ANSYS POLYFLOW在挤出工艺仿真中的应用探索

本文通过优化模具通道的案例进行分析和讲解，拆分了该案例的优化步骤，从而清楚地了解到ANSYS POLYFLOW在挤出工艺中的重要作用。

挤出成型是聚合物、玻璃及食品加工连续性生产工艺的重要方法。由于聚合物在拉伸和挤压过程中表现出复杂的粘弹性行为，因此熔体在模具中和自由端的流动行为非常复杂。

目前主要采用实验方法和数学解析的方法来进行研究，前者由于需要反复模具试制、多次试模才能得到合格的产品，且一类经验在其他类型产品中复制性差，造成生成时间周期长，难以满足激烈的市场竞争需求；对于数学解析的方法，随着流变学的发展和计算机技术提高，使这种方法越来越成熟，ANSYS POLYFLOW经过多年的发展，目前已包括丰富的求解功能：

• 可以求解的网格类型多

包括三角形、四边形、四面体、六面体等，网格变形工具包括网格叠加技术、网格自适应、网格重构，适应求解网格大变形问题；

• 对于前处理软件有很好的接口

可以读入ANSYS meshing、ICEM、GAMBIT网格工具生成的网格；

• 丰富的求解模型

包括牛顿流体、广义牛顿流体、粘弹性流体等多种流变模型。

因此，POLYFLOW特别适合应用于聚合物成型加工、玻璃工业及食品行业中的材料流动模拟。在塑料产品加工行业应用包括挤出成型、吹塑成型、拉丝、涂覆工艺的流动、传热问题。

01POLYFLOW在挤出成型中的优化应用

在挤出成型中，挤出产品的形状是挤出口模设计的一个重要目标，而挤出胀大现象给具有形状和尺寸要求的模具设计带来了一定难度。

另外，熔体流出口模截面速度的差异，同样会造成产品内应力增大，造成产品变形严重。对此，我们可以通过优化模具内部通道，改善出口截面流速的差异，一般速度差异控制在2倍以内便可接受。下面我们通过一个优化模具通道的案例具体讲解。

如图1所示，是通过逆向口模设计方法设计的口模出口截面形状，这是一个结构比较复杂的密封件。

图1 口模截面形状

首先我们假设口模后端的进料口比较均匀，如图2示。

图2 模型与网格

然后做初步分析，获得初步的截面速度，如图3示。

图3 截面速度分布

在图3中，我们可以看到初步分析结果，出口截面的速度分布云图，最大速度与最小速度差6倍以上。

为了增大速度较慢区域的速度，我们将在颗粒太慢的地方(即局部流量太小的地方)，增加进口处截面面积，这更有利于颗粒在局部流动，从而增加流速，这也是最常用和较为有效的方法。

如图4所示，在模具背后进口位置，对应出口速度小的位置，加大进口截面积；对应出口速度高的位置，减小进口的截面积。

图4 模具背部进口截面

如图5是口模出口截面的速度分布图，相比原来没有优化的分布图，速度差异已经减小，但还不满足要求，需要进一步优化。

图5 口模出口截面速度分布

如图6，再次更改后的口模背后形状，将速度慢的进口界面积继续加大，出口速度快的减小。

图6 口模进口截面

图7是第二次修改后口模出口截面的速度分布图，可以看到速度差异已经大大减小，只有部分偏高。

图7 口模出口截面速度分布

我们可以进行第三次修改，如图8所示。

图8 口模进口截面

图9是第三次修改后，口模出口截面速度分布图，可以看到速度差异基本控制在2倍以内，达到优化目标。

图9 第3次修改口模出口截面速度分布

图10是最后确定的口模形状。

图10 最后确定的口模形状

■ 计算过程中使用了几个Polyflow技术，由于挤出段自由表面的存在，增加了计算的非线性，Polyflow先进的自动求解技术提高了求解的稳定性；

■ 同时也用到了渐进算法（evolution），以此逐渐靠近我们的求解目标，改善由于参数变化大引起的不收敛问题；

■ 我们还用到了网格重构功能，通过改变网格节点位置，保证网格的质量和求解精度。

02总结

综上，我们可以清楚地知道ANSYS POLYFLOW在挤出工艺中的重要作用，了解POLYFLOW在挤出口模中的应用流程；关于进一步的深入讲解，以后的文章中还会继续展示。

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