注塑成型因具有生产效率高、成型精度高、易于成型复杂形状制品等优点而成为塑料成型加工领域中最重要的方法之一。在注塑成型充填和保压过程中,材料性能、模具结构、工艺参数等对型腔内熔体的流动状态、热状态和受力状态产生非常重要的影响,直接关系到最终制品的外观质量和力学性能。然而,传统的解析和实验研究方法难以解决注塑成型这一复杂的工程问题。随着计算流变学理论的日趋成熟,数值模拟为研究聚合物熔体充填和保压过程提供了一种强有力的工具。目前,大多数充填和保压过程的数值模拟研究都基于2.5维粘性模型,无法准确预测厚壁或复杂型腔内粘弹性聚合物熔体的复杂流变行为以及热力学行为。鉴于此,本文针对注塑成型过程中熔体流动及传热的特点,首先给出了合理描述三维非等温粘弹性聚合物熔体充填和保压过程的数学模型。其次,针对上述三维计算模型,发展了有效求解相应控制方程的数值方法。最后,结合区域扩充技术,成功模拟了三维复杂型腔内非等温粘弹性聚合物熔体的充填和保压过程。本文主要工作如下:(1)为了突破2.5维模型的限制,采用描述粘性熔体充填过程的三维非等温牛顿-粘性两相流数学模型。该模型基于Level Set函数将型腔内气体和粘性熔体流动控制方程统一为一个广义的Navier-Stokes方程,从而极大地降低了求解三维多场耦合问题的复杂度。采用高分辨率有限差分法求解Level Set自由界面追踪方程,并采用稳定性好、易于实施的同位网格有限体积SIMPLE方法求解三维熔体流动与传热控制方程。(2)针对多变量、强耦合、非线性的粘弹性熔体充填过程,提出了一种全三维非等温牛顿-粘弹性两相流模型。该模型采用XPP本构方程描述支化聚合物熔体的非线性流变行为,并引入Arrhenius方程描述聚合物粘度和松弛时间对温度的依赖关系。为了更准确地模拟三维非等温粘弹性熔体充填过程,基于XPP本构方程推导了能量源项表达式和固壁应力边界条件。(3)基于三维牛顿-粘性两相流模型,数值模拟了三维粘性熔体充填过程。首先,对平板型腔Cross熔体充填过程进行了数值模拟,通过与MOLDFLOW软件预测结果的比较验证了三维牛顿-粘性两相流模型的有效性。随后,针对复杂型腔引入区域扩充技术,成功实现了三维复杂型腔内Cross熔体充填过程的动态模拟,准确预测了熔体前沿界面的演化过程、喷泉效应以及凝固现象。(4)基于三维牛顿-粘弹性两相流模型,实现了三维粘弹性熔体充填过程的动态数值模拟研究。首先,对平板型腔等温XPP熔体充填过程进行了数值模拟。随后,对平板带嵌件型腔非等温XPP熔体充填过程进行了数值模拟。预测了三维型腔中熔体压力、温度和流动诱导应力等物理量的分布情况,讨论了XPP模型参数及充填工艺参数对法向应力差的影响。数值结果表明,本文三维牛顿-粘弹性两相流模型能够有效模拟真实型腔内粘弹性熔体的充填过程。(5)针对非等温XPP熔体保压问题,引入三维非等温微可压缩粘弹性流动模型。该模型采用双域Tait状态方程描述聚合物熔体的可压缩性,并首次采用同位网格有限体积CLEAR方法求解三维保压过程的控制方程。为了提高三维粘弹性熔体保压过程数值模拟的准确性,基于延迟修正方法构造了动量方程和XPP本构方程对流项的高分辨率AVLSMART格式。(6)应用三维粘弹性熔体保压过程数值模拟技术对三维粘弹性熔体保压过程进行了数值模拟研究。首先,对非等温XPP熔体平板型腔保压过程进行了数值模拟,研究了保压过程中熔体密度、压力、温度以及流动诱导应力的分布规律,并分析了保压压力和熔体温度对密度和法向应力差的影响,数值预测所得流动诱导双折射与实验测量结果一致。随后,成功实现了三维半球壳型腔XPP熔体保压过程的数值模拟。