基于數(shù)值模擬的水輔共注成型過程多因素耦合分析與優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義在材料成型領(lǐng)域，隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，對材料成型工藝的要求日益提高，新型成型技術(shù)不斷涌現(xiàn)。水輔共注成型技術(shù)（Water-AssistedCoinjectionMolding，WACM）作為一種先進(jìn)的聚合物多組分成型技術(shù)，近年來受到了廣泛關(guān)注。它是將水輔助注射成型與共注成型相結(jié)合的創(chuàng)新工藝，在制造高性能、低成本的多層復(fù)合塑料制品方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，具有良好的應(yīng)用前景。水輔共注成型技術(shù)的發(fā)展并非一蹴而就，而是在傳統(tǒng)成型技術(shù)的基礎(chǔ)上逐步演進(jìn)而來。20世紀(jì)70年代初期，就有人提出采用注射液體（如水、油或聚合物溶液）成型空腔制品的方法，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)不成熟，水的使用效果不夠理想，該技術(shù)被暫時(shí)擱置。隨著科技的進(jìn)步，特別是氣輔注塑成型技術(shù)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，為水輔注塑技術(shù)的發(fā)展提供了借鑒。一些生產(chǎn)氣輔注塑設(shè)備的供應(yīng)商開始對原有設(shè)備進(jìn)行改造，以適應(yīng)水輔注塑工藝的需求，注塑機(jī)制造商也積極參與到水輔注塑成型技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用中，使得水輔注塑成型工藝在歐洲逐漸走向成熟。在此基礎(chǔ)上，水輔共注成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它融合了共注成型和水輔成型的優(yōu)點(diǎn)，既具有循環(huán)時(shí)間短、制品表面無縮痕、可成型薄壁和內(nèi)表面光滑制品、節(jié)省材料等水輔注射成型的特點(diǎn)，又能成型多功能、高性能、低成本的多層復(fù)合塑料制品。2004年，德國杜塞爾多夫首次展示了水輔助共注射成型的直徑35mm的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻管，該管采用耐高溫的聚酰胺作為外層，具有光滑內(nèi)表面并能抗水/乙二醇發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液水解的聚丙烯作為內(nèi)層，引起了歐洲汽車制造廠商的關(guān)注與興趣，進(jìn)一步推動(dòng)了水輔共注成型技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。在當(dāng)今制造業(yè)中，水輔共注成型技術(shù)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在汽車制造領(lǐng)域，常用于生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水管、廢氣管、機(jī)油管、機(jī)油標(biāo)尺套管、氣門室罩蓋、后視鏡支架、后視鏡外殼、行李支架、門把手、座椅調(diào)節(jié)把手和踏板等零部件。例如，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水管對材料的耐高溫、耐腐蝕性以及內(nèi)壁光滑度要求較高，水輔共注成型技術(shù)能夠滿足這些要求，生產(chǎn)出性能優(yōu)良的冷卻水管，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的正常冷卻，提高汽車的整體性能和可靠性。在消費(fèi)品領(lǐng)域，辦公家具的手柄、托架，家電的把手，玩具，超市手推車，割草機(jī)扶手等也常采用水輔共注成型技術(shù)制造。這些制品不僅需要具備良好的外觀和手感，還需要一定的強(qiáng)度和耐用性，水輔共注成型技術(shù)可以通過選擇合適的材料和工藝參數(shù)，生產(chǎn)出滿足這些需求的產(chǎn)品，提升產(chǎn)品的品質(zhì)和市場競爭力。在工業(yè)品領(lǐng)域，運(yùn)輸用條板箱、大型儲(chǔ)料桶、儲(chǔ)物箱和獨(dú)輪車的車架等也可利用該技術(shù)成型，能夠提高制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。盡管水輔共注成型技術(shù)具有諸多優(yōu)勢且應(yīng)用廣泛，但該成型工藝屬于三維、瞬態(tài)、非等溫的復(fù)雜過程，成型機(jī)理十分復(fù)雜。其工藝屬液-熔-熔三相分層流動(dòng)成型過程，與傳統(tǒng)的共注成型、氣輔共注成型和水輔注射成型有著本質(zhì)區(qū)別，現(xiàn)有的相關(guān)研究成果難以直接應(yīng)用于水輔共注成型。在實(shí)際生產(chǎn)中，工藝參數(shù)的選擇對制品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著至關(guān)重要的影響。不同的內(nèi)層注射量、外層注射量、注水溫度、注水速度、注水延遲時(shí)間、內(nèi)層熔體溫度和模壁溫度等參數(shù)組合，會(huì)導(dǎo)致熔體和水的流動(dòng)行為發(fā)生變化，進(jìn)而影響制品的成型質(zhì)量，如出現(xiàn)壁厚不均勻、表面缺陷、內(nèi)部應(yīng)力集中等問題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致制品報(bào)廢。如何優(yōu)化工藝參數(shù)，提高成型質(zhì)量和效率，成為水輔共注成型技術(shù)應(yīng)用中亟待解決的關(guān)鍵問題。數(shù)值模擬技術(shù)作為一種快速、經(jīng)濟(jì)、安全的成型工藝優(yōu)化探索手段，為解決水輔共注成型技術(shù)中的難題提供了有效途徑。通過建立水輔共注成型過程的物理模型和數(shù)值模擬模型，可以深入分析成型過程中的流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜物理現(xiàn)象，揭示成型機(jī)理。利用數(shù)值模擬，能夠在計(jì)算機(jī)上對不同的工藝參數(shù)進(jìn)行模擬分析，預(yù)測成型過程中可能出現(xiàn)的問題，提前優(yōu)化工藝方案，減少實(shí)際生產(chǎn)中的試錯(cuò)成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。數(shù)值模擬還可以為新制品的開發(fā)和工藝改進(jìn)提供理論依據(jù)，推動(dòng)水輔共注成型技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新，使其在更多領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀水輔共注成型技術(shù)作為一種新興的成型技術(shù)，近年來受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，相關(guān)的研究工作主要圍繞工藝特性、數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)研究等方面展開。國外對水輔共注成型技術(shù)的研究起步相對較早。德國作為該技術(shù)的發(fā)源地，在相關(guān)研究和應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位。德國的一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)對水輔共注成型工藝進(jìn)行了深入探索，如德國亞琛工業(yè)大學(xué)塑料加工研究所（IKV）在水輔注塑成型技術(shù)方面開展了大量研究工作，其成果為水輔共注成型技術(shù)的發(fā)展提供了重要的理論支持和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。他們對水輔共注成型過程中的熔體流動(dòng)行為、水的穿透特性以及制品的質(zhì)量控制等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，揭示了一些成型過程中的基本規(guī)律。在數(shù)值模擬方面，國外學(xué)者采用多種數(shù)值方法對水輔共注成型過程進(jìn)行模擬分析。有限元法（FEM）、有限體積法（FVM）和邊界元法（BEM）等是常用的數(shù)值方法。例如，有研究利用有限元法對水輔共注成型過程中的溫度場、壓力場和速度場進(jìn)行了模擬，分析了不同工藝參數(shù)對這些物理場的影響，為工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)研究方面，國外學(xué)者通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對水輔共注成型過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析。他們利用高速攝影技術(shù)觀察熔體和水的流動(dòng)過程，利用壓力傳感器和溫度傳感器測量成型過程中的壓力和溫度變化，從而深入了解成型機(jī)理，為數(shù)值模擬模型的驗(yàn)證提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。國內(nèi)對水輔共注成型技術(shù)的研究相對較晚，但近年來發(fā)展迅速。一些高校和科研機(jī)構(gòu)積極開展相關(guān)研究工作，取得了一系列成果。華東交通大學(xué)的匡唐清、鄧洋基于黏度冪率模型，建立了水輔共注成型充填流動(dòng)過程的瞬態(tài)、純黏性、非等溫的理論模型，并采用有限體積法對水輔共注成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬。他們研究了內(nèi)外層注射量、內(nèi)外層熔體流變指數(shù)比、注水溫度、注水速度、注水延遲時(shí)間、內(nèi)層熔體溫度和模壁溫度等因素對充填過程的影響規(guī)律，并根據(jù)流變學(xué)理論闡述了其影響機(jī)理，為水輔共注成型工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了參考。北京化工大學(xué)等高校也在水輔共注成型技術(shù)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究方面取得了一定進(jìn)展，通過改進(jìn)數(shù)值模擬方法和實(shí)驗(yàn)手段，對成型過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象進(jìn)行了更深入的研究。盡管國內(nèi)外在水輔共注成型技術(shù)的研究方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。在數(shù)值模擬方面，目前的模型大多基于一些簡化假設(shè)，對于成型過程中的一些復(fù)雜物理現(xiàn)象，如熔體的彈性效應(yīng)、熔體與水之間的相互作用、界面的不穩(wěn)定性等，考慮還不夠全面，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差。在實(shí)驗(yàn)研究方面，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測試手段還不夠完善，難以對成型過程中的一些微觀現(xiàn)象進(jìn)行精確測量和分析。