微孔注塑制品表面漩涡流痕的预测研究

The swirl marks on the surface of microcellular injection molded parts always deteriorate the part quality. However, there are few reports about the numerical prediction of the defects. This project focuses on developing a numerical methodology to predict the swirl marks. The research involves: (1) The models describing cell nucleation and growth are developed after considering the change of free energy of polymer matrix due to the dissolution of supercritical fluid in it, and are solved by efficient and stable algorithms to calculate the cell size and density, as well as the volume percentage of cell in the surface region. (2) The relationship models between swirl marks and volume percentage of cell is built by artificial neural network technique to predict swirl marks on the part surface. (3) Orthogonal array experiments based on Taguchi DOE are conducted to investigate relationships between swirl marks and processing parameters. The significance of processing parameters is revealed, and the mechanism is elucidated. This project is helpful for designers to analyze the effects of processing parameters on the swirl marks, so that they can optimize the processing parameters to produce good quality parts with few or without swirl marks. The methodology developed in this project will be of great importance to promote the application and generation of the microcellular injection molding.

微孔注塑制品表面经常出现漩涡流痕缺陷，严重影响了制品的质量。但对漩涡流痕进行数值预测的研究十分缺乏。本项目旨在建立微孔注塑制品表面漩涡流痕的数值预测模型与方法。主要工作有：(1)考虑超临界流体的溶入对聚合物基体自由能的影响，建立微泡成核、生长过程的数学模型，构造高效稳定的算法对模型进行求解，模拟模腔内微泡的大小和分布，计算熔体表层中微泡所占的体积百分比；(2)利用人工神经网络技术，建立熔体表层微泡的体积百分比与漩涡流痕量化指标之间的关系模型，预测制品表面的漩涡流痕；(3)利用Taguchi实验设计技术，研究成型工艺与漩涡流痕之间的关系，揭示成型工艺对漩涡流痕的影响规律，阐明影响机理。借助本项目的研究成果，设计人员可在实际生产前用计算机定量确定成型工艺对制品表面漩涡流痕的影响，优化设计方案，减少或消除漩涡流痕，提高产品质量，对推动微孔塑料注射成型技术的应用和推广，具有重要意义。

项目针对微孔塑料注射成型，给出了成型过程的数学模型，构造了高效稳定的求解算法，建立了制品表面漩涡流痕预测模型，分析了成型工艺对制品表面漩涡流痕的影响规律，阐明了影响机理。利用全原子分子动力学，以十六烷/超临界二氧化碳混合体系为研究对象，建立了系统的分子动力学模型，给出了气泡核的识别方法，通过分子位形变化跟踪气泡的形成过程，分析了气泡核的形成机理；计入超临界流体对聚合物基体自由能的影响，修正了混合体系表面能的计算方法，给出了混合体系成核模型；基于细胞模型，分析了微泡生长的动力和阻力，考虑了微泡生长和熔体流动之间的耦合作用，建立了微泡生长模型和熔体充模流动模型；采用上风法对对流项进行处理，采用不完全LU分解预处理技术，构建了高效稳定的求解算法，利用visual C++语言开发了数值分析程序，计算了模腔内的物理场以及微泡的大小和分布；构建了分子动力学模型，基于平衡分子动力学，利用应力张量的时间自相关函数，给出了聚合物/微泡混合体系粘度的计算方法；采用含有一层隐含层的BP网络，确定了网络的输入和输出，基于Levenberg-Marquardt的trainlm训练算法，对隐含层节点数进行比较，建立了神经网络模型，对制品表面粗糙度进行预测；利用Taguchi实验设计技术，研究成型工艺对漩涡流痕的影响规律，得到了相关工艺参数对漩涡流痕的影响度，分析了影响机理，给出了改善方法。项目成果对提高产品质量，推动微孔塑料注射成型技术的应用和推广，具有重要意义。项目发表学术论文3篇，获得1项软件著作权，培养3名硕士研究生。