短纤增强高分子注塑制品纤维浓度分布研究

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短纤维增强热塑性复合材料目前已广泛应用于航空航天和生物医学等领域,对其进行纤维浓度分布的研究具有重要的意义。本文基于Fluent软件对短纤维增强高分子复合材料在注塑成型中的纤维浓度分布开展了系统研究,主要研究内容和结论如下:(1)首先,本文基于Fluent软件实现了对纤维增强高聚物熔体二维充填流动的模拟。主要工作是借助Fluent的UDF二次开发了Cross-WLF粘度模型,然后实现了对高聚物熔体的充填流动过程的数值模拟,模拟结果表明在Fluent中考虑空气相并使用CLSVOF界面追踪方法更为合理,在此基础上,使用Fluent中的DPM模型和DDPM模型,分析了不同长径比和不同质量分数的长方形模型、拐角模型和圆柱绕流模型下的纤维浓度分布规律,主要结论是:纤维浓度在沿长度和宽度方向上的分布都是不均匀的,分布曲线都呈现“锯齿”状波动;在靠近墙体处,纤维浓度值有明显的降低;随着纤维长径比的增大和纤维质量分数的增大,纤维浓度分布的均匀性越来越高;沿宽度方向上的纤维浓度在拐角二区处均匀性明显下降,在圆柱二区处对称性明显下降。(2)其次,在实现了二维模拟的基础上,本文把工作扩展到了三维模拟,分析了考虑重力因素和不同厚度的长方体模型下的纤维浓度分布规律,主要是:纤维浓度在沿厚度方向上的分布也是不均匀的,分布曲线也呈现“锯齿”状波动,靠近墙体处的浓度值也明显降低;厚度方向上考虑重力因素的纤维浓度分布,其均匀性会有所提高,且有一定的不对称性,但是,随着厚度的增大,纤维浓度分布曲线越来越向两边拓宽,浓度分布规律有向宽度方向的分布规律靠近的趋势。(3)最后,本文对注塑成型中的典型制品(标准拉伸试样和圆环垫片)进行了应用方面的模拟分析,并借助微焦点X射线CT设备对制品的局部区域进行了三维扫描观测,然后利用ImageJ软件和MATLAB软件对所得到实验数据进行处理,并与数值模拟结论进行了对比讨论分析,结果表明:本文基于Fluent软件的纤维浓度分布模拟与CT扫描实验吻合较好,模拟工作具有一定的合理性,可以为工业应用中注塑制品的纤维浓度分布提供一定的理论指导和预测。
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