基于多尺度建模和计算的聚合物充填过程熔接线区域力学性能研究

The weld line is the one of the typical molding defects in injection molding, the macromolecule orientation and intertwist degree of weld line region are all key factors influencing its mechanical properties. This project aims to investigate the mechanical properties and some influence rules of processing parameters on mechanical properties from microscopic point of view by numerical simulation. First, a coupling multi-scale model will be established based on continuum mechanics model and molecular dynamics model by considering the multi-scale transfer of information. Then a stable and efficient numerical method for the coupling model will be proposed by using the optimization of artificial neural network and a domain decomposition technique under the framework of multi-scale computation. Finally, based on numerical results and physical analysis, the mechanical properties of weld line region will be analyzed and some influence rules of processing parameters on mechanical properties will be revealed. The key problems of this project are the determination of the multi-scale information transfer method in the modeling stage, and the domain decomposition in the simulation stage. According to the study of this project, some of the key theories and technologies for simulating mechanical properties of weld line region from microscopic point of view will be settled, and it will provide an important theoretical basis for improving the mechanical properties of injection products.

熔接线是聚合物材料成型加工中常见缺陷之一，而熔接线区域的分子链取向和缠结程度是影响其力学性能的关键因素。本项目从微观结构对熔接线区域的力学性能进行分析，探索微观分子信息对熔接线区域力学性能的影响以及加工工艺参数对其的影响规律。具体内容包括：在多尺度建模方面，以宏观连续介质力学和微观分子动力学模型为基础，考虑跨尺度信息双向传递的影响，建立耦合的宏-微观多尺度模型；在多尺度计算框架下，基于人工神经网络优化和区域分解技术，提出高效稳定的多尺度耦合算法；根据数值模拟结果和物理分析，研究熔接线区域的力学性能并探索加工工艺对力学性能的影响规律。其中，建模方面的关键问题是跨尺度信息准确高效地传递方式的确定；计算方面的关键问题是宏微观区域的精准划分。通过本项目的研究，将为熔接线区域力学性能分析提供一套理论分析模型和数值计算方法，进而为聚合物成型过程中改善制品的力学性能提供一定的理论依据。

注塑成型是聚合物材料加工最常见的技术之一。 在本项目支持下，我们对注塑成型充填过程的数值模拟进行了多尺度建模和计算，取得了一系列成果，也为实际加工过程的工艺改进和产品性能优化提供一定的理论指导。取得的主要成果如下：.(1)对于多尺度耦合模型，建立了基于微可压缩连续介质力学和分子动力学的耦合模型。在聚合物充填过程中的非熔接线区域，采用微可压缩流动的两相流模型描述流体和气体运动的速度、压力等物理量，并采用可以描述分子主链信息的双方程XPP模型描述应力；在熔接线区域，采用微观的分子动力学模型刻画了分子的运动情况。.(2)对于多尺度耦合算法，基于重合区域实现了宏观模型的变分多尺度有限元方法和分子模型求解的Verlet算法的耦合。在变分多尺度有限元方法中，采用ASGS (Algebraic Sub-Grid Scales)稳定化格式和CNBS (Crank–Nicolson-based Split)分裂格式。此外，通过双方程XPP应力模型获得了微观分子链取向信息，进而给出了基于分子链取向特征确定熔接线位置的方法。.(3) 在数值结果分析方面，基于支化聚合物熔体和双方程XPP，实现了4:1收缩流中的流变行为分析，并可视化分子主链取向分布，其结果和宏观应力分布一致。对于熔接线区域的力学性能分析，分析了熔接线区域的分子主链取向特征，并据此确定了熔接线位置，其结果与Level set方法所得结果一致。根据熔接线区域的分子运动信息，给出了分子链的空间分布情况，研究了分子链个数以及加工工艺参数对其的影响。.该项目共发表相关论文7篇，其中SCIE收录6篇，协助培养硕士研究生3人 。研究成果在聚合物材料的实际加工行业，多尺度建模和计算以及计算流体力学等领域具有一定的应用价值和理论意义。