POLYFLOW基礎(chǔ)及其在塑料加工中的應(yīng)用

前言

　　目前，我國在塑料制品設(shè)計、模具設(shè)計和成型工藝控制等新產(chǎn)品開發(fā)環(huán)節(jié)還主要依靠設(shè)計者的經(jīng)驗，但由于高分子流體黏彈性而產(chǎn)生流動行為的特殊性，導(dǎo)致設(shè)計存在缺陷，經(jīng)常出現(xiàn)不能獲得合格產(chǎn)品而反復(fù)試模和修模的狀況。CAE（ComputerAidEngineering）技術(shù)是在計算機(jī)上運用專業(yè)軟件對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬分析，以此來代替試制和試驗，提高一次試模的成功率。利用CAE技術(shù)可以在設(shè)計階段對制品設(shè)計和模具設(shè)計的方案進(jìn)行評價，預(yù)測制品可能產(chǎn)生的缺陷，修改設(shè)計，從而獲得最優(yōu)化的方案。本書中我們介紹的POLYFLOW軟件就是一種目前應(yīng)用最廣泛的黏彈性材料流動分析的CAE軟件?！　OLYFLOW軟件是由比利時Louvain大學(xué)于1982年研發(fā)成功的，是采用有限元法的計算機(jī)流體力學(xué)（CFD）軟件，具有強大的解決非牛頓、非線性問題的能力，專用于黏彈性材料的流動模擬。它主要適用于高分子材料的擠出成型、吹塑成型、擠出紡絲、層流混合過程中的流動及傳熱和化學(xué)反應(yīng)問題。多年來，POLYFLOW在模擬黏彈性流動方面始終領(lǐng)先于其他軟件?！　OLYFLOW軟件作為高分子流動過程模擬領(lǐng)先的軟件在國外擁有大批的用戶，近年來POLYFLOW軟件在國內(nèi)的許多科研單位和生產(chǎn)企業(yè)開始應(yīng)用，但目前國內(nèi)介紹POLYFLOW軟件的中文教程很少，內(nèi)容也不系統(tǒng)。為此，我們編寫此書，為對POLYFLOW軟件學(xué)習(xí)感興趣的讀者提供參考?！　”緯訮OLYFLOW3.10為版本，內(nèi)容分為兩部分：1～7章分別介紹了POLYFLOW軟件的理論基礎(chǔ)、各模塊的功能、基本菜單及基本操作，內(nèi)容涵蓋幾何模型建立、模型網(wǎng)格劃分、模型邊界及參數(shù)設(shè)置、分析計算、后處理分析及結(jié)果輸出等；8～10章結(jié)合我們的研究工作，通過一些典型的實例介紹POLYFLOW軟件在擠出成型、中空吹塑成型和聚合物共混等方面的應(yīng)用?！　OLYFLOW是一種多級菜單結(jié)構(gòu)的軟件，為方便讀者的學(xué)習(xí)，本書對每個英文菜單和命令進(jìn)行了中文注釋，并配有一張光盤，包含范例的實際操作視頻和范例模型文件，可以引導(dǎo)讀者按照書中的過程進(jìn)行練習(xí)操作，使讀者輕松學(xué)習(xí)?！　∮捎诒緯膶懽鬏^為匆忙，加之我們對軟件的理解有限，書中難免存在不足，熱忱希望讀者提出寶貴意見，幫助我們不斷完善?！　【幷摺　?009年7月于杭州

內(nèi)容概要

POLYFLOW軟件是目前應(yīng)用最廣泛的黏彈性材料流動分析的CAE軟件，本書以POLYFLOW 3.10為版本，內(nèi)容共分為10章，1～7章分別介紹了POLYFLOW軟件的理論基礎(chǔ)和各模塊的功能及操作，內(nèi)容涵蓋幾何模型建立、模型網(wǎng)格劃分、模型邊界及參數(shù)設(shè)置、分析計算、后處理分析及結(jié)果輸出等；8～10章通過一些典型的實例介紹POLYFLOW軟件在擠出成型、中空吹塑成型和聚合物共混等方面的應(yīng)用。    本書采用軟件基本操作與典型范例相結(jié)合的講解方式，結(jié)構(gòu)清晰，內(nèi)容全面，圖文并茂，通俗易懂，可以使讀者輕松上手，并配有一張光盤，包含范例的操作視頻和范例模型文件。    本書可作為POLYFLOW軟件初學(xué)者的自學(xué)教材和參考書，還可作為大專院校高分子材料和模具專業(yè)師生的課程教材及相關(guān)培訓(xùn)教材。

