厚胶板挤出模流道的数值分析闫普选，吴志勇摘要：采用Fluent流体软件分析厚胶板挤出流道中胶料等温流变行为，考察分流块主要结构参数（分流块高度、宽度和长度）对流道内部速度场和出口速率分布影响；在此基础上，将实际挤出制品和模拟结果进行对比，同时观察流道内胶料填充情况，可知模拟结果基本可靠，能够满足设计和工艺要求。关键词：厚胶片；流道；模拟；挤出机中图分类号：TQ320.663文献标识码：A文章编号：1009-797X(2009)12-0005-05DOI：10.3969/J.ISSN.1009-797X.2009.12.002橡胶胶板挤出机设计的核心是机头流道的设计，其质量直接影响挤出胶板的断面尺寸精度等性能。常规胶板的厚度大都在2~20mm之间[1]，厚度越小，胶料在流道中越易填充，厚度精度越易控制；而对于图1所示的机头流道设计情况，挤出机螺杆直径较小，而需要挤出的制品断面却较大，S1/S2和B/D分别等于3.0和3.8，比通常的情况要大许多，因此，如流道结构设计不当，容易造成胶料在流道出口处的速率不均匀，制品厚度精度难以达要求。目前，机头流道的制作一般在常规设计的基础上，采用反复试模、修模的方法来达到要求。该方法使新产品的设计和研发周期增长，而且试制成本很高。因此，采用计算机模拟的方法，对于加快机头开发进度及提高模具设计质量尤为必要[2]。Fluent是计算流体力学(CFD)数值模拟软件之一。其采用有限元方法对流体进行流动模拟，适用于高分子材料挤出成型的流变分析[3]。张先明等[4]采用有限元软件对片材机头流道进行了系统模拟，考察了出口胶料的均匀性和稳定性，与实际制品相比较，结果较为一致。朱敏等[5]采用CFD软件对橡胶异型材口模进行了数值分析，并将模拟挤出制品形状与实际制品对比，模拟结果比较合理。本文采用流体模型中的Cross本构方程表达了橡胶材料的黏性行为，使用Fluent流体软件分析了分流块主要结构参数对流道中胶料等温速度场的影响，从而为工程设计提供了设计依据。建立模型11.1物性参数测试条件：毛细管流变仪（日本岛津公司22S1—流道出口截面面积，m；S2—螺杆流道截面面积，m；B—机头流道出口宽度，m；H—机头流道出口厚度，m；D—螺杆直径，m图1机头流道设计图示作者简介：闫普选（1979-），男，助理工程师，2007年毕业于南京工业大学化学工程专业，从事高分子材料加工的研发工作。收稿日期：2009-09-16·5·2009年第35卷橡塑技术与装备CHINARUBBER/PLASTICSTECHNOLOGYANDEQUIPMENTCFT-500D型），毛细管直径1.0mm，长度10.0mm，预热时间30s，温度为100℃。分析以上数据可得Cross模型参数为：非牛顿指数为0.23，松弛时间0.52s，零剪切黏度为106320条件和网格化，其参数设置如下：（1）流体入口采用压力入口边界条件，压力为10.13MPa；（2）流体出口采用压力出口边界条件，压力为0.10MPa；（3）其余为壁面，其是非滑移边界条件设置。表1橡胶黏度和流变速率对应数据1.2数学模型假设橡胶流体为不可压缩流体，其流动为等温稳态流动，流道全充满。因流体黏度大，惯性力和质量力相对于黏性力很小，忽略不计。假设流道内壁无滑移[6]。基于以上假设，描述流场的基本微分方程如下[7]：连续性方程：(1)动量方程：h1—分流块高度，m；h2—分流块宽度，m；(2)h—分流块长度，m3图2挤出机头流道结构及边界条件Cross本构方程：(3)式中：ρ—物料密度，kg/m3；t—时间，s；p—压力，Pa；u—速度，m/s；η—黏度，Pa·s；η0—零剪切黏度，Pa·s；λ—松弛时间，s；n—非牛顿指数，无因次；γ—剪切速率，s-1。1.3三维模型及网格化图2和3分别表明了机头流道求解域的边界图3机头流道有限元网格数值分析22.1分流块高度h对机头流道出口速率的1影响图4为在分流块其他结构相同下，不同·6·第35卷第12期黏度/（Pa·s）剪切速率/s-130.4125001164320229273055013609229441300762闫普选等·厚胶板挤出模流道的数值分析图5挤出机头流道出口胶料速率分布曲线图4挤出机头流道出口胶料速率分布曲线的分流块高度所对应的流道出口速率分布曲线。由图可知，各曲线依次代表分流块高度为0.027m、0.0285m、0.03m和0.032m时流道出口胶料速率曲线，随着分流块高度的增加，流道出口处胶料速率分布曲线下降...