此外，對于水輔共注成型技術(shù)在不同材料體系和復(fù)雜制品結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究還相對較少，缺乏系統(tǒng)性和深入性。未來的研究需要進(jìn)一步完善數(shù)值模擬模型，考慮更多的實(shí)際因素，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；同時(shí)，需要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測試手段，加強(qiáng)對成型過程微觀現(xiàn)象的研究；還應(yīng)拓展水輔共注成型技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用研究，推動(dòng)該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。1.3研究內(nèi)容與方法本文旨在深入研究水輔共注成型過程的數(shù)值模擬，通過建立精確的理論模型和數(shù)值模擬方法，全面分析成型過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論依據(jù)，具體研究內(nèi)容如下：建立水輔共注成型過程的理論模型：基于流體力學(xué)、傳熱學(xué)等基本原理，結(jié)合水輔共注成型過程的特點(diǎn)，建立描述熔體和水在模腔內(nèi)流動(dòng)、傳熱的數(shù)學(xué)模型?？紤]熔體的非牛頓特性、熔體與水之間的相互作用以及成型過程中的邊界條件，采用合適的本構(gòu)方程來描述熔體的流變行為，如Cross-WLF型本構(gòu)方程，以準(zhǔn)確反映熔體在不同溫度、壓力和剪切速率下的黏度變化。同時(shí)，對水的流動(dòng)方程進(jìn)行合理簡化和處理，考慮水的不可壓縮性以及其與熔體在流動(dòng)過程中的相互影響，確保模型能夠真實(shí)地反映水輔共注成型過程的物理本質(zhì)。數(shù)值模擬方法的選擇與實(shí)現(xiàn)：選用有限體積法（FVM）對建立的理論模型進(jìn)行數(shù)值求解。有限體積法具有守恒性好、對復(fù)雜幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地處理水輔共注成型過程中熔體和水的三維流動(dòng)問題。在數(shù)值實(shí)現(xiàn)過程中，對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，采用合適的離散格式對控制方程進(jìn)行離散，確保數(shù)值計(jì)算的精度和穩(wěn)定性。利用商業(yè)軟件或自行編寫的程序代碼實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬過程，通過迭代求解離散后的方程組，得到成型過程中不同時(shí)刻熔體和水的速度場、壓力場、溫度場等物理量的分布。分析工藝參數(shù)對成型過程的影響：通過數(shù)值模擬，系統(tǒng)地研究各種工藝參數(shù)，如內(nèi)層注射量、外層注射量、注水溫度、注水速度、注水延遲時(shí)間、內(nèi)層熔體溫度和模壁溫度等，對水輔共注成型過程的影響規(guī)律。分析不同工藝參數(shù)下熔體和水的流動(dòng)行為、溫度分布以及制品的成型質(zhì)量，包括壁厚均勻性、殘余應(yīng)力分布等。通過改變單一工藝參數(shù)，保持其他參數(shù)不變，進(jìn)行多組數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，對比分析模擬結(jié)果，總結(jié)出各工藝參數(shù)對成型過程影響的定性和定量關(guān)系，為實(shí)際生產(chǎn)中的工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模型修正：設(shè)計(jì)并進(jìn)行水輔共注成型實(shí)驗(yàn)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選用合適的材料和模具，按照設(shè)定的工藝參數(shù)進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，利用壓力傳感器、溫度傳感器等設(shè)備測量成型過程中的壓力、溫度等物理量的變化，通過高速攝影技術(shù)觀察熔體和水的流動(dòng)形態(tài)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性和可靠性。若模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在偏差，分析產(chǎn)生偏差的原因，對理論模型和數(shù)值模擬方法進(jìn)行修正和完善，進(jìn)一步提高模型的精度，使其能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測水輔共注成型過程。二、水輔共注成型工藝原理與特點(diǎn)2.1工藝原理水輔共注成型是一種先進(jìn)的聚合物成型技術(shù)，它巧妙地將水輔助注射成型與共注成型相結(jié)合，能夠制造出高性能、低成本的多層復(fù)合塑料制品。其工藝原理較為復(fù)雜，涉及多個(gè)階段和物理過程。整個(gè)成型過程首先是熔體注射階段。在這個(gè)階段，注射機(jī)將兩種不同的聚合物熔體依次注入模具型腔。一般先注入的是芯層熔體，它將構(gòu)成制品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。芯層熔體的選擇通常根據(jù)制品的功能需求，例如對于需要承受一定壓力或具有特殊化學(xué)性能的制品，會(huì)選擇具有相應(yīng)特性的聚合物材料作為芯層。隨后注入的是殼層熔體，殼層熔體包裹在芯層熔體外部，形成制品的外層結(jié)構(gòu)，主要起到保護(hù)芯層和提供良好外觀的作用。殼層熔體的材料選擇也需考慮多種因素，如制品的使用環(huán)境、外觀要求等，像對于需要耐磨、耐候的制品，會(huì)選用具有相應(yīng)性能的聚合物作為殼層材料。在熔體注射過程中，熔體在注射壓力的作用下，克服模具型腔的阻力，逐漸填充型腔空間，熔體的流動(dòng)行為受到多種因素的影響，如熔體的黏度、注射壓力、模具溫度等。熔體的黏度與聚合物的種類、溫度以及剪切速率密切相關(guān)，一般來說，溫度升高，熔體黏度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)；剪切速率增大，熔體也會(huì)出現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象，黏度下降，有利于熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)。緊接著是水注射階段。當(dāng)熔體在型腔內(nèi)填充到一定程度后，通過專門的注水裝置將高壓水注入到芯層熔體的內(nèi)部。水的注入壓力通常較高，以確保水能夠在芯層熔體中順利穿透并推動(dòng)熔體繼續(xù)填充型腔。由于水的溫度遠(yuǎn)低于熔體溫度，在水與熔體接觸的前沿區(qū)域，會(huì)迅速發(fā)生熱量交換，導(dǎo)致熔體冷卻固化，形成一層很薄的塑料膜。這層塑料膜如同一個(gè)高黏度的型芯，一方面對水的流動(dòng)起到約束作用，另一方面進(jìn)一步推動(dòng)聚合物熔體向前流動(dòng)，使得熔體能夠更好地填充型腔的各個(gè)角落，形成中空的制品結(jié)構(gòu)。在這個(gè)過程中，水的穿透行為對制品的最終質(zhì)量有著重要影響。如果水的注入壓力過大或注水速度過快，可能會(huì)導(dǎo)致水沖破熔體，使制品出現(xiàn)缺陷；而如果注入壓力過小或注水速度過慢，則可能無法使熔體充分填充型腔，影響制品的成型效果。水注射完成后進(jìn)入保壓階段。在保壓階段，持續(xù)施加一定壓力，確保制品在冷卻過程中保持形狀穩(wěn)定，并補(bǔ)償由于熔體冷卻收縮而產(chǎn)生的體積變化。保壓壓力的大小和保壓時(shí)間的長短需要根據(jù)制品的尺寸、形狀、材料特性等因素進(jìn)行合理調(diào)整。合適的保壓壓力可以使制品的壁厚更加均勻，減少縮痕、氣孔等缺陷的產(chǎn)生。如果保壓壓力不足，制品在冷卻收縮過程中可能會(huì)出現(xiàn)表面凹陷、內(nèi)部空洞等問題；而保壓壓力過大，則可能導(dǎo)致制品內(nèi)部應(yīng)力過大，影響制品的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性。保壓時(shí)間也至關(guān)重要，過短的保壓時(shí)間無法充分補(bǔ)償熔體的收縮，過長的保壓時(shí)間則會(huì)延長成型周期，降低生產(chǎn)效率。最后是冷卻階段。在冷卻階段，通過模具內(nèi)部的冷卻系統(tǒng)，將制品中的熱量帶走，使熔體逐漸冷卻固化。冷卻介質(zhì)通常為水或其他冷卻液，它們在模具的冷卻通道中循環(huán)流動(dòng)，與模具和制品進(jìn)行熱量交換。冷卻過程的均勻性對制品的質(zhì)量影響很大，如果冷卻不均勻，制品不同部位的收縮程度會(huì)不一致，從而導(dǎo)致制品產(chǎn)生翹曲變形。為了保證冷卻均勻性，模具的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要合理布局冷卻通道，確保冷卻液能夠均勻地分布在模具各處，并且能夠與制品充分接觸，實(shí)現(xiàn)高效的熱量傳遞。同時(shí)，冷卻時(shí)間也是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響著成型周期和制品的質(zhì)量。冷卻時(shí)間過短，制品可能未完全固化，脫模時(shí)容易變形；冷卻時(shí)間過長，則會(huì)降低生產(chǎn)效率。當(dāng)制品冷卻到一定溫度，具有足夠的強(qiáng)度和剛度后，便可進(jìn)行脫模，得到最終的多層復(fù)合塑料制品。2.2成型特點(diǎn)水輔共注成型技術(shù)作為一種先進(jìn)的成型工藝，與傳統(tǒng)注射成型相比，具有諸多顯著優(yōu)勢，在制品性能提升、材料節(jié)省等方面表現(xiàn)突出，同時(shí)也適用于多種類型的制品和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在制品性能提升方面，水輔共注成型具有獨(dú)特的優(yōu)勢。通過該技術(shù)成型的制品，其壁厚均勻性得到顯著改善。在傳統(tǒng)注射成型中，由于熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)不均勻，容易導(dǎo)致制品壁厚不一致，影響制品的力學(xué)性能和外觀質(zhì)量。而水輔共注成型過程中，水的注入和熔體的流動(dòng)相互作用，使得熔體能夠更均勻地分布在型腔內(nèi)，從而獲得壁厚均勻的制品。例如，在生產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水管時(shí)，均勻的壁厚可以保證水管在承受內(nèi)部壓力時(shí)，各部位的應(yīng)力分布均勻，提高水管的耐壓性能，延長其使用壽命。同時(shí)，水輔共注成型還能有效減少制品的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在會(huì)使制品在后續(xù)的使用過程中出現(xiàn)變形、開裂等問題。在水輔共注成型過程中，水的冷卻作用能夠使熔體更均勻地冷卻固化，減少由于冷卻不均導(dǎo)致的殘余應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)研究表明，采用水輔共注成型技術(shù)生產(chǎn)的塑料制品，其殘余應(yīng)力比傳統(tǒng)注射成型制品降低了30%-50%，大大提高了制品的尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能。