書籍目錄

第1章  POLYFLOW理論基礎(chǔ)  1.1  計算流體動力學(xué)分析理論基礎(chǔ)    1.1.1  概述    1.1.2  計算流體動力學(xué)的工作步驟    1.1.3  計算流體動力學(xué)的特點    1.1.4  計算流體動力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域    1.1.5  計算流體動力學(xué)的數(shù)值解法  1.2  流體力學(xué)中流體與流動的基本特性    1.2.1  理想流體與黏性流體    1.2.2  牛頓流體與非牛頓流體    1.2.3  流體熱傳導(dǎo)及擴(kuò)散    1.2.4  可壓縮流體與不可壓縮流體    1.2.5  穩(wěn)定流動與非穩(wěn)定流動    1.2.6  層流與湍流    1.2.7  聚合物流變行為  1.3  流體動力學(xué)控制方程    1.3.1  質(zhì)量守恒方程    1.3.2  動量守恒方程    1.3.3  能量守恒方程    1.3.4  組分質(zhì)量守恒方程    1.3.5  控制方程的通用形式    1.3.6  對控制方程的進(jìn)一步討論  1.4  CFD的求解過程    1.4.1  總體計算流程    1.4.2  建立控制方程    1.4.3  確定邊界條件與初始條件    1.4.4  劃分計算網(wǎng)格    1.4.5  建立離散方程    1.4.6  離散初始條件和邊界條件    1.4.7  給定求解控制參數(shù)    1.4.8  求解離散方程    1.4.9  判斷解的收斂性    1.4.10  顯示和輸出計算結(jié)果  1.5 CFD  軟件結(jié)構(gòu)以及常用的CFD商業(yè)軟件    1.5.1  軟件結(jié)構(gòu)    1.5.2  常用的CFD商用軟件第2章  POLYFLOW軟件及分析流程  2.1　軟件介紹    2.1.1　POLYFLOW簡介    2.1.2　POLYFLOW軟件結(jié)構(gòu)    2.1.3　POLYFLOW的一些基本概念    2.3.4　POLYFLOW分拆概要  2.2　POLYFLOW分析流程    2.2.1  問題描述    2.2.2　POLYMAN中薪建項目、啟動POLYDATA和輸入網(wǎng)絡(luò)文件    2.2.3　POLYDATA參數(shù)設(shè)置    2.2.4　POLYFLOW計算求解    2.2.5　結(jié)果文件的后處理第3章　主控程序POLYMAN  3.1　POLYMAN用戶界面    3.1.1　菜單欄    3.1.2　工具欄    3.1.3　樹狀區(qū)　  3.1.4　信息區(qū)    3.1.5　注釋區(qū)    3.1.6　Tab(標(biāo)簽)欄  3.2　創(chuàng)建新的工程項目、新的模擬和幾何    3.2.1　創(chuàng)建新的項目    3.2.2　創(chuàng)建新的GAMBIT文件    3.2.3　創(chuàng)建新的模擬  3.3　打開已有項目  3.4　導(dǎo)入文件 　 3.4.1　導(dǎo)入GAMBIT文件  　3.4.2　導(dǎo)入模擬文件  　3.4.3　導(dǎo)入網(wǎng)格文件  　3.4.4　導(dǎo)入材料參數(shù)文件  　3.4.5　導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件　　……第4章  前處理模塊GAMBIT第5章  主程序模塊POLYDATA第6章  圖形后處理模塊FLUENT/Post第7章  統(tǒng)計后處理模塊POLYSTAT第8章  POLYFLOW在塑料擠出成型中的應(yīng)用第9章  POLYFLOW在吹塑成型中的應(yīng)用第10章  POLYFLOW在聚合物共混過程中的應(yīng)用參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1.1.2計算流體動力學(xué)的工作步驟　　采用CFD的方法對流體流動進(jìn)行數(shù)值模擬，通常包括以下步驟?！　