密炼机混炼过程的有限元模拟的发展近况.doc

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Therefore, it takes less time to product new type production than before. And in this paper, the development of FEM is summed up. Keywords: internal mixer, FEM, development过去人们开发一种新型转子或密炼机的某个部件或者进行配方设计或改进加工工艺，需花费大量的人力和物力，才能得出结论。进行转子或某个部件的性能实验，还要制造出这些部件和机器，然后才能实验，再进行生产考核，因此周期长、花费大。而现在人们利用CAE软件可画出装有新型转子或者新开发的某个部件的密炼机，然后利用有限元分析软件，可在计算机上模拟各种不同条件的混炼过程，从而可得新开发的转子、某个部件乃至整台密炼机以及各种配方的性能优劣，或加工工艺的可行性等，并可快速进行修改，最后达到满意的结果，减少了人力和物力消耗、缩短了新产品的开发时间。在进入八十年代后，随着计算机科学、数学、流变学、传热学等相关科学的发展，对混炼理论的研究也进入到一个更加深化并实用的年代。各种实验手段及先进仪器设备的问世，使理论研究更加精确，特别是采用可视化技术后，由过去人们想像中的物料运动发展到能观察物料在转子上真实的流动情况。并由过去提出与实际情况相差较大的假设条件逐渐向接近实际情况的研究进展。人们开始在原经典混炼理论的基础上利用现代化工具计算机开展了模拟性研究，并通过实验加以验证。以六、七十年代的粘性流体理论和八十年代的粘弹性固体理论为基础，广泛对聚合物在密炼室内和转子上的运动及流变行为进行深入地研究，其中，许多研究涉及到三维流动和三维有限元，其方程的求解也趋于复杂，解析解很难求出，多数方程用数值解，在计算机的辅助计算下方能完成。1密炼机混炼过程模拟的前沿动态国外的文献1、2上很早就有关于密炼机流场的一维模型和二维模型，运用边界元法进行的密炼机流场的相关模拟。从一些文摘来看，国外近几年从事密炼机流场模拟研究的比较多，国外在流场模拟方面的技术已经趋于成熟3，但很难查阅到详细的资料。最近的资料显示，世界上几家大的橡胶机械企业可能已经做得比较完善，在开发新产品的时候，已经是完全依赖于计算机模拟的计算，来确定新产品的性能，及制定相关的参数和工艺优化。但由于技术保密等原因，还迟迟未在学术文章上进行报到，据文献4、5中论述，采用的方法是三维真实三维流场的模拟，在有限元模型中橡胶材料采用的是幂律流体本构模型，假设在全充满的状态下，对等温流场进行的分析，对于后处理结果得定性分析也取得了很大的进展。现在国内关于这方面的研究都在起步阶段，关于挤出机的研究已经有一定的成果，而关于密炼机的还很少，到目前为止，国内关于密炼机混炼过程中传热和流动模拟方面的研究仍限于简单的混炼理论及模型建立理论分析，目前基本上都是实验方面和实际生产方面的研究，对密炼机混炼过程进行系统的计算机模拟的几乎没有，所以密炼机模拟的基础工作极待加强。密炼机的温度场模拟国外资料很少，国内温度场数值模拟也是仅限于理想状态下的二维分析6，还很不成熟，需要进一步进行复杂边界条件加载的模拟。2国外聚合物加工模拟及有限元软件的开发概况目前，国际上计算机模拟技术在聚合物加工领域中的应用己颇为广泛，其软件开发状况如下：ADNIA是全球最流行的有限元分析软件7，ADINA公司将其定位为大型商业有限元求解软件，专注求解结构、流体、流体与结构耦合等复杂非线性问题。其功能强大，在温度分析方面可以求解由传导、对流、辐射引起的传热问题，进行稳态及瞬态温度场分析，可以考虑流体（透明介质）辐射、相变、单元死活及边界条件的变化。澳大利亚MOLDFLOW公司的MOLDFLOW系列软件，它主要包括用计算机模拟流动分析、冷却分析、气体辅助成型分析、注塑工艺参数优化、翘曲分析、收缩分析等； 美国的AC-Tech 公司研制的三类软件C-FLOW（模拟流动分析）、C-COOL（模拟冷却分析）、C-PACK（模拟保压分析）；SDRC公司研究制作出了Polyfill （模拟填充分析）、Polycool（模拟冷却分析）软件等； GRATEK公司开发出了注射模CADCAMCAE系统，该系统包括SIMUCOOL（二维注射流动分析软件）、OPTIMOLD（三维几何形状描述软件）、SIMUFLOW3D（三维有限元流动分析软件）、SIMUCOOL（冷却分析软件）；OPTIMOLD 标准模架（美国DME标准）选择软件 等部分； IBM-CNRC公司、Compuplast公司及CMold公司等也相继开发出了类似的软件。