CN111125962A - 一种基于超声振动的微观黏度模型建立方法及预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声振动的微观黏度模型建立方法及预测方法，基于宏观黏度模型，引入超声能量和微观因子对宏观黏度进行修正；建立超声能量与稠度系数的关系式和超声能量与非牛顿指数的关系式，并利用线性拟合出其参数值；将聚合物分子链段长度和微型零件特征尺寸的比值设为相对特征尺寸；建立微观因子与相对特征尺寸之间的关系式，并利用线性拟合出其参数值；将超声能量与稠度系数、超声能量与非牛顿指数的关系式和微观因子与相对特征尺寸之间的关系式代入宏观黏度模型，获得超声波微观黏度模型。本发明建立方法考虑影响流体黏度的超声能量和微型零件特征尺寸因素，显著提高对聚合物熔体流动特性预测的准确性。

Description

一种基于超声振动的微观黏度模型建立方法及预测方法

技术领域

本发明涉及精密制造技术领域，尤其涉及的是一种基于超声振动的微观黏度模型建立方法及预测方法。

背景技术

由于现有技术中的微注塑成型的零件特征尺寸已达到微米级，因此受微尺寸效应的影响，粗糙度、湿润度等微观因素对填充行为的影响程度相应变大。超声加工技术作为一种新型成型加工技术，近年来普遍用于聚合物注塑成型，发现超声振动能改变微结构填充能力、材料性能等。当注塑件特征尺寸减小到某一临界值时，熔体微尺度下的流变特征与宏观尺度时不同，不能简单采用宏观黏度模型描述微流动行为。

现有微观黏度模型主要有以下四种：第一种是一般用于宏观变形的反映剪切速率的Cross_Law黏度模型或幂律黏度模型，未考虑微注塑零件尺寸细小引起的尺寸效应；第二种是基于Kelvin-Voigt本构方程的微观黏度模型，但由于假设壁面滑移速度为0，与实际微注塑情况不一致，未考虑超声能量作用。第三种是引入微特征尺寸和分子链的微观黏度模型，也未考虑超声能量作用；第四种是基于超声振动能量建立的微观黏度模型，未考虑微特征尺寸作用。上述四种微观黏度模型的压力差模拟误差值和填充率模拟误差值比较大，不能精确模拟超声微注塑成型中聚合物材料流动特性的数值，因此现有技术中的微观黏度模型无法满足准确的对聚合物材料流动特性进行预测。

因此，现有技术有待于进一步的改进。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于超声振动的微观黏度模型建立方法及预测方法，克服现有技术缺陷。

第一方面，本实施例公开了一种基于超声振动的微观黏度模型建立方法，其中，包括：

基于宏观黏度模型、超声能量、分子链段长度和微型零件特征尺寸，确定基于超声振动的毛细管流变实验方案，获得一组不同超声能量、不同剪切速率下的微型零件注塑实际黏度值，其中，在所述宏观黏度模型的关系式中，所述宏观黏度与稠度系数、剪切速率和非牛顿指数相关；

