基于有限体积法的气辅注塑成型气体穿透预测方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】 基于有限体积法的气辅注塑成型气体穿透预测方法
【技术领域】
[0001]本发明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。
【背景技术】
[0002]气体辅注塑成型(gas-assisted injection molding, GA I Μ)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。GAM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、减少或消除制品翅曲、提闻制品表面性能、提闻生广效率、降低生广成本等，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、BattenfeId、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。
[0003]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GAM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GAM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GAM产品和工艺设计提供了一种经济、实用和科学的手段。
[0004]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GAM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。
[0005]随着全球市场竞争日趋激烈，要求尽可能科学、准确地设计GAM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。
【发明内容】
[0006]本发明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GA頂中气体穿透前沿。本发明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。
[0007]本发明目的是通过以下技术方案来实现的:
[0008]本发明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:
[0009]A、由型腔实体网格构造三维节点控制体作为有限体积；
[0010]B、设置成型工艺参数；
[0011]C、设置材料参数；
[0012]D、计算塑料熔体流动速度、压力和温度；
[0013]E、更新塑料熔体流动前沿，确定时间步长；
[0014]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 ; [0015]G、计算塑料熔体和气体的流动速度、压力和温度；
[0016]H、更新塑料熔体流动前沿和气体穿透前沿，确定时间步长；
[0017]1、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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]进一步优选地,所述材料常数包括f、ApAyDpDyDp
[0022]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:
[0023](I)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:
Jt Λ —_D ( -A{t~{d2 + d^p)T
[0024]1 + jMj-5，I ^T-D2 J
[0025]式中，n为粘度，n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，f为材料剪切常数，A1, A2^D1, D2, D3为材料参数，其中T、p、々为节点控制体中心的变量值，由速度、压力和温度计算得到；[0026](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:
[0027]
【权利要求】
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； 1、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。
2.如权利要求1所述的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，所述步骤A具体为: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。
3.如权利要求1所述的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，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。
4.如权利要求1所述的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，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。
5.如权利要求4所述的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，所述材料常数包括H , A1^ A2> D1^ D2>D3o
6.如权利要求1所述的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，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、温度等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:
7.如权利要求1所述的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，所述步骤E具体为:根据计算得到的速度场，采用流动网络分析法，选择当前流动前沿中各节点控制体所需的最短填充时间作为时间步长，更新流动前沿中其它节点控制体的填充率。
8.如权利要求1所述的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，所述步骤G中，气体穿透推动塑料熔体继续填充模具型腔，将气体视为假想塑料熔体，塑料熔体和气体之间存在动量交换和质量交换，所述塑料熔体和气体的流动速度、压力和温度的计算具体包括如下步骤: a、气辅注塑成型过程中，气体穿透只考虑动量守恒和质量守恒，忽略惯性力、体积力及可压缩性；对应的动量守恒、质量守恒控制方程分别为:
9.如权利要求1所述的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，所述步骤H具体为:根据计算得到的速度场，采用流动网络分析法，选择当前塑料熔体流动前沿和气体穿透前沿中各节点控制体所需的最短填充时间作为时间步长，更新流动前沿中节点控制体的塑料熔体填充率和气体填充率。
【文档编号】G06F17/50GK103544341SQ201310462228
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】严波, 韩先洪, 李涛 申请人:上海交通大学