快速热循环注塑聚合物热粘弹流动和分子构象多尺度多物理场耦合分析

Premature condensation, poor filling and replication ability of polymer melts are the main bottlenecks for the production of optical parts, miniature products and ultra-long thin-wall parts in injection molding process. Rapid heat cycle molding technology is an effective way to solve the aforementioned problems. However, the deformation mechanism of polymer melt complex flow under variothermal molding environment is still unclear, and its forming process lack of reliable theoretical guidance. The current project aims to numerically research on the multi-scale behavior of melt thermal viscoelastic flow in rapid heat cycle molding process. A new constitutive model which can connect melt viscoelastic behavior in macroscale and topology changes of polymer molecular chains in mesoscale will be developed by using the molecular dynamics method. The multi-scale model for melt macro filling filed and molecular conformation variation in mecsoscale will be established for melt thermal viscoelastic flow. And the multi-scale multi-field model along with its numerical implementation will be established for the simulation of the thermal viscoelastic two-phase flow process coupled with mold heat transfer. According to the numerical simulation and experiment, the variations of the mold temperature, together with the flow field, temperature field, stress-strain field and molecular conformation for polymer melt will be revealed. As a result, the processing mechanism for melt thermal viscoelastic two-phase filling flow under variothermal molding environment will be elucidated. The current project contacts tightly with the main scientific problems faced by the rapid heat cycle molding technique. Therefore, the smooth implementation of the proposed project can provide theoretical guidance and technical support for the mold design, part design and optimization of process parameters in rapid heat cycle molding process.

聚合物过早冷凝、熔体充模和转印能力差是光学制品、微型零件以及超长薄壁件注塑成型面临的主要难题，快速热循环注塑是解决上述问题的有效途径。然而，变模温环境下熔体复杂流动成型的变形机理尚不明确，其工艺过程尚缺乏可靠的理论指导。本项目拟针对快速热循环注塑聚合物热粘弹流动过程开展多尺度模拟和实验研究：基于分子理论建立联系熔体宏观粘弹效应与分子拓扑结构演变的动力学模型；构建能够同时描述熔体宏观流场和大分子链构象变化的聚合物热粘弹流动多尺度模型；实现耦合模具传热的熔体热粘弹流动过程多尺度、多物理场耦合问题的数值模拟；通过多尺度模拟和实验研究，获得模具温度场、熔体流场、温度场、应力应变场以及聚合物大分子链构象状态的变化规律，阐明变模温环境下聚合物热粘弹两相流动过程的成型机理。本项目密切结合快速热循环注塑技术存在的主要科学问题，项目的顺利实施将为其模具设计、塑件设计和工艺参数优化控制奠定理论和技术基础。

快速热循环注塑是近年来兴起的一种快速变模温注塑成型新技术，该技术能够有效解决传统注塑过程中聚合物过早冷凝、熔体充模/转印能力差的问题，在光学制品、微型零件、精密塑件以及超长薄壁件注塑成型等方面有很好的应用前景。然而，变模温环境下聚合物熔体复杂流动成型的变形机理尚不明确，其工艺过程尚缺乏可靠的理论指导。本项目针对快速热循环注塑过程中的模具瞬态传热、熔体流动多尺度、多物理场耦合等问题进行了数值模拟理论与实验研究。构建了模具瞬态温度场、熔体热粘性/粘弹性流动温度场、流场的耦合分析的数学模型，分析了速度-压力耦合场、模具温度-熔体温度耦合场以及聚合物分子多尺度流动行为的数学描述，实现了控制方程的数值求解；基于Linux系统下的OpenFOAM开源平台，开发了耦合模具传热的聚合物熔体粘性流动分析程序conjugatePolymerFillingFoam、聚合物熔体热粘弹流动的数值模拟程序viscoelasticFluidHeatFoam以及耦合模具传热的熔体热粘弹流动模拟程序conjugateViscoelasticFluidHeatFoam等；研究了聚合物材料的粘性和热粘弹效应，建立了Giesekus、Leonov、FENE、PTT模型以及基于分子理论的动力学模型XPP、DCPP、MDCPP等热粘弹性本构关系模型程序；开展了快速热循环注塑模具瞬态温度场分析、熔体充填流动模拟及注塑实验研究，获得了模具结构和加热工艺参数对聚合物熔体热粘性/粘弹性两相流动过程的影响规律，研究获得了温度边界对聚合物熔体流场、温度场、应力应变场及塑件质量的影响规律，揭示了快速热循环注塑过程中变模温环境下聚合物熔体流动过程的成型机理，分析了加工过程的可成型性和工艺特性，其模拟结果可用于预测成型制品的微观结构和力学性能。本项目密切结合快速热循环注塑技术存在的主要科学问题，项目所开发的数值模拟程序以及获得的模具温度场、熔体流场、温度场变化规律，对于快速热循环注塑技术的模具结构设计、塑件优化设计以及工艺参数的优化控制具有很好的理论价值和指导意义。