STAR CCM铸造奇观:液膜铸造工艺的深度剖析

案例演示利用STAR CCM 计算聚合物熔体液膜铸造过程。

1 问题描述

在工业中,液膜铸造是生产薄聚合物薄膜的常用方法。薄膜通常用于食品和纺织包装、弹力包装或塑料袋等应用场景。STAR-CCM 提供的液膜铸造模型和自由表面模型可对该过程进行模拟,并研究各种参数对生成的薄膜的影响。

在液膜铸造过程中,聚合物熔体穿过扁平狭缝模拉伸到冷却辊上,并在辊子上快速冷却。冷却辊的速度高于模具出口处的熔体速度。此速度比称为拉伸比,导致聚合物在拉伸流中被拉伸和定向。材料介质属性和液膜铸造工艺条件对液膜形成有显著影响。


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该图显示聚合物膜如何在由于质量守恒而退模后在宽度(缩口)和厚度方面减小。液膜铸造工艺取决于影响液膜形成的多个参数,包括:

  • 初始膜宽度:0.2 m
  • 模具出口处的液膜厚度:0.46 mm
  • 液膜长度 - 模具出口和液膜与冷却辊之间接触点之间的距离:0.23 m
  • 拉伸比 - 定义为冷却辊上的液膜速度与模具出口处的速度之比:


本教程演示如何在 STAR-CCM 中对聚合物熔体的液膜铸造拉伸建模。您创建的几何体和网格仅对液膜自身进行建模。模具和冷却辊不计入几何,但其影响作为边界条件应用。计算网格为二维,并描述膜的宽度和长度。网格的最初形状是矩形,宽度为初始膜宽度。沿拉伸方向的膜宽度变化由自由表面模型计算得出。在稳态模拟过程中,网格根据预测的膜宽度使用变形器进行变形。液膜厚度不由网格解析,但通过液膜铸造模型作为标量计算,您可以分析其在二维网格上的分布状况。由于工艺配置基于中心线对称,因此只需对几何体的一半建模。

2 几何建模

  • 启动STAR CCM 2021.2并新建Simulation
  • 鼠标右键点击模型树节点Geometry > 3D-CAD Models,选择弹出菜单项New进入3D-CAD模式
  • 鼠标右键选择模型树节点XY,点击弹出菜单项Create Sketch创建草图

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  • 创建如下图所示尺寸的草图

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  • 右键选择节点Sketch 1,点击菜单项Extrude

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  • 采用默认参数进行拉伸

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3 创建参数

  • 右键选择模型树节点Tools > Parameters,点击弹出菜单项New → Vector创建新的节点,修改节点名称为Die Exit Velocity

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  • 定义向量的值为[0.0043, 0, 0] ,指定其量纲为Length/Time

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  • 创建另一个Scalar参数,命名为 Die Exit Film Thickness,按下图所示进行参数指定

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  • 创建一个无量纲scalar参数,命名为Draw Ratio,按下图所示进行参数指定

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4 创建初始薄膜网格

  • 鼠标右键选择模型树节点Geometry > 3D-CAD Models > 3D-CAD Model 1,点击弹出菜单项New Geometry Part,弹出对话框中采用默认参数,将几何转化为零部件


  • 右键选择模型树节点Parts > Body 1 > Surfaces > Default,点击弹出菜单项Split by Angle… 分割几何面

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  • 右键选择模型树节点Operations,点击弹出菜单项New → Mesh → Badge for 2D Meshing

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  • 弹出的对话框中选择Body 1部件,并激活选项Execute Operation Upon Creation,点击OK按钮关闭对话框

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  • 右键选择模型树节点Parts > Body 1,点击弹出菜单项Assign Parts to Regions…

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  • 弹出对话框中采用下图所示设置,依次点击Apply及Close按钮确认并关闭对话框

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  • 右键选择模型树节点Operations,点击弹出菜单New → Mesh → Directed Mesh

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  • 弹出对话框中选择几何部件Body 1,点击OK按钮关闭对话框

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  • 右键选择节点Directed Mesh,点击弹出菜单项Edit… 打开网格设置面板

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  • 在网格设置面板中,指定Source Surfaces为Body 1.Default 4

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  • 指定Target Surfaces为Body 1.Default 3

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  • 右键点击节点Source Meshes,选择菜单项New Source Mesh → Patch Mesh

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  • 弹出对话框中选择Body 1,点击OK按钮关闭对话框

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  • 在设置面板中点击按钮Auto-populate feature edges with patch curves