美国和意大利Plastics & Computer Inc公司研制的TMCONCEPT专家系统，包括了TMC一MS（材料选择）、TMCMCO（注射工艺条件和模具费用优化）、TMCFA（注射流动分析）、TMCCSE（型腔尺寸设计和模具传热分析）等功能模块。德国IKV研究所研制的CADMOLD软件不但具有流动模拟及冷却分析功能，还能进行模具的结构设计及强度与刚度计算；BASF公司开发出用于吹塑模拟的三维软件包；FluentInc公司开发的三维有限元软件包能够模拟多层共挤吹塑口模内熔体流动及离模膨胀过程；类似的软件尚有许多。美国PTC公司推出的 ProE软件，是一种全参数化的、基于特征建模技术的、单一数据库全相关技术的CADCAM软件，该软件目前在国内许多大中型塑料加工企业中得到广泛应用。其塑料流动分析（Plastic Flow Analysis）软件具有注塑模过程仿真功能，并具有与ProEngineer集成的功能，它可以直接对实体模型进行操作，可对注射时间、熔结痕、填充度进行分析，预估产品质量，进而对设计提供意见减少模具样机成本。Pro/Engineer本身具有塑料顾问模块，完全可以模拟注塑的全过程进行模拟，并且给出修改意见。世界著名的大型通用工程仿真软件ALGOR 全新介绍，ALGOR作为世界著名的大型通用工程仿真软件，被广泛应用于各个行业的设计、有限元分析、机械运动仿真中。包括静力、动力、流体、热传导、电磁场、管道工艺流程设计等，能够帮助设计分析人员预测和检验在真实状态下的各种情况，快速、低成本地完成更安全更可靠的设计项目。ALGOR以却，并可以包括变粘度流体或非牛顿流体。多物理场耦合分析功能，更加拓展了ALGOR软件的应用广度和深度。世界最先进的流体动力与控制虚拟实验室HyPneu软件给流体动力与运动控制工程师带来了一种全新的能力，运用它，工程师可以建立任意的流体动力模型，并对其进行仿真分析。Fluent 公司，全球最大的计算流体力学软件提供商宣布FloWizard发布。FloWizard是一个高度自动化的、一流的流体模拟工具，在产品研发过程的早期，可以验证产品概念的快速成型。这个功能强大并且使用简单的工具，要求工程师只需具备基本的流体力学知识，就能够依据设计要求选择流体流动和传热模型。同时，FloWizard也是完全可定制的，将对等协作作为一个标准的功能，这样，高级用户就可以对新用户进行技术支持，帮助新用户对模拟结果进行分析。CFDesignv7.0是一个针对Autodesk Inventor, Pro/ENGINEER Wildfire, SolidWorks, Solid Edge, Unigraphics, and I-DEAS等的集成求解工具，对各个规模的工业部门都具有独特的应用价值。新的固体运动模块提供了有效的虚拟实体环境，以加速泵，风扇，吹风机，压缩机，涡轮机，阀，活塞，液压油缸等产品的研发和生产，从而做到低成本高质量。3 计算机模拟软件近些年来的发展和转变3.1由二维扩展为三维 早期计算机的能力十分有限，受计算费用和计算机储存能力的限制，数值模拟程序大多是一维或二维的，只能计算垂直碰撞或球形爆炸等特定问题。随着第三代、第四代计算机的出现，才开始研制和发展更多的三维计算程序。现在，计算程序一般都由二维扩展到了三维，但也有完全在三维基础上开发的，如MSC.DYTRAN，就没有二维功能。 3.2 发展到求解许多物理场问题 数值模拟分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。近年来数值模拟方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。例如内爆炸时，空气冲击波使墙、板、柱产生变形，而墙、板、柱的变形又反过来影响到空气冲击波的传播这就需要用固体力学和流体动力学的数值分析结果交叉迭代求解，即所谓“流固耦合”的问题。3.3从单一坐标体系发展多种坐标体系数值模拟软件在开始阶段一般采用单一坐标，或采用拉格朗日坐标或采用欧拉坐标，由于这两种坐标自身的缺陷，计算分析问题的范围都有很大的限制。