。?）建立反映工程問題或物理問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型具體地說就是要建立反映問題各個量之間關(guān)系的微分方程及相應(yīng)的定解條件，這是數(shù)值模擬的出發(fā)點。沒有正確完善的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬就毫無意義。流體的基本控制方程通常包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及這些方程相應(yīng)的定解條件?！　。?）尋求高效率、高準(zhǔn)確度的計算方法即建立針對控制方程的數(shù)值離散化方法，如有限差分法、有限元法、有限體積法等。這里的計算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括隨體坐標(biāo)的建立、邊界條件的處理等。這些內(nèi)容，可以說是CFD的核心?！　。?）編制程序和進(jìn)行計算這部分工作包括計算網(wǎng)格劃分、初始條件和邊界條件的輸入、控制參數(shù)的設(shè)定等。這是整個工作中花時間最多的部分。由于求解的問題比較復(fù)雜，比如Navier-Stokes方程就是一個十分復(fù)雜的非線性方程，數(shù)值求解方法在理論上不是絕對完善的，所以需要通過實驗加以驗證。正是從這個意義上講，數(shù)值模擬又叫數(shù)值試驗。應(yīng)該指出，這部分工作不是輕而易舉就可以完成的?！　。?）顯示計算結(jié)果計算結(jié)果一般通過圖表等方式顯示，這對檢查和判斷分析質(zhì)量和結(jié)果有重要參考意義。　　以上這些步驟構(gòu)成了CFD數(shù)值模擬的全過程。其中數(shù)學(xué)模型的建立是理論研究的課題，一般由理論工作者完成。　　1.1.3計算流體動力學(xué)的特點　　CFD的長處是適應(yīng)性強、應(yīng)用面廣。首先，流動問題的控制方程一般是非線性的，自變量多，計算域的幾何形狀和邊界條件復(fù)雜，很難求得解析解，而用CF_D方法則有可能找出滿足工程需要的數(shù)值解。其次，可利用計算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)值試驗，例如，選擇不同流動參數(shù)進(jìn)行物理方程中各項有效性和敏感性試驗，從而進(jìn)行方案比較。最后，它不受物理模型和實驗?zāi)Ｐ偷南拗疲″X省時，有較多的靈活性，能給出詳細(xì)和完整的資料，很容易模擬特殊尺寸、高溫、有毒、易燃等真實條件和實驗中只能接近而無法達(dá)到的理想條件?！　FlD也存在一定的局限性。第一，數(shù)值解法是一種離散近似的計算方法，依賴于物理上合理、數(shù)學(xué)上適用、適合于在計算機(jī)上進(jìn)行計算的離散的有限數(shù)學(xué)模型，且最終結(jié)果不能提供任何形式的解析表達(dá)式，只是有限個離散點上的數(shù)值解，并有一定的計算誤差。第二，它不像物理模型實驗一開始就能給出流動現(xiàn)象并定性地描述，往往需要由原體觀測或物理模型試驗提供某些流動參數(shù)，并需要對建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗證。第三，程序的編制及資料的收集、整理與正確利用，在很大程度上依賴于經(jīng)驗與技巧。此外，因數(shù)值處理方法等原因有可能導(dǎo)致計算結(jié)果的不真實，例如產(chǎn)生數(shù)值黏性和頻散等偽物理效應(yīng)。當(dāng)然，某些缺點或局限性可通過某種方式克服或彌補，這在本書中會有相應(yīng)介紹。此外，CFD因涉及大量數(shù)值計算，因此，常需要較高的計算機(jī)軟硬件配置?！　FD有自己的原理、方法和特點，數(shù)值計算與理論分析、實驗觀測相互聯(lián)系、相互促進(jìn)，但不能完全替代，三者各有各的適用場合。在實際工作中，需要注意將三者有機(jī)地結(jié)合，爭

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