建立超声频率、超声振幅、超声波在材料中传播速度、超声能量作用到材料上的面积、材料密度和材料声吸收系数之间的超声波能量关系式：

E_U＝2π²ρuf²A²Sα；

其中，Eu为超声能量，f为超声频率、A为超声振幅、u为超声波在材料中传播速度、S为超声能量作用到材料上的面积，ρ为材料密度、α为材料声吸收系数；

建立超声能量与稠度系数的关系式，并线性拟合出模型参数a₁和b₁；

lnK＝a₁+b₁×E_u；

建立超声能量与非牛顿指数的关系式，并线性拟合出模型参数a₂和b₂；

将所述超声能量与稠度系数的关系式和所述超声能量与非牛顿指数的关系式代入所述宏观黏度模型的关系式，得到超声黏度模型关系式；

建立微观因子与相对特征尺寸之间的关系式，并线性拟合出模型参数a₃和b₃；

其中，所述ψ为微观因子；所述

为相对特征尺寸，所述相对特征尺寸为所述分子链段长度l_e和微型零件特征尺寸d的比值；

将微观因子与相对特征尺寸之间的关系式代入超声黏度模型关系式，得到用于超声注塑成型的超声波微观黏度模型。

可选的，微观因子ψ＜1。

可选的，所述超声波微观黏度模型建立方法还包括：

基于建立的超声波微观黏度模型进行有限元模拟计算，依据聚合物材料属性，在不同超声波能量和剪切速率条件下微注塑有限元数值模拟出微注塑填充率模拟值。

可选的，所述在不同超声波能量和剪切速率条件下微注塑有限元数值模拟出微注塑填充率模拟值的步骤之后，还包括：

在不同超声波能量和剪切速率条件下进行超声振动微注塑实验得到微注塑填充率实验值，有限元数值模拟时的所述微槽总深度与相应进行超声微注塑实验时的所述模芯微槽深度相等。

可选的，所述超声波微观黏度模型建立方法还包括：

基于建立的超声波微观黏度模型进行有限元模拟计算，依据聚合物材料属性，在不同超声波能量和剪切速率条件下微注塑有限元数值模拟得到微注塑压力差模拟值；其中，所述微注塑压力差为在微注塑时间聚合物熔体注射进入微型道入口和出口的压力之差。

可选的，所述在不同超声波能量和剪切速率条件下微注塑有限元数值模拟得到微注塑压力差模拟值的步骤包括：

在不同超声波能量和剪切速率条件下进行超声微注塑实验得到微注塑压力差的实验值。

第二方面，本实施例还公开了一种物质微观黏度的预测方法，其中，利用所述方法建立的超声波微观黏度模型进行目标流体物质的微观黏度值的预测，所述预测方法包括：所述预测方法包括：

获取目标流体流动过程中超声波的超声能量和目标流体的剪切速率；

将所述超声波的超声能量、流体的剪切速率、目标流体的材料所对应的分子链段长度和微型零件特征尺寸代入与所述目标流体的材料特征对应的微观黏度模型，得到所述超声波微观黏度模型输出的与所述目标流体对应的黏度值。

可选的，所述超声波微观黏度模型的表达式为：

其中，η_micro为微注塑预测黏度，a₁、b₁、a₂、b₂、a₃和b₃为预设参数；

为剪切速率；Eu为超声波能量；l_e为分子链段长度；d为微型零件特征尺寸。

可选的，所述将所述超声波的超声能量、流体的剪切速率、目标流体的材料所对应的分子链段长度和微型零件特征尺寸代入目标流体的材料特征对应的超声波微观黏度模型的步骤之前，还包括：

在不同的超声波能量和剪切速率条件下，获得一组微型零件注塑实际黏度η_micro，拟合出超声波微观黏度模型的参数，其中，所述超声波微观黏度模型的模型参数包括参数a₁、b₁、a₂、b₂、a₃和b₃。

有益效果，本发明提供了一种基于超声振动的微观黏度模型建立方法及预测方法，基于宏观黏度模型，引入超声能量和微观因子对宏观黏度进行修正；建立超声能量与稠度系数的关系式和超声能量与非牛顿指数的关系式，并利用线性拟合出其参数值；将聚合物分子链段长度和微型零件特征尺寸的比值设为相对特征尺寸；建立微观因子与相对特征尺寸之间的关系式，并利用线性拟合出其参数值；将超声能量与稠度系数、超声能量与非牛顿指数的关系式和微观因子与相对特征尺寸之间的关系式代入宏观黏度模型，获得反映超声能量和零件特征尺寸的超声波微观黏度模型。本发明建立方法考虑影响流体黏度的超声能量和微型零件特征尺寸因素，显著提高对聚合物熔体流动特性预测的准确性。

附图说明

图1是本发明所提供的一种基于超声振动的微观黏度模型建立方法的步骤流程图；

图2是本发明具体实施方式中在不同注射压力下，微槽深宽比5:1时进行微注塑有限元数值模拟得到的填充率的模拟值与实验值的对比曲线图；

图3是本发明具体实施方式中在不同注射压力下，微槽深宽比10:1时进行微注塑有限元数值模拟得到的填充率的模拟值与实验值的对比曲线图；

图4是本发明具体实施方式中在微槽深宽比5:1、超声波能量150W时微注塑出口与入口压力差的模拟值与实验值的对比曲线图；

图5是本发明具体实施例中一种用于超声注塑成型过程中微观黏度预测方法的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”与“所述”可泛指单一个或复数个。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