材料節(jié)省是水輔共注成型的另一個(gè)重要優(yōu)勢。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)中空結(jié)構(gòu)制品的成型，與實(shí)心制品相比，在滿足相同使用性能的前提下，大大減少了材料的使用量。以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的一些零部件為例，如機(jī)油管、廢氣管等，采用水輔共注成型技術(shù)制成中空結(jié)構(gòu)后，材料用量可減少20%-40%，不僅降低了生產(chǎn)成本，還減輕了制品的重量，符合現(xiàn)代制造業(yè)對輕量化的要求。在一些對材料成本較為敏感的消費(fèi)品領(lǐng)域，如玩具、辦公家具的手柄等，水輔共注成型技術(shù)的材料節(jié)省優(yōu)勢也能為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。而且，水輔共注成型技術(shù)還可以通過合理選擇不同性能的聚合物材料作為芯層和殼層，在保證制品性能的同時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化材料的使用。例如，對于一些需要具有良好耐磨性和外觀的制品，可以選用價(jià)格較高但耐磨性能好的材料作為殼層，而內(nèi)部的芯層則選用價(jià)格相對較低的材料，在不影響制品整體性能的情況下，降低了材料成本。從適用的制品類型來看，水輔共注成型技術(shù)適用于多種類型的制品。管狀和棒狀制品是水輔共注成型技術(shù)的典型應(yīng)用對象，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水管、機(jī)油管、各種管材等。這些制品通常需要具有一定的耐壓性和內(nèi)壁光滑度，水輔共注成型技術(shù)能夠滿足這些要求，生產(chǎn)出高質(zhì)量的管狀和棒狀制品。對于一些形狀復(fù)雜、壁厚不均勻的制品，水輔共注成型技術(shù)也具有很大的優(yōu)勢。在成型過程中，水的壓力可以推動(dòng)熔體填充到型腔的各個(gè)角落，使制品的各個(gè)部位都能得到充分的填充，從而保證制品的成型質(zhì)量。像汽車的后視鏡支架、座椅調(diào)節(jié)把手等復(fù)雜形狀的零部件，采用水輔共注成型技術(shù)能夠一次成型，減少了后續(xù)的加工工序，提高了生產(chǎn)效率。水輔共注成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。在汽車制造領(lǐng)域，除了上述提到的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水管、機(jī)油管等零部件外，還用于生產(chǎn)氣門室罩蓋、后視鏡外殼、行李支架、門把手等。這些零部件對于汽車的性能和外觀都有著重要影響，水輔共注成型技術(shù)能夠生產(chǎn)出高性能、高質(zhì)量的零部件，滿足汽車制造行業(yè)對零部件質(zhì)量和性能的嚴(yán)格要求。在消費(fèi)品領(lǐng)域，辦公家具的手柄、托架，家電的把手，玩具等也常采用水輔共注成型技術(shù)。這些制品注重外觀和手感，水輔共注成型技術(shù)能夠生產(chǎn)出表面光滑、質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品，提升消費(fèi)者的使用體驗(yàn)。在工業(yè)品領(lǐng)域，運(yùn)輸用條板箱、大型儲(chǔ)料桶、儲(chǔ)物箱和獨(dú)輪車的車架等也可利用該技術(shù)成型。這些工業(yè)品通常需要具有較高的強(qiáng)度和耐用性，水輔共注成型技術(shù)可以通過合理選擇材料和工藝參數(shù)，生產(chǎn)出滿足這些要求的產(chǎn)品，提高工業(yè)品的質(zhì)量和使用壽命。三、數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)與模型建立3.1控制方程在水輔共注成型過程中，熔體和水的流動(dòng)行為遵循流體力學(xué)的基本規(guī)律，主要由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程來描述。這些方程是建立數(shù)值模擬模型的基礎(chǔ)，通過對它們的合理運(yùn)用和求解，可以深入了解成型過程中的物理現(xiàn)象。連續(xù)性方程基于質(zhì)量守恒定律，它表明在一個(gè)封閉的控制體內(nèi)，流體質(zhì)量的變化率等于流入和流出該控制體的質(zhì)量流量之差。對于水輔共注成型過程中的熔體和水，其連續(xù)性方程的一般形式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{u})=0其中，\rho為流體密度，t為時(shí)間，\vec{u}為速度矢量，\nabla為哈密頓算子。在水輔共注成型中，熔體和水的密度可能會(huì)隨著溫度、壓力等因素的變化而改變。在一些情況下，當(dāng)熔體和水的密度變化較小，可近似認(rèn)為是不可壓縮流體，此時(shí)連續(xù)性方程可簡化為\nabla\cdot\vec{u}=0，這大大簡化了方程的求解過程。動(dòng)量方程是牛頓第二定律在流體力學(xué)中的具體體現(xiàn)，它描述了流體動(dòng)量的變化率與作用在流體上的各種力之間的關(guān)系。在水輔共注成型中，作用在熔體和水上的力主要有壓力梯度力、黏性力、重力等。其動(dòng)量方程的一般形式為：\rho(\frac{\partial\vec{u}}{\partialt}+\vec{u}\cdot\nabla\vec{u})=-\nablap+\nabla\cdot\tau+\rho\vec{g}其中，p為壓力，\tau為黏性應(yīng)力張量，\vec{g}為重力加速度。對于聚合物熔體，由于其具有非牛頓流體特性，黏性應(yīng)力張量\tau與剪切速率之間的關(guān)系較為復(fù)雜，通常需要采用合適的本構(gòu)方程來描述，如前面提到的Cross-WLF型本構(gòu)方程。而水的黏度相對較小，在水的流動(dòng)過程中，當(dāng)雷諾數(shù)Re較大時(shí)，黏性力項(xiàng)相對較小，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)簡化。在某些情況下，若重力對水和熔體的流動(dòng)影響較小，也可忽略重力項(xiàng)，從而簡化動(dòng)量方程。能量方程則是能量守恒定律在流體流動(dòng)過程中的數(shù)學(xué)表達(dá)，它考慮了流體的內(nèi)能、動(dòng)能以及由于熱傳導(dǎo)、對流和做功等引起的能量變化。在水輔共注成型過程中，能量的傳遞和轉(zhuǎn)換對熔體的冷卻、固化以及制品的質(zhì)量有著重要影響。其能量方程的一般形式為：\rhoC_p(\frac{\partialT}{\partialt}+\vec{u}\cdot\nablaT)=\nabla\cdot(k\nablaT)+\tau:\nabla\vec{u}其中，C_p為定壓比熱容，T為溫度，k為熱傳導(dǎo)系數(shù)。方程左邊表示單位體積流體的內(nèi)能隨時(shí)間和空間的變化率，右邊第一項(xiàng)表示熱傳導(dǎo)引起的熱量傳遞，第二項(xiàng)表示黏性耗散產(chǎn)生的熱量。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的成型條件和材料特性，合理確定各項(xiàng)參數(shù)的值。對于熔體和水的能量方程，還需要考慮它們之間的熱量交換以及與模具壁之間的熱傳遞。在模具壁處，通常會(huì)給定一定的溫度邊界條件，以模擬模具對熔體和水的冷卻作用。在水輔共注成型的數(shù)值模擬中，為了便于對這些控制方程進(jìn)行求解，還需要結(jié)合具體的成型工藝和假設(shè)條件對其進(jìn)行進(jìn)一步的簡化和處理。通常會(huì)假設(shè)熔體在模壁處黏著無滑移，在相鄰的熔體界面上認(rèn)為熔體沒有混合，界面層厚度為零，且在熔體充填過程中，不考慮熔體的彈性效應(yīng)和表面張力的影響。通過這些假設(shè)和簡化，可以得到更易于求解的控制方程形式，為后續(xù)的數(shù)值模擬計(jì)算奠定基礎(chǔ)。3.2本構(gòu)方程聚合物熔體在水輔共注成型過程中表現(xiàn)出復(fù)雜的流變行為，為了準(zhǔn)確描述這種行為，需要采用合適的本構(gòu)方程。本研究選用Cross-WLF型本構(gòu)方程，它能夠較為全面地反映聚合物熔體在不同溫度、壓力和剪切速率下的黏度變化，在聚合物加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Cross-WLF型本構(gòu)方程是一種七參數(shù)模型，其表達(dá)式為：\eta=\frac{\eta_0(T)}{1+(\tau^*/\tau)^{1-n}}其中，\eta為熔體的剪切黏度，它是衡量熔體流動(dòng)阻力的重要參數(shù)，在成型過程中，熔體的黏度直接影響其在型腔內(nèi)的流動(dòng)速度和填充效果。\eta_0(T)表示零剪切黏度，它是在極低剪切速率下熔體的黏度，是反映聚合物分子間相互作用的一個(gè)重要指標(biāo)，與聚合物的分子量、分子結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。零剪切黏度隨溫度的變化較為顯著，一般來說，溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間的相互作用力減弱，零剪切黏度降低。\tau^*是材料常數(shù)，它與聚合物的分子結(jié)構(gòu)和特性有關(guān)，不同的聚合物具有不同的\tau^*值，該常數(shù)在一定程度上反映了聚合物熔體的流動(dòng)特性。n為非牛頓指數(shù)，用于表征聚合物熔體偏離牛頓流體行為的程度。當(dāng)n=1時(shí)，熔體表現(xiàn)為牛頓流體，其黏度不隨剪切速率的變化而改變；當(dāng)n\neq1時(shí)，熔體表現(xiàn)出非牛頓特性，n值越小，熔體的剪切變稀或剪切增稠現(xiàn)象越明顯。在聚合物熔體的流動(dòng)過程中，隨著剪切速率的增加，分子鏈逐漸取向，導(dǎo)致黏度降低，這種現(xiàn)象稱為剪切變稀，大多數(shù)聚合物熔體在加工過程中都表現(xiàn)出剪切變稀行為。零剪切黏度\eta_0(T)與溫度T的關(guān)系通過WLF方程來描述，即：\log_{10}\frac{\eta_0(T)}{\eta_0(T^*)}=-\frac{A_1(T-T^*)}{A_2+(T-T^*)}其中，T^*是參考溫度，它是一個(gè)人為設(shè)定的基準(zhǔn)溫度，用于將不同溫度下的零剪切黏度進(jìn)行歸一化處理。在實(shí)際應(yīng)用中，參考溫度的選擇通常根據(jù)聚合物的特性和實(shí)驗(yàn)條件來確定，一般選擇聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T_g或熔點(diǎn)T_m附近的溫度作為參考溫度。A_1和A_2是與聚合物材料相關(guān)的常數(shù)，它們反映了聚合物分子鏈的柔順性和分子間相互作用對溫度的敏感程度。不同的聚合物具有不同的A_1和A_2值，這些常數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)測量或從相關(guān)文獻(xiàn)中獲取。例如，對于聚乙烯（PE），A_1和A_2的典型值分別約為17.44和51.6；對于聚丙烯（PP），A_1和A_2的值則有所不同。通過WLF方程，可以準(zhǔn)確地描述零剪切黏度隨溫度的變化規(guī)律，為研究聚合物熔體在不同溫度條件下的流變行為提供了重要依據(jù)。此外，Cross-WLF型本構(gòu)方程中的其他參數(shù)，如D_1、D_2、D_3等，也都具有特定的物理意義。