基于POLYFLOW的汽车密封条挤出口模逆向设计研究*

(贵州交通职业技术学院，贵州 贵阳 550008)

0 引言

挤出成型是聚合物复合材料成型加工的最基本方法，而挤出口模的设计则是决定挤出产品好坏的重要因素。对口模挤出成型的研究主要有两个方面：一是对口模的流道形状进行优化，即挤出成型的口模设计；二是对口模的工艺条件进行优化，即挤出成型的工艺设计[1]。早期的汽车密封条生产企业在对口模的设计和改进过程中，通常采用“试差法”，如图1所示为挤出口模试差法设计过程流程图，该方法的特点是对挤出口模的设计需要不断重复多次的修改，盲目性较大，且新产品的设计试验、口模试制的周期长，设计开发成本高[2]。汽车密封条的挤出成型过程是一个复杂的流体动力学过程，传统的“试差法”无法准确预测其挤出流动行为。随着有限元分析软件的不断完善，数字化设计方法逐步取代“试差法”，成为汽车密封条挤出成型过程流动分析以及口模设计与优化的有效工具。应用高性能计算机来模拟汽车密封条的挤出成型过程，对挤出胀大的行为进行预测成为现实，如图2所示为挤出口模数字化设计过程流程图。

图1 挤出口模试差法设计过程流程图

图2 挤出口模数字化设计过程流程图

近年来，国内外针对汽车密封条的挤出口模设计做了大量的研究，Ana Lucia N.Silva等采用锥板流变仪和毛细管流变仪，对低剪切速率及高剪切速率下EPDM/PP 共混体的流变性能进行测试，通过实验验证了EPDM/PP 共混体的粘度与剪切速率关系符合 Cross 粘性模型[3]；Debbaut.B等对橡胶熔体挤出过程自由表明的变形进行分析，应用计算机流体动力学软件POLYFLOW的逆向挤出功能，采用multimode pom-pom粘弹性模型，对挤出口模内的粘弹性流体进行逆向的三维仿真分析，真实地描述出粘弹性流体挤出成型的口模截面形状[4]。

戴元坎等应用计算机流体动力学软件POLYFLOW对汽车密封条挤出机机头中储料模腔的结构进行分析，通过对比验证口模出口处挤出速度分布及挤出机机头出口处的压力分布来判断储料模腔结构的合理性，从而优选出所需要的储料模腔的流道结构[5]；薛平等应用流体动力学软件POLYFLOW的逆向挤出功能，建立了工字型木塑异型材挤出口模的有限元分析模型，并进行了数值模拟和分析，对工字型木塑异型材的挤出口模进行设计[6]；王刚等应用流体动力学软件POLYFLOW以及Bird-carreau纯粘性模型，研究复杂截面形状的汽车密封条挤出过程中牵引速率的影响，在流量相同的情况下，挤出物的截面面积随牵引速率的增大而减小，牵引速率在1.2v0～1.6v0的范围内，预测的口模形状较为合理[7]。

作者运用计算机流体动力学软件POLYFLOW模拟挤出成型方法，对某款汽车密封条的挤出口模进行逆向设计，通过对密封条熔融体通过口模的挤出流动过程和逆向挤出口模截面形状的模拟分析，提出了一种相对简洁的汽车密封条挤出口模的逆向设计方法，该方法具有普遍的适用性，可以为企业生产中汽车密封条的挤出口模设计提供技术支持。

1 建立模型

1.1 几何模型

根据密封条横截面形状，运用AutoCAD软件绘制出密封条口模横截面图，导入有限元前处理软件GAMBIT绘制出密封条口模内流道图；图3为密封条口模内流道模型图，将该流道分割为四段，进行网格划分并定义输入段为10 mm，过渡段为20 mm，成型段为10 mm，自由表面为40 mm共四个计算域。图4为密封条口模横截面图，其宽为14 mm，高为9.3 mm。图5为密封条口模有限元分析模型。对于流体动力学分析，有限元模型的网格质量与平滑度对结果的精确程度和能否收敛都起着至关重要的作用，本文选用六面体网格单元进行划分。从图5上可以看出该网格分布均匀，质量较高，能显著提高计算精度和收敛速度。

