可降解塑料片材机头流道的流场分析及设计优化

周磊，张礼华*，陈景铭，毛旭，陈曙光，邱建成

（1.江苏科技大学机械工程学院，江苏 镇江 212100；2.江苏飞鸽友联机械股份有限公司，江苏 张家港 215613）

0 前言

随着塑料行业的迅速发展，塑料产品的种类和用途也越来越多元化，但是目前大部分塑料产品的生产原料主要成分为聚乙烯、聚丙烯、聚酯等，此类材料难以降解，对环境的污染很大。随着国家可持续发展政策和绿色制造的推动，可降解塑料已然成为了当下塑料产品发展的方向。

可降解塑料是一种新型的环保塑料，一般以从生物质资源提炼出来的可降解材料作为原料，在一定的自然环境中可最终降解为二氧化碳和水，绿色环保无污染。本文采用的可降解材料从天然植物中提取原料，以水作为发泡剂，粉状原料挤出发泡成型后，可以在水中完全降解。塑料挤出成型技术可以让塑料原料在一定的温度和压力条件下通过机筒及内部螺杆的作用［1］，受到挤压并向前推送到机头中，经过机头流道挤出并离模发泡成型为塑料成品。

其中，挤出机头的流道设计能力是影响挤出成品的关键，关乎成品的成型质量［2］。某工厂以上述可降解原料进行可降解塑料片材挤出成型时，片材会产生波浪状的褶皱，同时由于片材挤出机头出口压力分布不均匀，部分地方容易堵塞，无法形成规整平滑的可降解塑料片材。由此，本文基于三维建模软件Solidworks和黏弹性材料流动有限元模拟仿真软件Polyflow［3］，首先建立原有片材机头流道的三维模型，并使用Polyflow进行可降解塑料片材挤出过程的模拟分析，根据模拟仿真的结果以及设计经验对原有机头流道结构进行设计优化［4-5］，解决现有可降解塑料片材难以挤出发泡成型问题，为后续可降解塑料机头流道的结构设计与优化提供参考。

1 数值模拟

1.1 几何模型

如图1所示为片材机头实体图，片材机头由上下两部分合模，形成中间的挤出流道。机头实体中流道部分上下对称，从图中可以看出片材挤出机头中流道的结构布局，使用Solidworks建立塑料片材挤出机头流道的三维模型［6］，如图2所示。

图1 片材机头实体图Fig.1 Solid diagram of the sheet head

图2 片材机头流道模型Fig.2 Runner model of the sheet head

片材挤出机头流道分为入口段、扩展段、压缩段和成型段，双螺杆挤入的熔体从机头入口段进入，熔体通过扩展段缓解入口压力并均匀散开，在压缩段对其进行加压挤出，最后经过成型段挤出并离模发泡成型为可降解塑料片材。

1.2 基本假设

考虑聚合物特性和机头稳定挤出的工艺条件［7］，对挤出机头中熔体作如下假设：

（1）熔体是不可压缩流体；

（2）由于对机头流道是整体加热，故流场为稳定的等温流场；

（3）雷诺数远小于2 000，故流动为层流流动；

（4）熔体的体积力远小于黏滞力，体积力可以忽略不计；

（5）塑料熔体在流道中全充满；

（6）塑料熔体在流道内无滑移。

1.3 控制方程

基于基本假设，机头挤出过程中物料遵循质量守恒定律［8］，其连续性方程如式（1）所示：

机头挤出过程中遵守动量守恒定律，其动量方程如式（2）～（4）所示：

其中，Vx、Vy、Vz分别为x、y、z方向上的速度，P为压力，τij为直角坐标系下的应力分量；其中i，j分别代表x、y、z方向。

1.4 材料模型

本文中所用到的新型可降解塑料主要成分是淀粉，此种可降解材料在机头中形成的熔体也属于非牛顿流体，常用黏弹性流体本构方程［9］，其中Bird-Carreau模型，能反映在高低剪切速率下的熔体流动行为。Bird-Carreau模型表达如式（5）所示。

