CN110491451B - 一种构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种构建拉伸‑剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法，包括如下步骤：S1.构建UHMWPE/PA初始结构模型；S2.优化所述UHMWPE/PA初始结构模型；S3.提供实现拉伸‑剪切耦合流场的边界条件；S4.将S3中的边界条件代入S2中所述的形貌结构；S5.若优化后的动力学平衡后的形貌结构的压强波动范围低于10％时，结束；反之，执行S4。通过提供边界条件及一种构建拉伸‑剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法，避免传统模拟计算中采用单一边界条件造成的模拟结果失准。本发明可真实重现体积拉伸流变支配的聚合物加工过程中结构转变及相分离的动态过程，有效弥补实验研究的不足，尤其适用于具有超高分子量和超长分子链的超高分子量聚乙烯及其共混、复合体系。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料加工领域，更具体地，涉及一种构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法。
背景技术
体积拉伸流变支配的聚合物加工技术因其具有高效的正位移体积输运能力和分散混合效率，在聚合物加工领域备受关注。加工过程中物料输运容积周期性变大变小，使物料受到周期性变化的拉、压应力作用，实现了高分子材料加工过程中剪切形变与拉伸形变作用的主次关系颠倒。通过在收敛剪切模型中增加一个与动板垂直并与动板以相同速度移动的滑板，收敛流场的容积不断变小，从而产生一个较大的拉伸流场，且拉伸流场的作用大于剪切流场的作用。因此，基于体积拉伸流变的加工技术所采用的流场模型为拉伸主导耦合流场。
目前，围绕体积拉伸流变的聚合物加工已开展了大量的实验与理论研究，但由于加工过程中结构转变及相分离时间较短，现有的实验手段很难观察结构转变及相分离的动态过程，而与实验、理论研究“三足鼎立”的计算机模拟可重现结构转变及相分离过程的微观变化。其中，耗散粒子动力学模拟以其更高的时间和空间尺度成为了首选。在耗散粒子动力学模拟中，剪切流场的实现采用的是Lees-Edwards边界条件，而拉伸流场的实现采用的是Kraynik-Reinelt边界条件。可见，在耗散粒子动力学模拟中，剪切和拉伸流场的实现采用的是两种不同的方法，也就是说，Lees-Edwards边界条件仅适用于剪切流场的模拟，而不适用于拉伸流场的模拟，同理，Kraynik-Reinelt边界条件仅适用于拉伸流场的模拟，而不适用于剪切流场的模拟。目前的动力学模拟模型在边界条件上设置要么是采用Lees-Edwards边界条件进行数值模拟，要么是采用Kraynik-Reinelt边界条件，这样的设置不能真实反应分子运动情况，模拟出来的结果对实际生产的指导作用有限。
发明内容
针对现有技术边界的适用性单一，即要么仅能适用于拉伸，要么仅能适用于剪切，不能同时实现拉伸和剪切的分子运动模拟的缺陷，本发明提供一种构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法以弥补以上不足。
为了达到上述目的，本发明提供了一种构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法，包括如下步骤：
S1.构建UHMWPE/PA初始结构模型；以及，
S2.优化所述UHMWPE/PA初始结构模型，得到动力学平衡后的形貌结构；
S3.提供实现拉伸-剪切耦合流场的边界条件，具体边界条件如下：
其中，PE-S代表压强向量，为矩阵中的每个分量的矢量和；每个分量的第一个下标表示应力作用平面的法向；第二个下标表示应力作用的方向；以及，存在如下关系：
Pxx＝Pyy＝-1/2Pzz且Pxy＝Pyx；
S4.将S3中的边界条件代入S2中所述的形貌结构，进行计算，得到优化后的动力学平衡后的形貌结构；
S5.若优化后的动力学平衡后的形貌结构的压强波动范围低于10％时，结束构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法；若优化后的动力学平衡后的形貌结构的压强波动范围高于10％时，执行S4。
本发明的边界条件中，
当Pxx＝0时，即
代表剪切流场，当Pxy＝Pyx＝0时，即
代表拉伸流场；
其中，
最后，进行模拟结果对比及分析。
通过提供边界条件