图3 密封条口模内流道模型图(mm)

1.2 本构方程

根据聚合物熔融体和密封条横截面结构，现作如下假定：橡胶熔融体为液体，且具有高黏性，可以认为熔融体为不可压缩流体，流动状态为稳态层流；压力在横截面上的梯度为零；由于熔融体的高黏性，其他惯性力和重力相对于黏性力很小，故忽略不计[8]。

在密封条工厂实际生产中，用来制造密封条的三元乙丙橡胶，其生产工艺与配方是严格固定和保密的，因此密封条生产中一般改变密封条口模的结构来进行新产品的生产。在对密封条口模进行逆向设计时，我们选择的本构方程为Bird-Carreau模型：

(1)

1.3 边界条件的建立

如图6所示为密封条挤出口模三维有限元分析模型的边界条件示意图，现将密封条挤出成型口模的逆向设计边界条件设置为：

1)流动入口边界条件。入口流率Q=1000 mm3/s，流动形态为自动；

图6 挤出口模有限元分析模型的边界条件示意图

2)壁面边界条件。根据研究对象的不同，选用不同的毛细管壁面边界条件：本文考虑无壁面滑移边界条件，流体的法向速度为零(vn=0)，流体的剪切速度为零(vs=0)；

3)自由表面边界条件。自由表面的橡胶熔体法向应力为零(fn=0)，法向速度为零(vn=0)；

4)流动出口边界条件。自由挤出，在不考虑外力牵引的条件下，忽略重力和惯性的影响，即橡胶熔体与口模壁面间的法向应力为零(fn=0)，剪切应力为零(fs=0)。

1.4 整体网格重置

在密封条挤出口模逆向设计中，由于自由表面、成型段和过渡段的网格会随着由熔融体挤出胀大现象引起的自由表面位置变化而变化，因此，自由表面、成型段和过渡段都需要进行网格重置。根据边界点位置变化重新定义内部网格节点：首先，口模成型段为需预测的目标等截面流道，将其定义为网格重置区域和预测固定截面；其次，定义口模过渡段为网格重置区域和预测适应性界面，使其网格变化随着成型段变化；最后，将自由表面设置为网格重置区域，其网格重置方法选择适用于网格变形较大的三维挤出成型获逆向挤出问题的三维优化网格法(Optimesh 3D)。进行模拟计算时，若因密封条熔融体非线性特性，出现不收敛的情况，就需要使用参数渐进法先进行处理，再进行计算。

2 计算结果分析

2.1 汽车密封条逆向挤出流动特性的分析

通过三维逆向挤出设计，得到密封条口模内流道熔融体挤出胀大图，如图7所示，熔融体在密封条口模内流道都是随着流道缩小，到成型段出口后出现急剧膨胀现象，完全膨胀后得到密封条最终形状。图8为入口口模速度场分布图，从图中可以看出密封条熔融体在口模内流道的流动，输入段入口处的速度是完全发展的，靠近壁面位置的部位由于摩擦力和流体自身黏性流速最低，速度由外向内逐步升高，同时形成许多等速线，使速度呈阶梯型，输入段入口处的中心区域速度最大。图9为逆向挤出口模内速度流线图，可以看到密封条熔融体在口模内的流动轨迹。密封条熔融体进入输入段、过度段和成型段时，流速随着口模横截面积的减小而增大，在通过成型段，进入自由表面后密封条熔融体速度梯度在出成型段后的一段距离消失，且由于没有壁面效应的影响，此时密封条熔融体速度变为常数。图10为逆向挤出口模内各点流速与位置关系，图中0～10 mm区域速度分为很多条等速线，且保持不变。在10～30 mm区域由于口模横截面积的减小流速增加较快，在过渡段与成型段交界30 mm处达到最大值62.5 mm/s。在30～40 mm区域流速由于成型段横截面不变，流速保持较恒定速度流动。在40～80 mm区域自由表面段的流速急剧减小，随后密封条熔融体速度变为常数。