式中η0——零剪切黏度，值为10 000

λ——松弛时间，值为0.4

γ——剪切速率

n——幂律指数，值为0.75

在黏弹性材料流动有限元模拟仿真软件Polyflow中选取对应的Bird-Carreau模型，并进行参数设置。

1.5 边界条件

对于此机头流道模型的边界条件设置主要包括：

（1）入口边界：流动入口（inflow），流动为自动（Automatic），体积流速Q=5.65×10-4m3/s；

（2）出口边界：流动出口（outflow），作用零法向力和零切向力（fn=fs=0）；

（3）壁面边界：由于流道壁面无滑移的假设，与机头壁面接触的熔体流速为0，即熔体黏附于壁上［10］，故有Vw=0。

1.6 网格划分及无关性验证

将使用Solidworks建立的流道几何模型导入到Ansys中的Polyflow模块中，通过整体和局部网格控制方法对机头模型进行网格划分［11］。

由于网格的疏密程度对数值模拟计算结果的准确性有很大影响，只有保证网格数量的变化对计算结果基本没有影响时数值模拟的结果才是可依据的。为了降低网格数量的变化对数值模拟结果的影响［12］，以片材机头作为固定模型，在设定边界条件和其他参数后，划分不同数量的网格，网格数量分别为：10.9×104、12×104、13.6×104、16.9×104、20.3×104、26.3×104、31.6×104。如图3所示，对比不同网格数量下的熔体最大出口速度［13］，当网格数量达到约17×104后，熔体最大出口速度波动更为平稳，相邻解误差小于5%，说明网格数量达到约17×104后，网格对计算结果的影响在可接受范围，满足网格无关性的要求。

图3 不同网格数量下熔体的最大出口速度Fig.3 Maximum outlet velocity of melt at different mesh quantities

最终网格划分后的机头流道如图4所示，节点数为58 470，单元数为169 370。

图4 网格划分Fig.4 Meshing

1.7 机头流道优化

根据工厂实际生产可降解塑料片材的问题反馈，片材挤出机头挤出时出口处流动性不均匀，部分出口处易堵塞，离模发泡时片材易弯曲卷成波浪状，挤出的片材不规整，也难以成型。问题解决的关键在于对机头流道进口以及内腔的优化设计［14］，片材成品的质量问题和机头流道分析表明，进口处的尺寸过大，导致进口流速以及压力不够，熔体无法在机头内均匀遍布，同时流道各转折面没有圆角，阻碍熔体推进的不均匀和堵塞，流道中间面未设置分散角［15］，导致流道内挤出压力分布不均匀。

针对上述分析，对机头流道进行了优化设计，将流道入口段直径从240 mm减小为180 mm，入口段后的第一个转折面添加半径为40 mm的圆角进行过渡，后面每段流道之间的转折面添加半径为55 mm的圆角进行过渡，并对流道扩展段及压缩段的上下部分中间表面下凹14 mm形成圆弧凹面。流道优化部分的结构示意如图5所示，优化前后的流道模型对比如图6所示。

图5 机头流道优化示意图Fig.5 Schematic diagram of nozzle flow channel optimization

图6 流道模型优化对比Fig.6 Comparison of runner model optimization

2 结果与讨论

2.1 速度场分析

原始机头流道和优化流道的熔体速度场数值分析如图7所示。机头流道从机头入口段向扩展段延伸，流道内部此时开始扩展，熔体开始散开向前流动，此时的流速较小，同时靠近流道壁面的流速也相对较小；由速度场水平截面分布可看出从机头的压缩段向成型段机头流道内的流速逐渐增大，在机头挤出段机头流道内流速达到最大值。

图7 机头流道熔体速度场数值分析Fig.7 Numerical analysis of melt velocity field in the nozzle runner

图8为机头流道优化前后不同截面出口速度分布对比。可以发现优化后的机头流道整体流速得以提升，机头出入口段流速有了明显提升，在扩展段，流道速度几乎相同。

图8 优化前后不同截面出口速度分布对比Fig.8 Comparison of export velocity distribution of different sections before and after optimization

2.2 压力场分析

原始机头流道和优化流道的熔体压力场数值分析如图9所示，通过机筒内双螺杆挤出结构将原料挤压推送至机头内，从机头入口段至压缩段流道内的挤出压力都很大，从压力场水平截面分布可以看出流道压缩段尾段挤出压力开始逐渐减小，直至机头出口处降至最低，表面熔体在机头内部受挤出压力向前推进，直至最后挤出成型为片材。