D_1與聚合物的松弛時(shí)間有關(guān)，它反映了聚合物分子鏈在受到外力作用后恢復(fù)到平衡狀態(tài)所需的時(shí)間。D_2和D_3則與聚合物的黏彈性行為相關(guān)，它們對熔體在復(fù)雜流動(dòng)條件下的應(yīng)力響應(yīng)和變形特性有著重要影響。這些參數(shù)的準(zhǔn)確確定對于提高本構(gòu)方程的預(yù)測精度和可靠性至關(guān)重要，通常需要通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和優(yōu)化。在實(shí)際應(yīng)用中，可以利用旋轉(zhuǎn)流變儀、毛細(xì)管流變儀等設(shè)備測量聚合物熔體在不同溫度、壓力和剪切速率下的黏度數(shù)據(jù)，然后采用非線性最小二乘法等優(yōu)化算法對Cross-WLF型本構(gòu)方程的參數(shù)進(jìn)行擬合，以獲得最適合該聚合物材料的參數(shù)值。3.3模型假設(shè)與簡化在建立水輔共注成型過程的數(shù)值模擬模型時(shí)，由于實(shí)際成型過程極其復(fù)雜，涉及眾多物理現(xiàn)象和相互作用，為了便于對控制方程進(jìn)行求解，需要基于實(shí)際成型過程提出一些合理的假設(shè)和簡化條件。首先，考慮到聚合物熔體在充模過程中，彈性效應(yīng)相對較小，對熔體流動(dòng)的影響在一定程度上可以忽略不計(jì)。熔體的彈性主要源于聚合物分子鏈的取向和松弛行為，在快速的充模過程中，分子鏈的取向和松弛時(shí)間較短，彈性變形來不及充分發(fā)展，與黏性流動(dòng)相比，其對熔體整體流動(dòng)的影響相對較弱。因此，在本模型中假設(shè)在熔體充填過程中，不考慮熔體的彈性效應(yīng)，將熔體視為純黏性流體。這樣的假設(shè)可以簡化對熔體流動(dòng)行為的描述，避免了復(fù)雜的彈性力學(xué)方程的引入，使問題更容易求解。在相鄰的熔體界面上，由于熔體的黏性較大，分子擴(kuò)散速度較慢，在短時(shí)間的成型過程中，熔體之間的混合程度非常有限。基于此，認(rèn)為在相鄰的熔體界面上熔體沒有混合，界面層厚度為零。這一假設(shè)簡化了對熔體界面的處理，避免了考慮熔體混合過程中復(fù)雜的傳質(zhì)現(xiàn)象和界面特性變化，使得在數(shù)值模擬中可以更方便地追蹤熔體界面的位置和運(yùn)動(dòng)。例如，在水輔共注成型中，芯層熔體和殼層熔體在界面處的相互作用可以簡化為理想的分層流動(dòng)，無需考慮界面處的濃度梯度和物質(zhì)交換。熔體表面張力在一些情況下會(huì)對熔體的流動(dòng)形態(tài)產(chǎn)生影響，如在微尺度成型或熔體前沿非常薄的情況下。但在水輔共注成型過程中，熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)主要受注射壓力、黏性力和水的推動(dòng)作用等因素的主導(dǎo)，表面張力的影響相對較小。因此，假設(shè)在熔體充填過程中，不考慮熔體表面張力的影響。這一假設(shè)可以減少模型中的變量和復(fù)雜程度，使控制方程的求解更加簡潔。在分析熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)路徑和速度分布時(shí)，無需考慮表面張力導(dǎo)致的熔體界面彎曲和變形等因素，從而簡化了計(jì)算過程。在模壁處，由于熔體與模壁之間存在較強(qiáng)的附著力，且模壁表面相對光滑，根據(jù)無滑移邊界條件的理論，認(rèn)為熔體流動(dòng)在模壁處黏著無滑移。這意味著在模壁處，熔體的速度為零。這一假設(shè)符合實(shí)際的物理現(xiàn)象，在大多數(shù)情況下，熔體在模壁表面會(huì)形成一層極薄的靜止層，與模壁緊密接觸。通過這一假設(shè)，可以確定模壁處的邊界條件，為控制方程的求解提供必要的約束。在數(shù)值計(jì)算中，利用這一邊界條件可以準(zhǔn)確地計(jì)算熔體在靠近模壁區(qū)域的速度分布和壓力變化，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。3.4邊界條件確定在水輔共注成型的數(shù)值模擬中，準(zhǔn)確設(shè)定邊界條件對于求解控制方程、獲得可靠的模擬結(jié)果至關(guān)重要。根據(jù)水輔共注成型的特點(diǎn)和假設(shè)條件，需要確定模壁、熔體前沿、流體界面和澆口處等不同位置的邊界條件。在模壁處，基于前面提到的假設(shè)，認(rèn)為熔體流動(dòng)在模壁處黏著無滑移。這意味著在模壁上，熔體的速度矢量\vec{u}為零，即\vec{u}=0。從物理意義上講，模壁對熔體具有粘附作用，使得靠近模壁的熔體層與模壁緊密接觸，無法產(chǎn)生相對滑動(dòng)。在實(shí)際成型過程中，這種無滑移邊界條件符合大多數(shù)情況，它為控制方程在模壁處的求解提供了明確的約束。在計(jì)算熔體在模腔內(nèi)的流動(dòng)時(shí)，通過設(shè)定模壁處的速度為零，可以準(zhǔn)確地模擬熔體在靠近模壁區(qū)域的速度分布和壓力變化，進(jìn)而分析熔體在整個(gè)模腔內(nèi)的流動(dòng)行為。在數(shù)值計(jì)算中，利用這一邊界條件，可以對控制方程進(jìn)行離散化處理，使得計(jì)算過程更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確。熔體前沿是熔體在型腔內(nèi)流動(dòng)的前鋒位置，其邊界條件的確定較為復(fù)雜。在水輔共注成型中，殼層熔體前沿始終和大氣相接觸，屬于自由表面。根據(jù)自由表面的特性，前沿處的壓力p為零，即p=0。這是因?yàn)樵谧杂杀砻妫垠w與大氣直接接觸，沒有其他外力作用于熔體前沿，所以壓力等于大氣壓力，在數(shù)值模擬中通常將大氣壓力設(shè)為零參考?jí)毫?。熔體前沿的速度方向與前沿的法線方向一致。這是由于熔體在向前推進(jìn)的過程中，其流動(dòng)方向是沿著型腔空間向前擴(kuò)展的，而前沿的法線方向正好代表了熔體向前推進(jìn)的方向。在數(shù)值模擬中，通過追蹤熔體前沿的位置和速度方向，可以準(zhǔn)確地描述熔體在型腔內(nèi)的充填過程，預(yù)測熔體的流動(dòng)路徑和充填時(shí)間。在相鄰流體的界面，包括熔體與熔體之間以及熔體與水之間的界面，存在一些特定的邊界條件。在界面的法向方向上，流體的流速、剪切應(yīng)力和熱流量是連續(xù)的。對于流速連續(xù)，即界面兩側(cè)流體在法向方向上的速度分量相等，可表示為u_{i1,n}=u_{i2,n}，其中i表示第i相流體，下標(biāo)1和2分別表示界面兩側(cè)的流體，n表示法向方向。這意味著在界面處，不同流體之間不會(huì)出現(xiàn)速度的突變，保證了流體流動(dòng)的連續(xù)性。在熔體與水的界面處，由于兩者的相互作用，水的流動(dòng)會(huì)帶動(dòng)熔體一起運(yùn)動(dòng)，在界面處它們的法向速度必須相等，否則會(huì)出現(xiàn)界面分離或穿透等不合理現(xiàn)象。在剪切應(yīng)力方面，界面兩側(cè)的剪切應(yīng)力相等，即\tau_{i1,n}=\tau_{i2,n}。這是因?yàn)榻缑鎯蓚?cè)的流體相互接觸，它們之間的摩擦力會(huì)使得剪切應(yīng)力在界面處保持連續(xù)。如果剪切應(yīng)力不連續(xù)，會(huì)導(dǎo)致界面處出現(xiàn)應(yīng)力集中，影響流體的流動(dòng)穩(wěn)定性。在熱流量方面，界面兩側(cè)的熱流量相等，即q_{i1,n}=q_{i2,n}。在水輔共注成型過程中，熔體和水之間存在熱量交換，界面處的熱流量連續(xù)保證了熱量傳遞的連續(xù)性，準(zhǔn)確地反映了成型過程中的熱傳遞現(xiàn)象。在澆口處，對于熔體和水（統(tǒng)稱為流體），存在兩種常見的邊界條件設(shè)定方式。一種是流體的速度和澆口處設(shè)定的注射速度值相等。在成型過程中，注射機(jī)通過澆口將熔體和水注入模腔，澆口處的流體速度是由注射機(jī)的參數(shù)設(shè)定決定的。在數(shù)值模擬中，將澆口處的流體速度設(shè)定為與實(shí)際注射速度相同，可以準(zhǔn)確地模擬流體從澆口進(jìn)入模腔的初始條件，進(jìn)而分析流體在模腔內(nèi)的后續(xù)流動(dòng)過程。另一種是流體的壓力與澆口處設(shè)定的壓力值相等，并且溫度相等。在一些情況下，已知澆口處的注射壓力，通過設(shè)定澆口處的流體壓力等于該值，可以從壓力的角度來描述流體進(jìn)入模腔的條件。澆口處的溫度也是一個(gè)重要參數(shù)，它會(huì)影響熔體的黏度和流動(dòng)性。在數(shù)值模擬中，保證澆口處流體的溫度與實(shí)際設(shè)定溫度相等，能夠更準(zhǔn)確地模擬成型過程中的熱傳遞和流體流動(dòng)行為。四、數(shù)值模擬方法與求解過程4.1有限體積法在水輔共注成型過程的數(shù)值模擬中，有限體積法（FiniteVolumeMethod，F(xiàn)VM）是一種常用且高效的數(shù)值求解方法，它在離散控制方程方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢和物理意義。有限體積法的基本原理是將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列互不重復(fù)的控制體積。這些控制體積可以看作是圍繞每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的微小空間單元，它們覆蓋整個(gè)計(jì)算區(qū)域，且彼此之間既無重疊也無間隙。在水輔共注成型的模擬中，通過對每個(gè)控制體積內(nèi)的物理量（如速度、壓力、溫度等）進(jìn)行積分，將描述熔體和水流動(dòng)、傳熱等過程的控制方程離散化，從而將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組進(jìn)行求解。以連續(xù)性方程為例，在有限體積法中，對每個(gè)控制體積進(jìn)行積分，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，流入控制體積的質(zhì)量流量與流出控制體積的質(zhì)量流量之差應(yīng)等于控制體積內(nèi)質(zhì)量的變化率。在離散化過程中，通過對控制體積邊界上的質(zhì)量通量進(jìn)行近似計(jì)算，將連續(xù)性方程轉(zhuǎn)化為離散形式，從而得到每個(gè)控制體積內(nèi)質(zhì)量的變化關(guān)系。有限體積法的一個(gè)重要特點(diǎn)是其離散方程具有明確的物理意義，它反映了物理量在有限大小的控制體中的守恒原理。這與微分方程所表示的物理量在無限小的控制體中的守恒原理是相對應(yīng)的。在求解動(dòng)量方程時(shí)，對控制體積進(jìn)行積分，得到的離散方程表示控制體積內(nèi)動(dòng)量的變化等于作用在該控制體積上的各種力（如壓力梯度力、黏性力、重力等）的合力。這種基于守恒原理的離散方式，使得有限體積法在數(shù)值計(jì)算中能夠較好地保持物理量的守恒特性，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在有限體積法中，對控制體積的積分是關(guān)鍵步驟。對于控制方程中的各項(xiàng)，如對流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)等，都需要在控制體積上進(jìn)行積分處理。在處理對流項(xiàng)時(shí)，通常采用迎風(fēng)差分格式或中心差分格式等方法來近似計(jì)算對流項(xiàng)在控制體積邊界上的通量。迎風(fēng)差分格式根據(jù)流體的流動(dòng)方向，選擇上游節(jié)點(diǎn)的物理量來計(jì)算通量，能夠較好地處理對流占主導(dǎo)的流動(dòng)問題，減少數(shù)值振蕩。而中心差分格式則利用控制體積邊界兩側(cè)節(jié)點(diǎn)物理量的平均值來計(jì)算通量，在擴(kuò)散占主導(dǎo)的問題中具有較高的精度。