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零件注射成型过程喷泉与收缩流动仿真及应用
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零件重量以毫克(mg)为度量单位或几何尺寸以微米(μm)为度量单位的微注射成型技术是一门新兴的先进制造技术,其源于传统的宏观注射成型技术,以制造成本低,生产周期短,易实现大规模生产的优点成为世界精密微细结构零件制造技术的研究热点之一。作者采用理论分析、软件仿真和实验测试相结合的方法研究了微注射成型过程的喷泉及收缩流动,对微注射成型模具设计和成型工艺优化具有重要的理论和实践意义。 对微流体流动模型进行了系统研究,为了准确反映微尺度条件下流体流动行为,在流动模型中引入Eringen-Okada微流体粘度模型、表面张力压力计算方程和Rosenlbaum-Hatzikiriakos滑移速度模型,首次建立了考虑分子自身尺度效应、表面张力效应及模壁熔体滑移现象的微流体流动模型,并采用有限元/有限差分法实现模型的数值求解。 在微流体喷泉流动研究中,首次对微尺度流道中牛顿流体与非牛顿流体流动前沿的喷泉流动现象进行了仿真,得到了牛顿流体与非牛顿流体在喷泉流动区域的速度压力分布变化规律,并将微尺度条件下流体喷泉流动的仿真结果同宏观尺度条件下的研究成果进行比较,两者具有一致性;同时,为了研究表面张力效应对喷泉流动的影响规律,在微流体喷泉仿真中首次引入表面张力效应,得出表面张力对微流体前沿喷泉流动区域的速度压力分布影响很小,但其在流体前沿自由表面上产生切向应力使流体前沿的形状出现较大变形。 在微流体收缩流动研究中,首次对微尺度条件下聚合物熔体聚苯乙烯的4:1非等温收缩流动现象进行了仿真,得到了微尺度聚合物熔体非等温平板收缩流动速度、压力及剪切速率分布规律,并与宏观尺度下所得的仿真结果进行比较,两者具有较好的定性一致性;但是,仿真结果对熔体在中心线附近区域温度的预测结果存在误差,说明在仿真微尺度流体流动过程时对能量方程中流体传热项的基本假设及与温度相关的边界条件的设定需要进一步修正。 在微流体流动性能研究中,为了研究微流道截面形状对非等温非牛顿流体流动性能的影响规律,在微流体流动性能仿真研究中,首次引入截面比表面积值实现微流道截面形状的量化。结果表明,微流体在微流道中的流动长度与流道截面比表面积成反比关系,比表面积值越小流动长度越大;小比表面积值处,熔体温度与注射压力对流动长度的影响较大,大比表面积值处,熔体温度与注射压力对流动长度的影响较小,且注射压力对流动长度的影响程度总是强于熔体温度。
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