为克服这种缺陷，采用了三种方法，一是两个程序简单组合，如CTHEPIC，爆炸与侵彻由不同的程序分开计算；二是在同一程序中采用多种坐标体系，如DYNA3D中早期采用的是拉格朗日坐标，而LSDYNA3D的最新版除原有类型外，新加了欧拉方法以及拉格朗日与欧拉耦合方法，而最近几年才发展的DYTRAN则是拉格朗日型的LSDYNA3D(1988版)与欧拉型的PISCES的整合体；三是采用新的计算方法，如SPH等，SPH法不用网格，没有网格畸变问题，所以能在拉格朗日格式下处理大变形问题，同时，SPH法允许存在材料界面，可以简单而精确地实现复杂的本构行为，也适用于材料在高加载速率下的断裂等问题的研究。 3.4由求解线性工程问题进展到分析非线性问题 随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。诸如岩石、土壤、混凝土等，仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题，只有采用非线性数值算法才能解决。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握。为此，近年来国外一些公司花费了大量的人力和投资，开发了诸如ANSYS、ADINA等专长于求解非线性问题的有限元分析软件，并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库。3.5 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能 早期数值模拟计算软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时间越来越少，而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。在现在的工程工作站上，求解一个包含10万个方程的有限元模型只需要用几十分钟。但如果用手工方式来建立这个模型，然后再处理大量的计算结果则需用几周的时间。可以毫不夸张地说，工程师在分析计算一个工程问题时有80%以上的精力都花在数据准备和结果分析上。因此目前几乎所有的商业化数值模拟程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。在强调“可视化”的今天，很多程序都建立了对用户非常友好的GUI（图形用户界面Graphics User Interface），使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。 3.6 与CAD软件的无缝集成与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成结构设计后，自动生成有限元网格并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求则重新进行构造和计算，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。今天，工程师可以在集成的CAD和数值模拟软件环境中快捷地解决一个在以前无法应付的复杂工程分析问题。所以当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的CAD软件（例如AutoCAD、Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS等）的接口。 3.7工作平台多样化早期的数值分析软件基本上都是在大中型计算机上开发和运行的，后来又发展到以工程工作站（EWS，Engineering Work Station）上，它们的共同特点都是采用UNIX操作系统。PC机的出现使计算机的应用发生了根本性的变化，工程师渴望在办公桌上完成复杂工程分析的梦想成为现实。但是早期的PC机采用16位CPU和DOS操作系统，内存中的公共数据块受到限制，因此当时计算模型的规模不能超过1万阶方程。Microsoft Windows操作系统和32位的Intel Pentium处理器的推出，为PC机用于有限元分析提供了必需的软件和硬件支撑平台。因此当前国际上著名的有限元程序研究和发展机构都纷纷将他们的软件移值到Windows平台上。最新高档PC机的求解能力已和中低档的EWS不相上下。 为了将在大中型计算机和EWS上开发的有限元程序移值到PC机上，常常需要采用Hummingbird公司的一个仿真软件Exceed。这样做的结果比较麻烦，而且不能充分利用PC机的软硬件资源。所以最近有些公司，例如ANSYS、MSC.software等开始在Windows平台上开发有限元程序，大多采用了OpenGL图形编程软件，同时还有在PC机上的Linux操作系统环境中开发的有限元程序包。