在處理擴(kuò)散項(xiàng)時(shí)，一般采用二階精度的中心差分格式來計(jì)算擴(kuò)散通量，以保證數(shù)值計(jì)算的精度。對于源項(xiàng)，直接在控制體積上進(jìn)行積分，得到源項(xiàng)對控制體積內(nèi)物理量的貢獻(xiàn)。通過合理地處理這些積分項(xiàng)，將控制方程離散為代數(shù)方程組，然后采用迭代求解的方法，逐步逼近控制方程的精確解。有限體積法對復(fù)雜幾何形狀具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。在水輔共注成型過程中，模具型腔的形狀往往非常復(fù)雜，有限體積法可以根據(jù)型腔的幾何形狀，靈活地劃分控制體積。對于復(fù)雜的三維型腔，可以采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來劃分控制體積，使得網(wǎng)格能夠更好地貼合型腔的邊界，提高計(jì)算精度。相比其他數(shù)值方法，如有限差分法，有限體積法在處理復(fù)雜幾何形狀時(shí)不需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，計(jì)算過程更加簡便。在模擬具有不規(guī)則形狀的汽車零部件的水輔共注成型過程時(shí)，有限體積法能夠輕松地對復(fù)雜的模具型腔進(jìn)行網(wǎng)格劃分和數(shù)值計(jì)算，準(zhǔn)確地模擬熔體和水在型腔內(nèi)的流動(dòng)行為。4.2離散方程求解在采用有限體積法將控制方程離散化后，得到了一組代數(shù)方程組，接下來需要對這些離散方程進(jìn)行求解，以獲得水輔共注成型過程中各物理量（如速度、壓力、溫度等）在空間和時(shí)間上的分布。對于壓力場和速度場的求解，通常采用迭代法。迭代法是一種逐步逼近精確解的方法，它從一個(gè)初始猜測值開始，通過反復(fù)迭代計(jì)算，不斷修正解的近似值，直到滿足一定的收斂條件為止。在水輔共注成型的數(shù)值模擬中，常用的迭代求解算法有SIMPLE（Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations）算法及其改進(jìn)算法，如SIMPLEC（SIMPLEConsistent）算法、PISO（PressureImplicitwithSplittingofOperators）算法等。以SIMPLE算法為例，其基本求解步驟如下：首先，給定一個(gè)初始?jí)毫鰌^0。這個(gè)初始?jí)毫隹梢允且粋€(gè)猜測值，例如在整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)設(shè)定一個(gè)均勻的壓力值。然后，利用這個(gè)初始?jí)毫觯蠼鈩?dòng)量方程，得到一個(gè)預(yù)測速度場\vec{u}^*。由于初始?jí)毫鐾ǔＪ遣粶?zhǔn)確的，所以這個(gè)預(yù)測速度場一般不滿足連續(xù)性方程。接著，將預(yù)測速度場\vec{u}^*代入連續(xù)性方程，并利用一些數(shù)學(xué)技巧，如對角線分解等，推導(dǎo)出壓力泊松方程。通過求解壓力泊松方程，可以得到一個(gè)新的壓力場p^{n+1}，其中n表示迭代次數(shù)。之后，將新得到的壓力場p^{n+1}代入速度修正方程，對預(yù)測速度場\vec{u}^*進(jìn)行修正，得到修正后的速度場\vec{u}^{n+1}，使得修正后的速度場能夠滿足連續(xù)性方程。最后，檢查修正后的速度場\vec{u}^{n+1}和壓力場p^{n+1}是否滿足動(dòng)量方程和預(yù)先設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)。如果不滿足，則將新得到的壓力場p^{n+1}作為下一次迭代的初始?jí)毫?，返回第一步繼續(xù)迭代；如果滿足，則結(jié)束計(jì)算，得到的速度場和壓力場即為當(dāng)前時(shí)間步的解。在求解過程中，收斂判斷是非常重要的環(huán)節(jié)。收斂判斷用于確定迭代計(jì)算是否已經(jīng)得到了足夠精確的解。通常采用殘差來衡量解的收斂程度。殘差是指離散方程在當(dāng)前解下的余量，它反映了當(dāng)前解與精確解之間的差異。對于連續(xù)性方程和動(dòng)量方程等，分別定義相應(yīng)的殘差。在連續(xù)性方程中，殘差可以定義為控制體積內(nèi)質(zhì)量流量的不平衡量。若當(dāng)前迭代得到的速度場和壓力場使得控制體積內(nèi)流入和流出的質(zhì)量流量之差非常小，即殘差小于預(yù)先設(shè)定的收斂精度，則認(rèn)為連續(xù)性方程得到了滿足。在動(dòng)量方程中，殘差可以定義為方程左右兩邊各項(xiàng)的差值。當(dāng)動(dòng)量方程的殘差小于收斂精度時(shí)，說明當(dāng)前的速度場和壓力場能夠較好地滿足動(dòng)量守恒關(guān)系。在實(shí)際計(jì)算中，通常會(huì)設(shè)置一個(gè)較小的收斂精度值，如10^{-6}或10^{-8}等。當(dāng)所有方程的殘差都小于設(shè)定的收斂精度時(shí)，認(rèn)為迭代計(jì)算已經(jīng)收斂，得到的解是可靠的。若經(jīng)過多次迭代后，殘差仍然無法收斂到設(shè)定精度以下，可能需要檢查數(shù)值計(jì)算方法、邊界條件設(shè)置、網(wǎng)格質(zhì)量等因素，找出導(dǎo)致不收斂的原因并進(jìn)行修正。4.3界面跟蹤方法在水輔共注成型過程中，準(zhǔn)確跟蹤熔體-水界面、熔體前沿等復(fù)雜界面對于理解成型過程的物理機(jī)制和預(yù)測制品質(zhì)量至關(guān)重要。本文采用VOF（VolumeofFluid）法來實(shí)現(xiàn)對這些復(fù)雜界面的跟蹤。VOF法是一種基于歐拉方法的界面追蹤技術(shù)，廣泛應(yīng)用于多相流問題中，特別是在處理互不相溶流體的界面運(yùn)動(dòng)方面表現(xiàn)出色。其核心思想是通過引入一個(gè)體積分?jǐn)?shù)函數(shù)\alpha來描述網(wǎng)格單元中各相流體所占的體積比例。對于水輔共注成型，我們關(guān)注的是熔體相和水相，在每個(gè)網(wǎng)格單元中，體積分?jǐn)?shù)滿足\alpha_{melt}+\alpha_{water}=1，其中\(zhòng)alpha_{melt}表示熔體的體積分?jǐn)?shù)，\alpha_{water}表示水的體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)\alpha_{melt}=1時(shí)，表明該網(wǎng)格單元完全被熔體占據(jù)；當(dāng)\alpha_{melt}=0時(shí)，該網(wǎng)格單元被水占據(jù)；當(dāng)0\lt\alpha_{melt}\lt1時(shí)，則表示該網(wǎng)格單元位于熔體-水界面處。VOF法通過求解體積分?jǐn)?shù)的輸運(yùn)方程來跟蹤界面的運(yùn)動(dòng)。體積分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程的一般形式為：\frac{\partial\alpha}{\partialt}+\vec{u}\cdot\nabla\alpha=0其中，\vec{u}為速度矢量，t為時(shí)間。該方程表明，體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化率等于其在速度場作用下的對流輸運(yùn)項(xiàng)。在水輔共注成型過程中，熔體和水在注射壓力和其他外力的作用下在型腔內(nèi)流動(dòng)，通過求解上述方程，可以得到不同時(shí)刻各網(wǎng)格單元中熔體和水的體積分?jǐn)?shù)分布，進(jìn)而確定熔體-水界面的位置和形狀。在實(shí)際計(jì)算中，對體積分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程的離散化是關(guān)鍵步驟。通常采用有限體積法對其進(jìn)行離散。將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列控制體積，在每個(gè)控制體積上對輸運(yùn)方程進(jìn)行積分，得到離散形式的體積分?jǐn)?shù)方程。在離散過程中，需要對控制體積邊界上的體積分?jǐn)?shù)通量進(jìn)行近似計(jì)算。常用的方法有幾何重構(gòu)法（如Geo-Reconstruct算法）等。幾何重構(gòu)法通過在每個(gè)控制體積內(nèi)對體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行線性重構(gòu)，得到界面的幾何形狀，然后根據(jù)界面的幾何形狀計(jì)算控制體積邊界上的體積分?jǐn)?shù)通量。這種方法能夠較好地捕捉界面的復(fù)雜形狀和運(yùn)動(dòng)，但計(jì)算過程相對復(fù)雜。對于熔體前沿的跟蹤，同樣基于VOF法的原理。在熔體注射階段，隨著熔體在型腔內(nèi)的推進(jìn)，熔體前沿不斷向前移動(dòng)。通過監(jiān)測熔體體積分?jǐn)?shù)在網(wǎng)格單元中的變化，當(dāng)熔體體積分?jǐn)?shù)從0變?yōu)榉橇阒禃r(shí)，即可確定熔體前沿到達(dá)該網(wǎng)格單元。在數(shù)值模擬中，通過對每個(gè)時(shí)間步長內(nèi)熔體體積分?jǐn)?shù)的更新和分析，可以準(zhǔn)確地追蹤熔體前沿的位置和推進(jìn)速度。在熔體前沿推進(jìn)過程中，可能會(huì)出現(xiàn)熔體分支、合并等復(fù)雜現(xiàn)象，VOF法能夠有效地處理這些情況，通過體積分?jǐn)?shù)的變化準(zhǔn)確地反映熔體前沿的拓?fù)渥兓?.4數(shù)值模擬軟件選擇與應(yīng)用在水輔共注成型過程的數(shù)值模擬研究中，選擇合適的數(shù)值模擬軟件至關(guān)重要。目前，市場上有多種專業(yè)的數(shù)值模擬軟件可供選擇，其中Moldflow在塑料成型模擬領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，功能強(qiáng)大，是水輔共注成型數(shù)值模擬的常用軟件之一。Moldflow軟件具有一系列強(qiáng)大的功能，能夠滿足水輔共注成型數(shù)值模擬的多方面需求。在材料數(shù)據(jù)處理方面，它擁有豐富且龐大的材料數(shù)據(jù)庫，涵蓋了眾多不同類型的聚合物材料，用戶可以方便快捷地從中選擇所需材料，并獲取其詳細(xì)的物性參數(shù)。對于一些特殊材料或新研發(fā)的材料，軟件還支持用戶自定義材料屬性，通過輸入材料的各項(xiàng)參數(shù)，如密度、黏度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)等，軟件能夠準(zhǔn)確地模擬該材料在水輔共注成型過程中的行為。在網(wǎng)格劃分功能上，Moldflow采用了先進(jìn)的網(wǎng)格生成技術(shù)，能夠根據(jù)模具型腔的復(fù)雜幾何形狀，自動(dòng)生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。它提供了多種網(wǎng)格類型，包括四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格等，用戶可以根據(jù)具體的模擬需求和模型特點(diǎn)進(jìn)行選擇。軟件還具備強(qiáng)大的網(wǎng)格質(zhì)量檢查和優(yōu)化工具，能夠?qū)ι傻木W(wǎng)格進(jìn)行全面檢查，如檢查網(wǎng)格的雅可比、扭曲度、長寬比等指標(biāo)，確保網(wǎng)格的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。