及一种构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法，避免传统模拟计算中采用单一边界条件造成的模拟结果失准。本发明可真实重现体积拉伸流变支配的聚合物加工过程中结构转变及相分离的动态过程，有效弥补实验研究的不足，尤其适用于具有超高分子量和超长分子链的超高分子量聚乙烯及其共混、复合体系。
作为本发明的优选方案，所述Pxx的数值范围为0～2MPa，所述Pxy与所述Pyx数值范围为0～2MPa。
作为本发明的优选方案，所述Pxx的数值为0MPa，所述Pxy与所述Pyx数值为2MPa。
作为本发明的优选方案，所述Pxx的数值为2MPa，所述Pxy与所述Pyx数值为0MPa。
作为本发明的优选方案，所述Pxx的数值为1MPa，所述Pxy与所述Pyx数值为1MPa。
作为本发明的优选方案，S2中依次采用等温等容系综和等温等压系综进行模拟。
作为本发明的优选方案，S1中使用Materials Studio软件的BuildMesostructure模块进行所述UHMWPE/PA介观模型的构建。
作为本发明的更为优选的方案，所述UHMWPE/PA的质量比为10/90～90/10。
构建UHMWPE/PA介观模型的具体步骤如下：
首先构建PE和PA单个珠子，然后生成对应的UHMWPE和PA分子链，最后在
的立方盒子中，数密度设为3，随机放入数条UHMWPE和PA分子链，即生成UHMWPE/PA的初始结构模型。所述的珠子质量为685amu，珠子半径为
每条UHMWPE分子链由11596个PE珠子组成，每条PA分子链由51个PA珠子组成，UHMWPE/PA的质量比可根据实际需求设置为10/90～90/10。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过提供包含边界条件
的一种构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法，避免传统模拟计算中采用单一边界条件造成的模拟结果失准。本发明可真实重现体积拉伸流变支配的聚合物加工过程中结构转变及相分离的动态过程，有效弥补实验研究的不足，尤其适用于具有超高分子量和超长分子链的超高分子量聚乙烯及其共混、复合体系。
附图说明
图1为本发明中UHMWPE/PA经结构优化和动力学模拟后得到的介观形貌。
图2为采用本发明边界动力学模型处理的介观形貌。
图3为采用本发明边界动力学模型处理的另一种介观形貌。
图4为采用本发明边界动力学模型处理的再一种介观形貌。
图5为利用共焦显微拉曼光谱反应实际UHMWPE分子运动图；其中(a，b)体积拉伸流场和(c，d)剪切流场制备的，0°和90°分别代表与流动方向平行和垂直的偏振拉曼光谱。
图6为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例提供了一种构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法，包括如下步骤：
S1.构建UHMWPE/PA初始结构模型；以及，
S2.优化所述UHMWPE/PA初始结构模型，得到动力学平衡后的形貌结构；
S3.提供实现拉伸-剪切耦合流场的边界条件，具体边界条件如下：
其中，PE-S代表压强向量，为矩阵中的每个分量的矢量和；
每个分量的第一个下标表示应力作用平面的法向；第二个下标表示应力作用的方向；
x、y、z为直角坐标系的坐标轴；以及，存在如下关系：
Pxx＝Pyy＝-1/2Pzz且Pxy＝Pyx；
对于边界条件的数值范围的选择，本发明可以优选为所述Pxx的数值范围为0～2MPa，所述Pxy等于所述Pyx且其数值范围为0～2Mpa。更具体的所述Pxx的数值范围为0MPa，所述Pxy等于所述Pyx且其数值范围为2Mpa；所述Pxx的数值范围为2MPa，所述Pxy等于所述Pyx且其数值范围为0Mpa；所述Pxx的数值范围为1MPa，所述Pxy等于所述Pyx且其数值范围为1MPa。如图4所示，所述Pxx的数值范围为2.0MPa，所述Pxy等于所述Pyx且其数值范围为0.0Mpa，此时为拉伸流场的模拟。
S4.将S3中的边界条件代入S2中所述的形貌结构，进行计算，得到优化后的动力学平衡后的形貌结构；
S5.若优化后的动力学平衡后的形貌结构的压强波动范围低于10％时，结束构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法；若优化后的动力学平衡后的形貌结构的压强波动范围高于10％时，执行S4。
本发明的边界条件中，
当Pxx＝0时，即
代表剪切流场，当Pxy＝Pyx＝0时，即
代表拉伸流场；
其中，
最后，进行模拟结果对比及分析。
作为本发明的优选方案，S1中使用Materials Studio软件的BuildMesostructure模块进行所述UHMWPE/PA介观模型的构建。构建UHMWPE/PA介观模型的具体步骤如下：