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  • 设置Mode为Patch Mesh,如下图所示指定两个长边,设置Number of Divisions为100,点击Apply按钮确认

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  • 相同方式指定短边网格数量为60

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  • 右键选择节点Mesh Distributions,点击菜单项New Volume Distribution

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  • 弹出对话框中选择Body 1,点击OK按钮关闭对话框

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  • 右键选择模型树节点Directed Mesh,点击菜单项Execute生成计算网格

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计算网格如下图所示。

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5 选择物理模型

  • 右键选择模型树节点Physics 1,点击菜单项Select Models… 打开模型选择对话框

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  • 选择以下物理模型
  • Two Dimensional
  • Steady
  • Liquid
  • Viscous Flow
  • Viscoelastic
  • Film Casting
  • Viscous Energy
  • Viscous Radiation Model

模型选择完毕后如下图所示。

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  • 选中模型树节点Models > Free Surface,设置Extrusion Direction为X

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  • 选中模型树节点Tools > Motions > Morphing,指定Morpher Method为BSpline

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6 指定材料参数

  • 修改节点Physics 1 > Models > Liquid > H2O名称为Polymer
  • 进入节点Polymer > Material Properties,按下表参数进行设置

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7 设置液膜边界条件

薄膜从模具出口以0.0043 m/s的速度进入计算域。初始时刻薄膜厚度为0.46 mm,温度为400 K。薄膜通过受约束的自由流边界被拉出区域,牵引速度为:

由于假定薄膜是对称的,因此案例中只模拟了一半宽度。在中心线位置应用滑动壁面边界条件;薄膜的侧面为自由表面。自由表面的形状由自由流位移边界建模,该边界根据计算的膜宽度移动。

  • Regions > Film > Boundaries > Body 1.Default,修改其名称为Film Inflow,并指定其类型为Velocity Inlet
  • 鼠标双击节点Film Inflow,如下图所示设置边界参数

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  • 修改边界Body 1.Default 2名称为Centerline

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  • 修改边界Body 1.Default 5名称为Film Free Surface,并修改其类型为Free Steam
  • 选中模型树节点Film Free Surface > Physics Conditions > Morpher Specification,设置Specification为Displacement

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  • 修改边界Body 1.Default 6名称为Chill Roll,并修改其类型为Free Steam
  • 鼠标双击模型树节点Chill Roll,弹出参数设置对话框,如下图所示设置参数

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8 指定液膜换热

  • 鼠标双击模型树节点Regions > Film,设置以下参数

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9 绘制液膜宽度与厚度曲线

1、绘制液膜宽度

  • 右键选择模型树节点Plot,点击弹出菜单项New Plot > XY Plot,修改新创建的节点名为Film Width
  • 选中节点Film Width,指定Parts为Film Free Surface

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  • 设置X轴
  • 选择节点Film Width > X Type,指定Data Type为Scalar
  • 选择节点X Type > Scalar Function,指定Field Function为Position > Laboratory > X
  • 设置Y轴
  • 选择节点Film Width > Y Types > Y Type 1,激活选项Smooth Value
  • 选择节点Y Type 1 > Scalar Function,指定Field Function为Position > Laboratory > Y


2、绘制液膜厚度

  • 右键选择模型树节点Plot,点击弹出菜单项New Plot > XY Plot,修改新创建的节点名为Film Thickness
  • 选中节点Film Thickness,指定Parts为Chill Roll
  • 设置X轴
  • 选择节点Film Thickness > X Type,指定Data Type为Scalar
  • 选择节点X Type > Scalar Function,指定Field Function为Position > Laboratory > Y
  • 设置Y轴
  • 选择节点Film Thickness > Y Types > Y Type 1,激活选项Smooth Value
  • 选择节点Y Type 1 > Scalar Function,指定Field Function为Film Thickness

10 设置停止标准

  • 右键选择模型树节点Stopping Criteria,点击菜单项New Monitor Criterion…

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  • 弹出对话框中选择ExtraStress1,点击OK按钮关闭对话框

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  • 如下图所示将Film Thickness、Momentum、Temperature添加到Monitor中

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  • 如下图所示设置终止标准为Relative Change

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  • 如下图所示设置Relative Change为1e-8

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  • 选中节点Material Relaxation,属性窗口中取消激活选项Enable,如下图所示

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11 进行计算

  • 点击菜单Solution → Run开始计算

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12 计算结果

  • 液膜宽度变化

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  • 液膜厚度变化

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  • 厚度分布

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  • 温度分布

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  • 速度矢量图

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注:本算例取自STAR CCM 随机算例。


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