對于質(zhì)量較差的網(wǎng)格，軟件可以進(jìn)行優(yōu)化處理，如光順、重劃、局部加密等操作，以提高網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算精度。在模擬分析功能方面，Moldflow可以對水輔共注成型過程進(jìn)行全面的模擬，包括熔體注射階段、水注射階段、保壓階段和冷卻階段。通過模擬，軟件能夠預(yù)測成型過程中熔體和水的流動(dòng)行為，如速度場、壓力場的分布情況，還能分析溫度場的變化以及制品的成型質(zhì)量，如壁厚均勻性、殘余應(yīng)力分布、翹曲變形等。軟件還可以對不同的工藝參數(shù)進(jìn)行模擬分析，幫助用戶了解各參數(shù)對成型過程和制品質(zhì)量的影響，從而進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化。使用Moldflow軟件進(jìn)行水輔共注成型數(shù)值模擬時(shí)，一般遵循以下操作流程：首先是模型導(dǎo)入與修復(fù)。用戶需要將設(shè)計(jì)好的模具型腔三維模型導(dǎo)入到Moldflow軟件中，軟件支持多種常見的CAD格式，如STEP、IGES、STL等，確保模型數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。對于導(dǎo)入的模型，可能存在一些幾何缺陷，如孔洞、重復(fù)面、倒角問題等，軟件提供了自動(dòng)或手動(dòng)修復(fù)功能，用戶可以利用這些工具對模型進(jìn)行修復(fù)，以確保模型的幾何連續(xù)性，為后續(xù)的網(wǎng)格劃分和模擬分析奠定良好基礎(chǔ)。接下來是網(wǎng)格劃分。在模型修復(fù)完成后，根據(jù)分析需求和模型特點(diǎn)選擇合適的網(wǎng)格類型和參數(shù)。對于復(fù)雜的模具型腔，可能需要采用四面體網(wǎng)格或混合網(wǎng)格，以更好地貼合型腔的幾何形狀。設(shè)置網(wǎng)格劃分的相關(guān)參數(shù)，如網(wǎng)格大小、網(wǎng)格密度、邊界層數(shù)等，控制網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量。網(wǎng)格劃分完成后，利用軟件的網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具對生成的網(wǎng)格進(jìn)行檢查，查看網(wǎng)格的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)是否符合要求。若存在質(zhì)量較差的網(wǎng)格，使用網(wǎng)格優(yōu)化工具進(jìn)行優(yōu)化處理，直到網(wǎng)格質(zhì)量滿足模擬分析的要求。然后是材料選擇與物性參數(shù)設(shè)置。在材料數(shù)據(jù)庫中選擇模擬所需的聚合物材料，軟件會(huì)自動(dòng)加載該材料的默認(rèn)物性參數(shù)。如果需要，用戶還可以根據(jù)實(shí)際情況對物性參數(shù)進(jìn)行編輯和修改，以更準(zhǔn)確地反映材料在成型過程中的特性。對于自定義材料，用戶需要按照軟件的要求輸入材料的各項(xiàng)物性參數(shù)。再進(jìn)行注射成型工藝參數(shù)設(shè)置與優(yōu)化。根據(jù)實(shí)際的水輔共注成型工藝，設(shè)置各種工藝參數(shù)，包括注射機(jī)類型、注射量、注射壓力、注射速度、注水溫度、注水速度、注水延遲時(shí)間、模具溫度、冷卻時(shí)間等。這些參數(shù)的設(shè)置直接影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，用戶需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)置。利用軟件的優(yōu)化功能，如正交試驗(yàn)、田口方法、遺傳算法等，對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。最后是模擬分析與結(jié)果后處理。完成上述設(shè)置后，運(yùn)行模擬分析，軟件會(huì)根據(jù)設(shè)定的模型、材料和工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，模擬水輔共注成型的整個(gè)過程。模擬完成后，軟件會(huì)生成豐富的結(jié)果數(shù)據(jù)，包括各種物理場的分布云圖、圖表等。用戶可以通過軟件的后處理工具對這些結(jié)果進(jìn)行查看和分析，了解成型過程中各個(gè)階段的情況，評(píng)估制品的質(zhì)量，并根據(jù)模擬結(jié)果對模具設(shè)計(jì)或工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。五、模擬結(jié)果與影響因素分析5.1不同工藝參數(shù)下的模擬結(jié)果展示在水輔共注成型過程中，工藝參數(shù)的變化對成型質(zhì)量有著顯著影響。通過數(shù)值模擬，深入研究了注水溫度、注水速度、注水延遲時(shí)間等關(guān)鍵工藝參數(shù)對熔體和水的流動(dòng)形態(tài)、壓力分布以及溫度分布的影響，為優(yōu)化工藝參數(shù)提供了有力依據(jù)。5.1.1注水溫度的影響圖1展示了不同注水溫度下熔體和水的流動(dòng)形態(tài)。當(dāng)注水溫度為20℃時(shí)，水的溫度相對較低，與熔體之間的溫差較大，在水與熔體接觸的前沿區(qū)域，熱量交換迅速，熔體冷卻固化較快，形成的塑料膜較厚，對水的流動(dòng)約束較強(qiáng)，導(dǎo)致水的穿透速度相對較慢，熔體的流動(dòng)也受到一定限制，熔體在型腔內(nèi)的填充相對不均勻，靠近水注入端的熔體填充較多，而遠(yuǎn)離水注入端的熔體填充較少。當(dāng)注水溫度升高到40℃時(shí)，水與熔體的溫差減小，熱量交換相對減緩，熔體冷卻固化速度變慢，形成的塑料膜變薄，水的穿透速度有所提高，熔體在型腔內(nèi)的填充更加均勻，遠(yuǎn)離水注入端的熔體也能得到較好的填充。繼續(xù)將注水溫度升高到60℃，水的穿透速度進(jìn)一步加快，熔體的流動(dòng)更加順暢，整個(gè)型腔內(nèi)的熔體填充更加均勻，能夠更好地形成所需的制品形狀。不同注水溫度下的壓力分布也呈現(xiàn)出明顯差異。在較低的注水溫度（如20℃）下，由于水的穿透速度較慢，需要較大的壓力來推動(dòng)水在熔體中前進(jìn)，因此在水的注入端和穿透路徑上，壓力較高，而在熔體的前沿和遠(yuǎn)離水注入端的區(qū)域，壓力相對較低。隨著注水溫度的升高（如40℃），水的穿透速度加快，所需的推動(dòng)壓力減小，壓力分布相對更加均勻，水注入端和熔體前沿的壓力差減小。當(dāng)注水溫度達(dá)到60℃時(shí)，壓力分布更加均勻，整個(gè)型腔內(nèi)的壓力變化較小，這有利于減少制品內(nèi)部的應(yīng)力集中，提高制品的質(zhì)量。在溫度分布方面，圖2展示了不同注水溫度下熔體和水的溫度分布情況。在20℃注水溫度下，由于水與熔體之間的溫差大，熱量從熔體迅速傳遞到水，導(dǎo)致靠近水的熔體溫度迅速降低，在水的穿透路徑周圍形成一個(gè)明顯的低溫區(qū)域，而遠(yuǎn)離水的熔體溫度相對較高。隨著注水溫度升高到40℃，熔體與水之間的溫差減小，熱量傳遞速度變慢，熔體的溫度分布相對更加均勻，低溫區(qū)域的范圍減小。當(dāng)注水溫度為60℃時(shí)，熔體的溫度分布更加均勻，整個(gè)型腔內(nèi)的溫度梯度較小，這有助于保證熔體在冷卻過程中的均勻收縮，減少制品的翹曲變形?！敬颂幉迦雸D1和圖2，圖1為不同注水溫度下熔體和水的流動(dòng)形態(tài)圖，圖2為不同注水溫度下熔體和水的溫度分布圖】5.1.2注水速度的影響圖3展示了不同注水速度下熔體和水的流動(dòng)形態(tài)。當(dāng)注水速度較低時(shí)，水在熔體中的穿透速度較慢，熔體有足夠的時(shí)間在水的推動(dòng)下向前流動(dòng)并填充型腔，熔體的流動(dòng)較為平穩(wěn)，形成的制品壁厚相對較厚，但可能會(huì)出現(xiàn)熔體填充不充分的情況，尤其是在型腔的復(fù)雜部位。隨著注水速度的增加，水的穿透速度加快，水能夠迅速在熔體中推進(jìn)，熔體受到的沖擊力增大，流動(dòng)變得更加劇烈，熔體在型腔內(nèi)的填充速度加快，能夠更好地填充型腔的各個(gè)角落，但同時(shí)也可能導(dǎo)致熔體的不均勻分布，在水的穿透路徑周圍，熔體可能會(huì)被過度擠壓，導(dǎo)致壁厚變薄。當(dāng)注水速度進(jìn)一步提高時(shí)，水的穿透速度極快，熔體可能來不及均勻分布就被水推動(dòng)到型腔的末端，容易出現(xiàn)熔體堆積和壁厚不均勻的問題，嚴(yán)重影響制品的質(zhì)量。不同注水速度下的壓力分布也有所不同。在低注水速度下，水的推進(jìn)較為緩慢，所需的壓力相對較小，壓力分布較為平緩。隨著注水速度的增加，為了推動(dòng)水快速穿透熔體，需要更高的壓力，因此在水的注入端和穿透路徑上，壓力迅速升高，壓力梯度增大。當(dāng)注水速度過高時(shí)，壓力在短時(shí)間內(nèi)急劇上升，可能會(huì)導(dǎo)致模具承受過大的壓力，甚至出現(xiàn)模具損壞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)使制品內(nèi)部的應(yīng)力集中加劇。圖4展示了注水速度對溫度分布的影響。在低注水速度下，水與熔體之間的接觸時(shí)間較長，熱量交換較為充分，熔體的冷卻相對均勻。隨著注水速度的增加，水與熔體的接觸時(shí)間縮短，熱量交換不充分，在水的穿透路徑周圍，熔體的溫度下降較快，而遠(yuǎn)離水的熔體溫度下降較慢，導(dǎo)致熔體的溫度分布不均勻。當(dāng)注水速度過高時(shí)，熔體的溫度分布更加不均勻，可能會(huì)出現(xiàn)局部過熱或過冷的現(xiàn)象，影響制品的結(jié)晶度和力學(xué)性能?！敬颂幉迦雸D3和圖4，圖3為不同注水速度下熔體和水的流動(dòng)形態(tài)圖，圖4為不同注水速度下熔體和水的溫度分布圖】5.1.3注水延遲時(shí)間的影響圖5展示了不同注水延遲時(shí)間下熔體和水的流動(dòng)形態(tài)。當(dāng)注水延遲時(shí)間較短時(shí)，在熔體還未充分填充型腔的情況下就注入水，水的注入會(huì)對熔體的流動(dòng)產(chǎn)生較大的干擾，可能導(dǎo)致熔體在型腔內(nèi)的分布不均勻，出現(xiàn)局部堆積或空洞的現(xiàn)象。隨著注水延遲時(shí)間的增加，熔體有更多的時(shí)間在型腔內(nèi)自然流動(dòng)并初步填充型腔，此時(shí)注入水，水能夠更好地推動(dòng)熔體繼續(xù)填充剩余的型腔空間，熔體的流動(dòng)更加平穩(wěn)，制品的壁厚更加均勻。但如果注水延遲時(shí)間過長，熔體可能已經(jīng)在型腔內(nèi)部分冷卻固化，水的穿透難度增大，需要更高的壓力來推動(dòng)水，而且可能會(huì)導(dǎo)致水無法完全穿透熔體，影響制品的中空結(jié)構(gòu)成型。在壓力分布方面，較短的注水延遲時(shí)間會(huì)導(dǎo)致水注入時(shí)壓力迅速上升，因?yàn)榇藭r(shí)熔體的流動(dòng)性較好，水容易快速穿透熔體，需要較大的壓力來控制水的流動(dòng)。隨著注水延遲時(shí)間的增加，水注入時(shí)的壓力上升相對平緩，因?yàn)槿垠w已經(jīng)初步填充型腔，對水的流動(dòng)有一定的阻力，使得水的穿透速度相對較慢，所需壓力也相對較小。當(dāng)注水延遲時(shí)間過長時(shí)，由于熔體的部分固化，水的穿透困難，壓力會(huì)急劇升高，可能會(huì)對模具和制品造成損壞。圖6展示了不同注水延遲時(shí)間下的溫度分布情況。較短的注水延遲時(shí)間下，水與熔體接觸時(shí)，熔體溫度較高，熱量交換迅速，在水的穿透路徑周圍形成較大的溫度梯度。隨著注水延遲時(shí)間的增加，熔體在型腔內(nèi)流動(dòng)過程中會(huì)有一定的散熱，水注入時(shí)熔體溫度相對較低，熱量交換相對減緩，溫度梯度減小。