首先构建PE和PA单个珠子，然后生成对应的UHMWPE和PA分子链，最后在
的立方盒子中，数密度设为3，随机放入数条UHMWPE和PA分子链，即生成UHMWPE/PA的初始结构模型。所述的珠子质量为685amu，珠子半径为
每条UHMWPE分子链由11596个PE珠子组成，每条PA分子链由51个PA珠子组成，UHMWPE/PA的质量比可根据实际需求设置为10/90～90/10。
实施例2
本实施例为本发明的第2实施例，在技术方案上基本与实施例1相同，不同之处在于，本实施例中，如图3所示，所述Pxx的数值范围为2.0MPa，所述Pxy等于所述Pyx且其数值范围为0.0Mpa，此时为拉伸流场的模拟。
实施例3
本实施例为本发明的第3实施例，在技术方案上基本与实施例1相同，不同之处在于，本实施例中，如图2所示，所述Pxx的数值范围为0MPa，所述Pxy等于所述Pyx且其数值范围为2Mpa，此时为剪切流场的模拟。
如图1所示，UHMWPE/PA体系经结构优化和动力学模拟后得到的介观形貌，当没有流场作用时，UHMWPE/PA体系有明显的团聚现象。图2和图4分别为剪切流场、拉伸-剪切耦合流场作用下的介观形貌，通过对比，发现在拉伸-剪切耦合流场作用下该体系呈现链状网络结构，并且分子链沿流场方向取向排列。在文献J.Polym.Res.(2018,25:16)中，作者利用共焦显微拉曼光谱从微观角度研究初生态UHMWPE在拉伸形变支配的加工过程中的分子运动特点，发现UHMWPE微纤维部分具有显著的取向结构，具体结果见图5。采用Hermansorientation function(f)计算试样的取向度，f＝(R-1)/(R+1)，其中R为与流动方向平行和垂直的极化强度比值，体积拉伸流场(即拉伸-剪切耦合流场)制备试样的取向度为0.36，剪切流场制备试样的取向度为0.07，表明拉伸-剪切耦合流场对UHMWPE体系具有显著的取向作用。因此，本文模拟的结果与实验结果一致。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.构建UHMWPE/PA初始结构模型；以及，
S2.优化所述UHMWPE/PA初始结构模型，得到动力学平衡后的形貌结构；
S3.提供实现拉伸-剪切耦合流场的边界条件，具体边界条件如下：
其中，PE-S代表压强向量，为矩阵中的每个分量的矢量和；每个分量的第一个下标表示应力作用平面的法向；第二个下标表示应力作用的方向；以及，存在如下关系：
Pxx＝Pyy＝-1/2Pzz且Pxy＝Pyx；所述Pxx的数值范围为0～2MPa，所述Pxy与所述Pyx的数值范围为0～2MPa；
S4.将S3中的边界条件代入S2中所述的形貌结构，进行计算，得到优化后的动力学平衡后的形貌结构；
S5.若优化后的动力学平衡后的形貌结构的压强波动范围低于10％时，结束构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法；若优化后的动力学平衡后的形貌结构的压强波动范围高于10％时，执行S4。
2.根据权利要求1所述的构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法，其特征在于，所述Pxx为0MPa，所述Pxy与所述Pyx数值为2MPa。
3.根据权利要求1所述的构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法，其特征在于，所述Pxx为2MPa，所述Pxy与所述Pyx数值为0MPa。
4.根据权利要求1所述的构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法，其特征在于，所述Pxx为1MPa，所述Pxy与所述Pyx数值为1MPa。
5.根据权利要求1所述的构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法，其特征在于，S2中依次采用等温等容系综和等温等压系综进行模拟。
6.根据权利要求1所述的构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法，其特征在于，S1中使用Materials Studio软件的Build Mesostructure模块进行所述UHMWPE/PA初始结构模型的构建。
7.根据权利要求1或6所述的构建拉伸-剪切耦合流场的耗散粒子动力学方法，其特征在于，所述UHMWPE/PA的质量比为10/90～90/10。
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