图9 机头流道熔体压力场数值分析Fig.9 Numerical analysis of melt pressure field in the nose runner

通过图10可以看出机头流道优化前后不同截面出口压力分布变化。

图10 优化前后不同截面出口压力分布比较图Fig.10 Comparison chart of outlet pressure distribution of different sections before and after optimization

优化后的机头流道在机头成型段出口之前，每一段的挤出压力都有着显著提升，使机头内的熔体被更加充分地挤压，提升了充模速度、熔体流率和机头流道内成型段的压力降，有利于充分离模发泡。通过优化，更符合可降解塑料片材离模发泡的特性，有利于片材的挤出成型。

2.3 剪切速率场分析

原始机头流道和优化流道的熔体剪切速率场数值分析如图11所示。原始流道的剪切应力较大的地方主要在成型段，且存在应力集中。优化后，流道内最大剪切速率有所提高，但成型段中间区域的剪切应力有所减少，并且最大剪切速率和剪切应力靠近两侧壁面，从而改善中间区域发生片材挤出时扭转变形的状况。

图11 机头流道熔体剪切速率场数值分析Fig.11 Numerical analysis of melt shear rate field of machine head runner

图12是机头流道优化前后不同截面出口剪切速率分布对比，优化后的机头流道在前半部分和后半部分剪切速率都有所提升，特别是出口处的剪切速率提升更明显。剪切速率越大，熔体在流道内受到的拉伸拖拽效果就越强，越有利于物料的混合。

图12 优化前后不同截面出口剪切速率分布对比Fig.12 Comparison of outlet shear rate distribution of different sections before and after optimization

根据优化流道的剪切速率场分布可以看出优化后的流道的剪切应力更加靠近两侧壁面，减少了成型段中间区域的剪切应力，从而可以更好的改善片材机头挤出片材时中间易产生波浪状扭转形变的问题，使得挤出的片材更加平整，减少片材机头流道出口两侧的堵塞。

2.4 实验验证

如图13所示为现场分别使用原始片材机头和优化后的片材机头挤出可降解塑料片材成品的对比图。可以看出左图中原始片材机头挤出的可降解塑料片材两侧有毛边，其原因是挤出片材时机头两侧有部分堵塞，导致了挤出的片材并不完整，两侧有明显的缺少，并且在挤出片材后还需要卸下机头对内部流道内堵住的余料进行清理。由于挤出机头内部流道结构还需优化，机头挤出时剪切应力、挤出压力以及速度的大小及分布存在问题，挤出的片材存在波浪状褶皱，形变较大，难以使用，无法使得生产的片材达到客户的需求。

图13 片材机头流道优化前后挤出片材效果对比Fig.13 Comparison of extruded sheet effect before and after sheet head flow channel optimization

右图通过对片材机头的入口直径、转折面以及分散角的修改优化，使得优化后的片材机头挤出的片材表面平滑均匀，消除了波浪状褶皱，片材更为完整，机头两侧边缘没有堵料，从而解决了可降解塑料片材从机头挤出离模发泡后两侧的毛边问题，最终使得生产的可降解塑料片材更好地达到使用效果。

3 结论

（1）针对挤出的可降解塑料片材不完整且表面有明显褶皱问题，对现有机头流道挤出过程进行模拟，根据分析结果对机头流道进行了优化，将流道入口段直径从240 mm减小为180 mm，入口段后的第一个转折面添加半径为40 mm的圆角进行过渡，对后面每段流道之间的转折面添加半径为55 mm的圆角进行过渡，并对流道扩展段及压缩段的上下部分中间表面下凹14 mm形成圆弧凹面。

（2）通过对流道的优化改进，提高了机头流道内整体流速，减少了熔体在流道内停留时间，提高了出入口的熔体流动性；提高了流道成型段出口面之前的整体挤出压力，增加了流道内成型段的压力降，有利于可降解塑料充分离模发泡成型；减少了成型段中间区域的剪切应力的集中分布，改善机头中间区域片材挤出时扭转变形的状况。

（3）优化后的片材流道通过了现场测试，解决了挤出的可降解塑料片材不规整且表面容易出现波浪状褶皱的状况，能够更好地满足可降解塑料片材产品的需求，实现绿色制造。