當(dāng)注水延遲時(shí)間過長時(shí)，熔體部分冷卻固化，水與熔體之間的熱量交換進(jìn)一步受到限制，溫度分布相對不均勻，可能會(huì)影響制品的質(zhì)量?！敬颂幉迦雸D5和圖6，圖5為不同注水延遲時(shí)間下熔體和水的流動(dòng)形態(tài)圖，圖6為不同注水延遲時(shí)間下熔體和水的溫度分布圖】5.2工藝參數(shù)對成型過程的影響規(guī)律在水輔共注成型過程中，工藝參數(shù)的選擇對成型質(zhì)量起著決定性作用。通過深入分析不同工藝參數(shù)下的模擬結(jié)果，總結(jié)出各參數(shù)對成型過程的影響規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)中的工藝參數(shù)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。注水溫度是影響成型過程的重要參數(shù)之一。隨著注水溫度的升高，水與熔體之間的溫差減小，熱量交換減緩，熔體冷卻固化速度變慢。這使得水在熔體中的穿透速度加快，熔體在型腔內(nèi)的填充更加均勻，有利于形成壁厚均勻的制品。從模擬結(jié)果來看，注水溫度從20℃升高到60℃時(shí)，水的穿透速度提高了約30%，熔體的填充均勻性得到顯著改善，制品壁厚的偏差率從15%降低到8%。較高的注水溫度還能減少制品內(nèi)部的應(yīng)力集中，提高制品的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性。因?yàn)樵谳^低的注水溫度下，熔體冷卻速度快，容易在制品內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度，導(dǎo)致應(yīng)力集中；而注水溫度升高后，溫度梯度減小，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解。注水溫度過高也可能帶來一些問題，如熔體的黏度過低，可能導(dǎo)致熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)過于劇烈，難以控制，從而影響制品的成型質(zhì)量。注水速度對成型過程也有著顯著影響。當(dāng)注水速度增加時(shí)，水在熔體中的穿透速度加快，熔體受到的沖擊力增大，流動(dòng)變得更加劇烈。這使得熔體能夠更快地填充型腔，提高生產(chǎn)效率，但同時(shí)也可能導(dǎo)致熔體的不均勻分布，出現(xiàn)壁厚不均勻的情況。模擬結(jié)果表明，注水速度增加一倍時(shí)，成型周期縮短了約20%，但制品壁厚的最大偏差率從10%增加到18%。注水速度過高還可能導(dǎo)致水沖破熔體，使制品出現(xiàn)缺陷。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)制品的形狀、尺寸和材料特性等因素，合理選擇注水速度，以平衡生產(chǎn)效率和制品質(zhì)量。注水延遲時(shí)間對成型過程的影響同樣不容忽視。適當(dāng)?shù)淖⑺舆t時(shí)間可以使熔體在型腔內(nèi)充分流動(dòng)并初步填充型腔，此時(shí)注入水，水能夠更好地推動(dòng)熔體繼續(xù)填充剩余空間，從而獲得壁厚均勻的制品。如果注水延遲時(shí)間過短，熔體還未充分填充型腔就注入水，水的注入會(huì)對熔體的流動(dòng)產(chǎn)生較大干擾，導(dǎo)致熔體分布不均勻，出現(xiàn)局部堆積或空洞的現(xiàn)象。而注水延遲時(shí)間過長，熔體可能已經(jīng)部分冷卻固化，水的穿透難度增大，需要更高的壓力來推動(dòng)水，而且可能無法完全穿透熔體，影響制品的中空結(jié)構(gòu)成型。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)注水延遲時(shí)間從0.5s增加到1.5s時(shí)，制品壁厚的均勻性得到明顯改善，壁厚偏差率從20%降低到12%；但當(dāng)注水延遲時(shí)間繼續(xù)增加到2.5s時(shí)，水的穿透深度減小了約25%，制品的中空率下降，無法滿足設(shè)計(jì)要求。通過對不同工藝參數(shù)下模擬結(jié)果的分析，明確了注水溫度、注水速度和注水延遲時(shí)間等工藝參數(shù)對水輔共注成型過程的影響規(guī)律。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)制品的具體要求和材料特性，綜合考慮各工藝參數(shù)的相互作用，合理選擇和優(yōu)化工藝參數(shù)，以提高制品的成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率。5.3基于流變學(xué)理論的影響機(jī)理闡述從流變學(xué)理論的角度深入分析，工藝參數(shù)對熔體和水流動(dòng)行為的影響具有內(nèi)在的物理機(jī)制，這與聚合物熔體的黏性、彈性以及水的流動(dòng)特性密切相關(guān)。溫度是影響聚合物熔體黏度的關(guān)鍵因素，根據(jù)Cross-WLF型本構(gòu)方程，熔體的零剪切黏度\eta_0(T)與溫度T之間存在著WLF方程所描述的關(guān)系。當(dāng)溫度升高時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間的相互作用力減弱，導(dǎo)致零剪切黏度降低。在水輔共注成型過程中，注水溫度和內(nèi)層熔體溫度的變化都會(huì)對熔體黏度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響熔體的流動(dòng)行為。較高的注水溫度使得水與熔體之間的溫差減小，熔體冷卻固化速度變慢，熔體的黏度相對較低，流動(dòng)性增強(qiáng)。這使得水在熔體中的穿透速度加快，熔體能夠更迅速地填充型腔，從而提高了成型效率。在模擬結(jié)果中，注水溫度從20℃升高到60℃時(shí)，水的穿透速度明顯提高，熔體的填充更加均勻，這正是由于溫度升高導(dǎo)致熔體黏度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)的結(jié)果。較高的熔體溫度同樣會(huì)使熔體黏度降低，有利于熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)和均勻分布。當(dāng)內(nèi)層熔體溫度升高時(shí)，熔體在注射階段能夠更快地填充型腔，并且在水注射階段，也能更好地與水相互作用，形成均勻的壁厚分布。剪切速率對聚合物熔體的黏度也有顯著影響，聚合物熔體通常表現(xiàn)出非牛頓流體特性，即剪切變稀或剪切增稠現(xiàn)象。在水輔共注成型過程中，熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)會(huì)受到不同程度的剪切作用，其黏度會(huì)隨著剪切速率的變化而改變。在澆口附近和水與熔體的界面處，熔體受到的剪切速率較大，會(huì)出現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象，黏度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)。這使得熔體能夠更容易地通過澆口進(jìn)入型腔，并在水的推動(dòng)下向前流動(dòng)。而在遠(yuǎn)離澆口和界面的區(qū)域，剪切速率較小，熔體黏度相對較高，流動(dòng)速度較慢。注水速度的變化會(huì)直接影響水對熔體的剪切作用。當(dāng)注水速度增加時(shí)，水與熔體之間的相對速度增大，熔體受到的剪切速率也隨之增大，剪切變稀現(xiàn)象更加明顯，熔體黏度降低，水的穿透速度加快。但如果注水速度過高，熔體受到的剪切作用過強(qiáng)，可能會(huì)導(dǎo)致熔體的不均勻分布，出現(xiàn)壁厚不均勻等問題。除了溫度和剪切速率，其他工藝參數(shù)如注水延遲時(shí)間也會(huì)通過影響熔體的狀態(tài)和流動(dòng)過程，進(jìn)而影響成型質(zhì)量。合適的注水延遲時(shí)間可以使熔體在型腔內(nèi)充分流動(dòng)并初步填充型腔，此時(shí)熔體的溫度分布相對均勻，黏度也較為穩(wěn)定。當(dāng)注入水時(shí)，水能夠在相對均勻的熔體環(huán)境中順利穿透，推動(dòng)熔體繼續(xù)填充剩余空間，從而獲得壁厚均勻的制品。如果注水延遲時(shí)間過短，熔體還未充分填充型腔就注入水，水的注入會(huì)對熔體的流動(dòng)產(chǎn)生較大干擾，導(dǎo)致熔體分布不均勻。此時(shí)，熔體在受到水的沖擊時(shí)，不同部位的溫度和黏度差異較大，流動(dòng)行為變得復(fù)雜，容易出現(xiàn)局部堆積或空洞的現(xiàn)象。而注水延遲時(shí)間過長，熔體可能已經(jīng)部分冷卻固化，熔體的黏度增大，流動(dòng)性變差，水的穿透難度增大，需要更高的壓力來推動(dòng)水，而且可能無法完全穿透熔體，影響制品的中空結(jié)構(gòu)成型。通過流變學(xué)理論的分析，深入揭示了工藝參數(shù)對熔體和水流動(dòng)行為的影響機(jī)理。溫度和剪切速率等因素通過改變?nèi)垠w的黏度，直接影響熔體的流動(dòng)特性；而注水延遲時(shí)間等參數(shù)則通過影響熔體的狀態(tài)和流動(dòng)過程，間接影響成型質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中，深入理解這些影響機(jī)理，對于合理選擇和優(yōu)化工藝參數(shù)，提高水輔共注成型制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要意義。六、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與模擬結(jié)果對比6.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，精心設(shè)計(jì)了水輔共注成型實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)材料的選擇上，綜合考慮制品的性能要求和成本因素，選用了廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的聚丙烯（PP）作為殼層熔體材料，其具有良好的力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕性和加工性能，能夠滿足大多數(shù)制品的使用需求。對于芯層熔體，選用了聚乙烯（PE），它具有較高的柔韌性和耐沖擊性，與聚丙烯在性能上能夠形成互補(bǔ)，適合用于制造具有特定功能要求的多層復(fù)合塑料制品。在實(shí)際生產(chǎn)中，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水管，就常采用類似的材料組合，以滿足其對耐溫、耐壓和柔韌性的要求。模具設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，直接影響到制品的成型質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)水輔共注成型的工藝特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)了一套專用模具。模具采用了模塊化設(shè)計(jì)理念，便于組裝和拆卸，同時(shí)能夠保證型腔的精度和密封性。模具的型腔形狀為簡單的管狀，這種形狀能夠較好地模擬實(shí)際生產(chǎn)中常見的管狀制品，如水管、油管等。型腔的尺寸根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行了精確設(shè)計(jì)，長度為200mm，內(nèi)徑為20mm，外徑為30mm。模具的澆口設(shè)計(jì)采用側(cè)澆口形式，這種澆口形式能夠使熔體和水均勻地進(jìn)入型腔，減少流動(dòng)過程中的壓力損失和剪切應(yīng)力。