3.8 软件开发强强联合 由于数值软件的开发是一项长期而艰巨的任务，开发一个通用软件是十分困难的，各家开发的软件由于应用背景的不同而各有千秋，随着数值模拟软件商业化的进展，各数值模拟软件公司为扩大市场，追求共同的利润，出现了强强联合的局面。典型的如ANSYS与Fluent联合，MSC.software软件公司对ABAQUS、LSDYNA3D及PISCES等的购买。 众多相对成熟的大型软件的出现，已经给相关的研究工作，提供了一个相对广阔的平台，为该方面的研究人员节省了大量的编程时间。 4 密炼机模拟尚存在的一些问题目前，从事密炼机模拟方面的研究工作少之又少，主要有以下几方面的原因：（1）实验条件差，为了防止泄露油料或粉料，密炼室被设计成了一个完全密闭的系统，再加上转子在内部高速回转，所以就很难用实验方法直接测量到混炼过程中的各种物理量。例如现在在测量温度的实验中，一般的实验方式是采用热电偶来测量，现在热电偶的灵敏度和以前的产品相比，当然是不可同日而语，但是鉴于安装位置的限制，延迟仍是一个误差产生的主要原因。而且机器的结构决定，不可能立体式全方位地安装热电偶，所以测量的点仍是有限的。这种情况严重影响了实验数据采集的完整性，以致很难建立整个温度场的概念。（2）既使密炼室被设计成透明的，由于混炼时一般都添加炭黑填料，所以聚合物混合的流动和分散情况也变得不可直接观测，又鉴于密炼机工作的不连续性，所以一切测量数据都必须在实验完成后测的，混炼过程中的动态数据就无从得知，密炼室内部工作时的情况变得不可捉摸。（3）软件也存在一定的局限性，现在的通用CFD流体软件是根据工业生产中最常见的流体流动开发出来的，具有一定的通用性，而聚合物熔体具有特殊的非线性粘弹性流变特性，通用CFD软件难以描述聚合物熔体的这种流变特性。例如，通用的CFD软件只能选择很少的流体本构类型，基本上都是线性的或纯粘性的，而聚合物熔体属于非线性粘弹流体，其本构方程非常复杂，远非线性或纯粘性本构关系所能描述的。所针对研究的流体的模型都是理想的，即不考虑物料的弹性，但是粘弹性又是高分子聚合物宝贵而独特的性质。各个量的耦合性很强，给模拟工作带来了难度。参考文献：1 Osswald, T.A., and E. Baur BEM in der Kunststoffverarbeitung Einberblick (BEM in Polymer Processisng A Review), Kunststoffe, 89, 2,1999.2Avalosse, Th., Crochet, M., Finite-Element Simulation of Mixing:1. Two-Dimensional Flow in Periodic Geometry, AIChE J. 43 (3), p.577 (1997).3Hutchinson, B., A.C. Rios and T.A. Osswald ”Modeling the Distributive Mixing in an Internal Batch Mixer, Int. J. Polym. Proc., 16, 315, 19994Avalosse, Th., Numerical Simulation of Distributive Mixing in3-D Flows ,Macromol. Symp. 112, p.91 (1996).5Chih-Hsiang Yao, Ica Manas-Zloczower ,Distributive Mixing in Variable Intermeshing Clearance Mmixers: Simulation and Experiments,Department of Macromolecular Science, Case Western Reserve University ,Cleveland, 19986张志荣“密炼室的温度场分析”，橡胶技术与装备，1997，4:17ADINA User Interface Primer RDINA R&D,Lnc.作者简介：汪传生，安徽安庆人，1960年生，现任青岛科技大学机电工程学院院长，博士生导师,主要从事高分子材料加工机械的教学和科学研究，现为国家新世纪百千万人才工程国家级人选，山东省有突出贡献中青年专家，青岛市技术拔尖人才。张德伟，山东烟台人，1983年生，青岛科技大学在读硕士研究生，主要从事材料加