图7 密封条口模内流道熔融体挤出胀大图

图10 逆向挤出口模内各点流速与位置关系

密封条熔融体进入流道后，流体速度迅速增大，此处密封条熔融体受到剧烈的拉伸形变，速度急剧增加，发生收缩流动；进入过渡段流道后，密封条熔融体经历一段距离后，其速度才充分发展；成型段出口处从中心区域到壁面的速度逐渐减少，速度梯度逐渐增加。当密封条熔融体离开成型段后，呈自由状态，由于之前密封条熔融体的发展在受到限制后突然释放，一方面密封条熔融体在收缩流动的过程中，积累的一部分弹性能得以释放，使得出口处密封条熔融体发生弹性回复胀大；另一方面密封条熔融体靠近中心区域的速度减小，靠近壁面的速度增加，出口处密封条熔融体的速度重新分布，在总流量不变的前提下，密封条熔融体在出口处向外膨胀，直至密封条熔融体的挤出速度均衡分布。

2.2 汽车密封条逆向挤出口模截面形状分析

三维逆向设计密封条挤出口模是根据密封条横截面形状来预测口模横截面形状，模拟过程采用密封条横截面形状为口模内流道几何模型建模进行数值设计，如图11所示为密封条横截面形状图。通过计算机流体动力学软件POLYFLOW对密封条逆向挤出过程进行求解，得到预测的密封条挤出口模横截面形状图，如图12所示。经与企业生产中实际应用的口模进行比对，其形状合理，虽然存在一定的误差，但在可控的范围内，在后期进行细微的调试和修正，便可得到真正用于企业生产所需的口模。

3 总结

本文对汽车密封条挤出口模的逆向设计方法进行研究，建立汽车密封条的几何模型，根据聚合物熔融体的真实材料特性合理选择本构方程进行描述，通过对密封条逆向挤出过程进行求解，经模拟分析得到密封条口模内流道熔融体挤出胀大的原因主要是由熔融体的部分弹性能得以回复和出口处熔融体速度的重分布引起的。预测出挤出口模横截面的形状图，经与企业生产中实际应用的口模进行比对，其形状合理，该方法可以有效地预测口模形状，大幅度减少设计和修模时间，且成本低，具有重要的指导意义。

[1] 赵建才.聚合物挤出成型模拟技术的研究及应用[D].上海：上海交通大学，2004.

[2] 龚灯.聚合物熔体真实黏度的模拟及实验分析 [D].北京：北京化工大学，2011.

[3] SILVA ALN，ROCHA MCG，COUTINHO FMB.Study of rheological behavior of elastomer/polypropylene blends[J].Polymer testing，2002，21(3)：289-293.

[4] DEBBAUT B，MARCHAL T.Numerical simulation of extrusion process and die design for industrial profile，using multimode pom-pom model[J].Plastics Rubber & Composites 200837 (2-4)：142-150.

[5] 戴元坎.汽车橡胶密封条挤出成型过程的计算机模拟研究 [D].上海：上海交通大学，2008.

[6] 薛平，赵永生，王哲，等.逆向挤出在木塑异型材挤出口模设计中的应用[J].现代塑料加工应用，2005，17(6)：54-57.

[7] 王刚，赵建才，周持兴，等.牵引速率对EPDM密封条挤出过程的影响分析及口模设计[J].中国塑料，2005(3)：59-62.

[8] 熊巧巧，陈启鹏.基于POLYFLOW的汽车密封条挤出口模结构优化[J].贵州科学，2015，33(6)：20-23.