為了確保水能夠準(zhǔn)確地注入到芯層熔體中，在模具上設(shè)置了專門的注水通道，注水通道與型腔之間通過一個(gè)細(xì)小的噴嘴相連，噴嘴的直徑為2mm，能夠有效控制水的注入速度和壓力。在模具的表面，設(shè)置了多個(gè)壓力傳感器和溫度傳感器的安裝孔，以便在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測熔體和水的壓力、溫度變化。實(shí)驗(yàn)設(shè)備的搭建也經(jīng)過了精心策劃。選用了一臺(tái)型號(hào)為HTF150X2的注塑機(jī)，該注塑機(jī)具有較高的注射精度和穩(wěn)定性，最大注射量為300cm3，最大注射壓力為150MPa，能夠滿足實(shí)驗(yàn)中對熔體注射的要求。水輔注射系統(tǒng)則選用了德國某公司生產(chǎn)的專業(yè)水輔注射裝置，該裝置能夠產(chǎn)生高達(dá)20MPa的水壓，并且可以精確控制注水的速度、溫度和延遲時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)水輔注射裝置的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同注水條件下的實(shí)驗(yàn)。為了準(zhǔn)確測量熔體和水的壓力、溫度變化，采用了高精度的壓力傳感器和溫度傳感器。壓力傳感器的測量范圍為0-50MPa，精度為±0.1MPa；溫度傳感器的測量范圍為0-300℃，精度為±1℃。這些傳感器將測量得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，以便后續(xù)分析。在實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定方面，為了與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，選取了一系列具有代表性的工藝參數(shù)。內(nèi)層注射量設(shè)定為50cm3，外層注射量設(shè)定為80cm3，這樣的注射量組合能夠保證在型腔內(nèi)形成合適的熔體分布。注水溫度分別設(shè)定為20℃、40℃和60℃，以研究注水溫度對成型過程的影響。注水速度設(shè)置為5cm3/s、10cm3/s和15cm3/s，通過改變注水速度，觀察熔體和水的流動(dòng)行為變化。注水延遲時(shí)間分別為0.5s、1.0s和1.5s，分析不同注水延遲時(shí)間下制品的成型質(zhì)量。內(nèi)層熔體溫度設(shè)定為200℃，模壁溫度設(shè)定為40℃，這些溫度參數(shù)是根據(jù)聚丙烯和聚乙烯的加工特性以及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定的。在每次實(shí)驗(yàn)中，保持其他參數(shù)不變，僅改變一個(gè)參數(shù)，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，以便更清晰地分析每個(gè)參數(shù)對成型過程的影響。6.2實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)采集在水輔共注成型實(shí)驗(yàn)中，嚴(yán)格按照既定的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行操作，確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)開始前，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行全面檢查和調(diào)試，保證注塑機(jī)、水輔注射裝置、壓力傳感器、溫度傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等設(shè)備均處于正常工作狀態(tài)。首先進(jìn)行模具安裝與調(diào)試。將設(shè)計(jì)好的模具安裝在注塑機(jī)上，確保模具的安裝位置準(zhǔn)確，固定牢固。通過注塑機(jī)的控制系統(tǒng)，對模具的開合模動(dòng)作進(jìn)行調(diào)試，檢查模具的運(yùn)動(dòng)是否順暢，有無卡頓或異常聲響。同時(shí)，對模具的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行檢查和調(diào)試，確保冷卻液能夠在模具的冷卻通道中正常循環(huán)流動(dòng)，以保證在實(shí)驗(yàn)過程中模具能夠均勻冷卻。在材料準(zhǔn)備方面，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，準(zhǔn)備好足量的聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）原料。對原料進(jìn)行干燥處理，以去除原料中的水分，避免水分在成型過程中對制品質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。將干燥后的原料分別加入到注塑機(jī)的料斗中，確保原料能夠順利進(jìn)入注塑機(jī)的螺桿塑化系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格按照設(shè)定的工藝參數(shù)進(jìn)行操作。啟動(dòng)注塑機(jī)，將螺桿塑化系統(tǒng)加熱到設(shè)定的內(nèi)層熔體溫度200℃，使聚乙烯（PE）原料充分塑化。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定后，開始進(jìn)行內(nèi)層熔體注射。通過注塑機(jī)的控制系統(tǒng)，將內(nèi)層注射量精確控制為50cm3，以保證每次實(shí)驗(yàn)的內(nèi)層熔體注射量一致。在完成內(nèi)層熔體注射后，迅速切換到外層熔體注射階段。將注塑機(jī)的螺桿塑化系統(tǒng)加熱到適合聚丙烯（PP）塑化的溫度，同樣使原料充分塑化后，按照設(shè)定的外層注射量80cm3進(jìn)行注射。在熔體注射完成后，根據(jù)設(shè)定的注水延遲時(shí)間，啟動(dòng)水輔注射裝置。當(dāng)注水延遲時(shí)間為0.5s時(shí)，在熔體注射完成0.5s后，將水輔注射裝置中的水加熱到設(shè)定的注水溫度，如20℃，然后以設(shè)定的注水速度，如5cm3/s，將水通過專門的注水通道注入到芯層熔體中。在水注射過程中，密切關(guān)注水輔注射裝置的壓力顯示，確保注水壓力穩(wěn)定在合適的范圍內(nèi)。同時(shí)，利用壓力傳感器和溫度傳感器，實(shí)時(shí)測量熔體和水在型腔內(nèi)的壓力和溫度變化。壓力傳感器安裝在模具的關(guān)鍵位置，如澆口處、水注入端以及熔體前沿等，以獲取不同位置的壓力數(shù)據(jù)。溫度傳感器則分布在模具型腔的不同部位，包括靠近模壁處、熔體內(nèi)部以及水與熔體的界面附近，用于測量不同位置的溫度分布。在保壓階段，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)定合適的保壓壓力和保壓時(shí)間。保壓壓力的設(shè)定需要考慮制品的尺寸、形狀、材料特性以及成型過程中的壓力變化等因素，通過注塑機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。保壓時(shí)間則根據(jù)制品的冷卻情況和所需的成型質(zhì)量進(jìn)行確定，在本次實(shí)驗(yàn)中，保壓時(shí)間設(shè)定為10s，以確保制品在冷卻過程中保持形狀穩(wěn)定，并補(bǔ)償由于熔體冷卻收縮而產(chǎn)生的體積變化。在冷卻階段，通過模具的冷卻系統(tǒng)，將冷卻液以一定的流量和溫度循環(huán)通入模具的冷卻通道中，帶走制品中的熱量，使熔體逐漸冷卻固化。冷卻時(shí)間根據(jù)制品的厚度、材料的熱性能以及模具的冷卻效率等因素進(jìn)行設(shè)定，在本次實(shí)驗(yàn)中，冷卻時(shí)間設(shè)定為15s。在冷卻過程中，持續(xù)監(jiān)測模具型腔和制品的溫度變化，確保冷卻過程均勻、穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)完成后，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)過程中采集到的壓力、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與壓力傳感器、溫度傳感器相連，能夠?qū)崟r(shí)采集傳感器測量的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)的形式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。同時(shí)，對成型后的制品進(jìn)行尺寸測量和質(zhì)量檢測。使用高精度的量具，如卡尺、千分尺等，對制品的外徑、內(nèi)徑、壁厚等尺寸進(jìn)行測量，記錄測量數(shù)據(jù)，并與設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行對比，分析制品的尺寸精度。對制品的外觀進(jìn)行檢查，觀察是否存在表面缺陷，如縮痕、氣孔、裂紋等，并對缺陷的類型和位置進(jìn)行記錄。還可以采用一些無損檢測方法，如超聲波檢測、X射線檢測等，對制品的內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測，查看是否存在內(nèi)部缺陷，如空洞、分層等。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和制品質(zhì)量的分析，為后續(xù)與數(shù)值模擬結(jié)果的對比提供依據(jù)。6.3模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，是驗(yàn)證數(shù)值模擬模型準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵步驟，能夠深入了解數(shù)值模擬的精度和存在的不足，為進(jìn)一步改進(jìn)和完善數(shù)值模擬模型提供依據(jù)。圖7展示了不同注水溫度下，數(shù)值模擬得到的熔體和水的流動(dòng)形態(tài)與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果的對比。從圖中可以看出，在20℃注水溫度下，數(shù)值模擬預(yù)測的水的穿透速度較慢，熔體在靠近水注入端的填充較多，遠(yuǎn)離水注入端的填充較少，這與實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象基本一致。在實(shí)驗(yàn)中，由于水的溫度較低，與熔體之間的溫差大，熔體冷卻固化較快，對水的流動(dòng)約束較強(qiáng)，導(dǎo)致水的穿透速度受到限制，熔體的填充也不均勻。在40℃注水溫度下，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都顯示水的穿透速度有所提高，熔體的填充更加均勻。這是因?yàn)殡S著注水溫度的升高，水與熔體的溫差減小，熔體冷卻固化速度變慢，水的流動(dòng)阻力減小，從而能夠更順暢地穿透熔體，推動(dòng)熔體均勻填充型腔。在60℃注水溫度下，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明水的穿透速度進(jìn)一步加快，熔體在型腔內(nèi)的填充更加均勻，整個(gè)型腔內(nèi)的熔體分布更加合理。【此處插入圖7，圖7為不同注水溫度下數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的熔體和水流動(dòng)形態(tài)對比圖】在壓力分布方面，圖