异形医用双腔导管挤出离模膨胀变形机理与调控(2)
图1 双腔异形口模实体与有限元模型Fig.1 Solid model and finite element model
图2 松弛时间与离模膨胀形貌Fig.2 Relaxation time of die swell
图3 进口体积流量与离模膨胀形貌Fig.3 Melt inlet volumetric flow rate of die swell
现模拟研究沿图1(a)所示环线的径向二次流动。图6为熔体进口体积流量为1.68×10-9m3/s时,Z=41.5 mm处横截面环线的最大二次流动强度与松弛时间的关系。图7为松弛时间为0.5 s时,Z=41.5 mm处横截面环线的最大二次流动强度与熔体进口体积流量的关系。结果表明:径向二次流动强度与熔体松弛时间、熔体进口体积流量均呈成正关联关系,径向二次流动强度随着熔体松弛时间和熔体进口体积流量增大而增强。离模膨胀实际体现为熔体向外的径向运动变形过程,自然向外的二次流动越大,则其离模膨胀比越大。由于熔体的松弛时间和熔体进口体积流量增大,会导致其径向二次流动增强,必然导致熔体离模膨胀比随着熔体松弛时间和进口体积流量的增大而增大。由此可见,产生熔体离模膨胀的直接驱动力是径向二次流动强度。
图4 离模膨胀比与松弛时间Fig.4 Die swell ratio time
图5 离模膨胀比与熔体进口体积流量Fig.5 Die swell ratio vs.inlet volumetric flow rate
图6 最大二次流动强度与松弛时间Fig.6 Maximum secondary flow time
图7 最大二次流动强度与熔体挤出体积流量Fig.7 Maximum secondary flow vs.inlet volumetric flow rate
研究表明,产生径向二次流动的直接驱动力为第二法向应力差[12-16],为了进一步阐释异形医用双腔导管挤出离模膨胀,系统研究了离模膨胀的径向运动位移—径向二次流动强度—第二法向应力差的耦合作用机制。现研究沿图1(a)所示的经线离模膨胀径向运动位移变化规律。图8和图9为不同熔体松弛时间和进口体积流量条件下,离模膨胀外表面径向运动位移沿经线分布规律的模拟研究结果。结果表明,径向离模膨胀运动位移随着离口模出口的距离增加,均呈先线性增加,后趋于恒定的变化规律。
图8 松弛时间对位移沿经线分布影响Fig.8 Influence of relaxation time on displacement distribution along the meridian
图9 体积流量对径向运动位移沿经线分布影响Fig.9 Influence of inlet volumetric flow rate on displacement distribution along the meridian
图10和图11为不同熔体松弛时间和熔体进口体积流量条件下,径向二次流动强度沿经线的分布规律模拟研究结果,随着Z的增大,径向二次流动呈先增,后降,再逐渐趋于为零的变化规律,结果表明沿经线的最大二次流动强度与熔体松弛时间、熔体进口体积流量呈正关联关系,随着熔体松弛时间、熔体进口体积流量增大而增强。另一方面,由于沿经线二次流动强度呈先增加趋势,必然导致沿经线的径向运动位移呈先增加趋势。又由于沿经线二次流动强度增至一定程度后,其二次流动强度呈下降,并趋于为零的趋势,必然导致径向流动变形的驱动力减弱,并趋于消失,必然导致沿经线的径向运动位移增幅逐渐减小,并趋于为零。由此可见,沿经线的离模膨胀径向运动位移演化规律与其径向二次流动强度的演化规律完全吻合,进一步证明了产生熔体离模膨胀变形的直接驱动力是径向二次流动强度的研究结论。
图10 松弛时间对二次流动强度沿经线分布影响Fig.10 Influence of relaxation time on secondary flow intensity distribution along the meridian
图11 体积流量对二次流动强度沿经线分布影响Fig.11 Influence of inlet volumetric flow rate on secondary flow intensity distribution along the meridian
现研究第二法向应力差沿外表面经线的分布规律,图12和图13为不同熔体松弛时间和熔体进口速度条件下,第二法向应力差沿经线的分布规律的模拟结果。结果表明第二法向应力差的绝对值随着离口模出口距离的增加呈先减后趋于为零的变化趋势,而产生径向二次流动的直接驱动力为熔体的第二法向应力差,熔体离开口模出口时,其第二法向应力差的绝对值最大,产生径向二次流动的直接驱动力最强,导致二次流动强度先呈增加趋势,随着离口模出口距离增加,熔体的第二法向应力差的绝对值减小,并趋于为零,必然导致径向二次流动的直接驱动力逐渐减弱,并趋于消失,必然导致二次流动增致最大值后趋于减弱,并消失。由此可见,第二法向应力差作为径向二次流动的直接驱动力,可以科学阐释熔体二次流动的演化规律,以及流变特性参数和过程参数对径向二次流动的影响作用机制。图12和图13的研究结果表明:第二法向应力差的绝对值随着熔体松弛时间和进口体积流量的增大而增加,因而导致其径向二次流动增强,必然导致离模膨胀增大。另一方面,研究结果还表明:随着离模膨胀变形增大,熔体的第二法向应力差趋于释放,熔体的第二法向应力差是通过离模膨胀变形来释放熔体的第二法向应力差,必将使熔体的第二法向应力差趋于减小,并消失。
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