第一方面，本实施例公开了一种用于超声注塑成型的微观黏度模型建立方法，如图1所示，包括：

步骤S1、基于宏观黏度模型、超声能量、分子链段长度和微型零件特征尺寸，确定基于超声振动的毛细管流变实验方案，其中，在所述宏观黏度模型的关系式中，所述宏观黏度与稠度系数、剪切速率和非牛顿指数相关。

宏观黏度模型与稠度系数、剪切速率和非牛顿指数相关，其关系式如下：

其中，η_maro为宏观黏度，单位MPa.s；K：稠度系数；

剪切速率，mm/s；n：非牛顿指数。

所述剪切速率是聚合物熔体流动速度相对微流道半径的变化速率，单位s^-1。所述超声能量是在微注塑全过程中实施超声波辅助振动给予的能量，单位W。

本步骤首先确定超声振动的毛细管流变实验方案，获取一组不同超声能量，不同剪切速率下的微型零件注塑实际黏度值。本步骤中获取的实际黏度值所要建立的用于进行微型零件注塑的实际材料相匹配，可以是相同的材料，也可以是属性相近的材料，例如：若想要建立的微观黏度模型用于进行微型零件注塑的材料为PP材料，则本步骤中获取到的一组实际黏度值对应的应该为微型零件注塑的材料与所述PP材料相接近或同样为PP材料下的黏度值。

步骤S2、建立超声频率、超声振幅、超声波在材料中传播速度、超声能量作用到材料上的面积、材料密度和材料声吸收系数之间的超声波能量关系式：

E_U＝2π²ρuf²A²Sα； (2)

其中，Eu为超声能量，f为超声频率、A为超声振幅、u为超声波在材料中传播速度、S为超声能量作用到材料上的面积(也即是超声波变幅杆直接作用于材料上的面积)，ρ为材料密度、α为材料声吸收系数。

由于在超声注塑成型过程中，超声能量越大，高分子流动性能越好，因此在上述关系式(2)中将超声能量与超声频率的平方、超声振幅的平方、超声波在材料中传播速度、材料密度和材料声吸收系数成正比例关系。

步骤S3、建立超声能量与稠度系数的关系式；

lnK＝a₁+b₁×E_u； (3)

其中，a₁和b₁为模型参数。

由于超声波振动能量对稠度有影响，超声能量越大，稠度越小，因此为了实现黏度值预测更为准确，引用超声能量与稠度系数的关系式，对黏度系数进行修正，使得修改后的稠度系数更加接近准确值。

本步骤中根据已知超声能量与测量出的黏度系数基于最小二乘法线性拟合出参数a₁和b₁。

步骤S4、建立超声能量与非牛顿指数的关系式；

其中，a₂和b₂为模型参数。

由于超声波振动对非牛顿指数有影响，超声能量越大，流动越好，非牛顿指数n越小，引入超声能量Eu对非牛顿指数n进行修正，建立超声能量与非牛顿指数n的关系式，并根据已知超声能量和测量出的非牛顿指数基于最小二乘法利用线性拟合出模型参数a₂和b₂。

