體積法的氣輔注塑成型氣體穿透預測方法，包括以下步驟:
[0009]A、由型腔實體網格構造三維節點控制體作為有限體積；
[0010]B、設置成型工藝參數；
[0011]C、設置材料參數；
[0012]D、計算塑料熔體流動速度、壓力和溫度；
[0013]E、更新塑料熔體流動前沿，確定時間步長；
[0014]F、塑料熔體填充量是否達到指定體積，如果達到，進入步驟G，否則進入步驟D ; [0015]G、計算塑料熔體和氣體的流動速度、壓力和溫度；
[0016]H、更新塑料熔體流動前沿和氣體穿透前沿，確定時間步長；
[0017]1、模具型腔是否充滿，如果模具型腔已經填充滿，則計算結束，否則進入步驟G。
[0018]優選地，所述步驟A的由型腔實體網格構造三維節點控制體作為有限體積步驟進一步包括:導入型腔實體網格，連接網格單元的體心、面心、邊中點構造三維節點控制體作為有限體積。計算中的變量，如速度、壓力、溫度等均位于節點控制體的中心，即節點上。
[0019]優選地，步驟B中，所述成型工藝參數包括塑料熔體的注射壓力、注射時間或注射速度，氣體的注射壓力、注射時間或注射速度，以及模具溫度、熔體溫度。
[0020]優選地，步驟C中，所述材料參數包括氣體粘度，塑料熔體的密度、比熱容、熱傳導系數，以及塑料熔體的7參數WLF-Cross粘度模型的材料常數。
[0021]進一步優選地,所述材料常數包括f、ApAyDpDyDp
[0022]優選地，所述步驟D的計算塑料熔體流動速度、壓力和溫度步驟中，忽略塑料熔體的慣性力、體積力，塑料熔體為不可壓縮流體，其速度、壓力、溫度等變量位于節點控制體中心(即節點處)，塑料熔體流動的速度、壓力和溫度的計算步驟進一步包括:
[0023](I)根據7參數WLF-Cross粘度模型計算節點控制體中心的粘度，塑料熔體粘度為溫度、壓力、剪切應變速率的函數:
Jt Λ —_D ( -A{t~{d2 + d^p)T
[0024]1 + jMj-5，I ^T-D2 J
[0025]式中，n為粘度，n零剪切粘度，T為溫度，P為壓力為非牛頓指數，^為剪切應變速率，f為材料剪切常數，A1, A2^D1, D2, D3為材料參數，其中T、p、々為節點控制體中心的變量值，由速度、壓力和溫度計算得到；[0026](2)塑料熔體速度、壓力、溫度的控制方程分別采用如下動量守恒方程、質量守恒方程和能量守恒方程:
[0027]
【權利要求】
1.一種基于有限體積法的氣輔注塑成型氣體穿透預測方法，其特征在于，包括如下步驟: A、由型腔實體網格構造三維節點控制體作為有限體積； B、設置成型工藝參數； C、設置材料參數； D、計算塑料熔體流動速度、壓力和溫度； E、更新塑料熔體流動前沿，確定時間步長； F、塑料熔體填充量是否達到指定體積，如果達到，進入步驟G，否則進入步驟D; G、計算塑料熔體和氣體的流動速度、壓力和溫度； H、更新塑料熔體流動前沿和氣體穿透前沿，確定時間步長； 1、模具型腔是否充滿，如果模具型腔已經填充滿，則計算結束，否則進入步驟G。
2.如權利要求1所述的基于有限體積法的氣輔注塑成型氣體穿透預測方法，其特征在于，所述步驟A具體為:導入型腔實體網格，連接網格單元的體心、面心、邊中點構造三維節點控制體作為有限體積。
3.如權利要求1所述的基于有限體積法的氣輔注塑成型氣體穿透預測方法，其特征在于，步驟B中，所述成型工藝參數包括塑料熔體的注射壓力、注射時間或注射速度，氣體的注射壓力、注射時間或注射速度，以及模具溫度、熔體溫度。
4.如權利要求1所述的基于有限體積法的氣輔注塑成型氣體穿透預測方法，其特征在于，步驟C中，所述材料參數包括氣體粘度，塑料熔體的密度、比熱容、熱傳導系數，以及塑料熔體的7參數WLF-Cross粘度模型的材料常數。
5.如權利要求4所述的基于有限體積法的氣輔注塑成型氣體穿透預測方法，其特征在于，所述材料常數包括H , A1^ A2> D1^ D2>D3o
6.如權利要求1所述的基于有限體積法的氣輔注塑成型氣體穿透預測方法，其特征在于，所述步驟D中，忽略塑料熔體的慣性力、體積力，塑料熔體為不可壓縮流體，其速度、壓力、溫度等變量位于節點控制體中心，所述塑料熔體流動的速度、壓力和溫度的計算具體包括如下步驟: (1)根據7參數WLF-Cross粘度模型計算節點控制體中心的粘度，塑料熔體粘度為溫度、壓力、剪切應變速率的函數，如下:
7.如權利要求1所述的基于有限體積法的氣輔注塑成型氣體穿透預測方法，其特征在于，所述步驟E具體為:根據計算得到的速度場，采用流動網絡分析法，選擇當前流動前沿中各節點控制體所需的最短填充時間作為時間步長，更新流動前沿中其它節點控制體的填充率。
8.如權利要求1所述的基于有限體積法的氣輔注塑成型氣體穿透預測方法，其特征在于，所述步驟G中，氣體穿透推動塑料熔體繼續填充模具型腔，將氣體視為假想塑料熔體，塑料熔體和氣體之間存在動量交換和質量交換，所述塑料熔體和氣體的流動速度、壓力和溫度的計算具體包括如下步驟: a、氣輔注塑成型過程中，氣體穿透只考慮動量守恒和質量守恒，忽略慣性力、體積力及可壓縮性；對應的動量守恒、質量守恒控制方程分別為:
9.如權利要求1所述的基于有限體積法的氣輔注塑成型氣體穿透預測方法，其特征在于，所述步驟H具體為:根據計算得到的速度場，采用流動網絡分析法，選擇當前塑料熔體流動前沿和氣體穿透前沿中各節點控制體所需的最短填充時間作為時間步長，更新流動前沿中節點控制體的塑料熔體填充率和氣體填充率。
【文檔編號】G06F17/50GK103544341SQ201310462228
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】嚴波, 韓先洪, 李濤 申請人:上海交通大學