步骤S5、将所述超声能量与稠度系数的关系式和所述超声能量与非牛顿指数的关系代入对所述宏观黏度模型的关系式，得到超声黏度模型关系式。

将关系式(3)和关系式(4)对宏观黏度模型关系式(1)进行修正，获得超声波黏度模型关系式(5)；

步骤S6、建立微观因子与相对特征尺寸之间的关系式，并线性拟合出模型参数a₃和b₃。

引入微观因子ψ对超声黏度模型关系式；

其中：ψ为微观因子；η_macro：微型零件注塑宏观黏度值；η_micro：微型零件注塑实际黏度值；

建立微观因子与相对特征尺寸之间的关系式，所述微观因子与相对特征尺寸之间的关系式为：

其中，所述ψ为微观因子；a₃和b₃为模型参数，所述

为相对特征尺寸，所述相对特征尺寸为所述分子链段长度l_e和微型零件特征尺寸d的比值。

将关系式(6)和(7)代入超声波微观黏度模型关系式(5)，获得超声波微观黏度模型；

在对应同等参数条件下基于宏观黏度模型，推出一组微观因子值；

考虑高分子流动是通过链段的相继跃迁实现的，将反映高分子流动特征的分子链段长度l_e和作为微结构的最小宏观尺寸的微型零件特征尺寸d的比值设为相对特征尺寸

步骤S7、将微观因子与相对特征尺寸之间的关系式代入超声黏度模型关系式，得到用于超声注塑成型的超声波微观黏度模型，所述超声波微观黏度模型的关系式(10)如下：

其中：η_micro为微注塑实际黏度，单位MPa.s；a1,b1为与稠度系数有关的模型参数；

具体的，由于微观流动中聚合物材料黏度值比宏观黏度值小，基于幂律宏观黏度模型的黏度模拟值比实际微观流动黏度值大，因此微观因子ψ＜1。

本发明的超声波微观黏度模型建立方法，考虑影响黏度的超声波能量和微型零件特征尺寸因素，显著提高对聚合物熔体流动特性预测的准确性。

当建立完成所述超声波微观黏度模型后，利用所述超声波微观黏度模型进行相应聚合物材料黏度值预测，因此所述超声波微观黏度模型建立方法还包括：

基于建立的超声波微观黏度模型进行有限元模拟计算，依据聚合物材料属性，在不同超声波能量和剪切速率条件下微注塑有限元数值模拟出微注塑填充率模拟值。

进一步的，所述在不同超声波能量和剪切速率条件下微注塑有限元数值模拟出微注塑填充率模拟值的步骤之后，还包括：

在不同超声波能量和剪切速率条件下进行超声振动微注塑实验得到微注塑填充率实验值，有限元数值模拟时的所述微槽总深度与相应进行超声微注塑实验时的所述模芯微槽深度相等。

具体的，所述超声波微观黏度模型建立方法还包括：

基于建立的超声波微观黏度模型进行有限元模拟计算，依据聚合物材料属性，在不同超声波能量和剪切速率条件下微注塑有限元数值模拟得到微注塑压力差模拟值；其中，所述微注塑压力差为在微注塑时间聚合物熔体注射进入微型道入口和出口的压力之差。

所述在不同超声波能量和剪切速率条件下微注塑有限元数值模拟得到微注塑压力差模拟值的步骤包括：

在不同超声波能量和剪切速率条件下进行超声微注塑实验得到微注塑压力差的实验值。

具体实施方式一

PP材料实验验证分析

图2和图3为深宽比为5:1和10:1微矩形槽填充率仿真结果与实验结果对比，可以看出现有技术中的超声黏度模型预测出的模拟值(对应图2和图3中的模拟值1)与实验数据误差相差较大，而本发明的超声波微观黏度模型模拟值(对应图2和图3中的模拟值2)与实验数据最大误差在深宽比5:1时为2.7％，10:1时为4.9％。可见本发明的超声波微观黏度模型进行仿真时，得到的填充率与实验数据更吻合，更能反映超声作用下高聚物在微槽结构中的流动问题。

本发明的超声波微观黏度模型模拟值大于实验数据的原因是在超声波微观黏度模型中假定超声能量完全被材料吸收，实际超声能量有一部分因克服超声振幅杆摩擦做功消耗。

PP材料的超声波微观黏度模型为：

表1 PP材料的超声模型参数

具体实施方式二

PS材料实验验证分析

图4为在微槽深宽比5:1、超声波能量150W时，微注塑出口与入口压力差对比。本发明的超声波微观黏度模型压力差模拟值(对应附图4中模拟值3)与实测值(对应附图4中实验值)最大误差为1.4％，而现有技术中的第一黏度模型的模拟值(对应模拟值2)和第二黏度模型模拟值(对应附图4中模拟值4)明显偏大。其中第一黏度模型模拟出现较大偏差的原因是该模型忽略了超声作用下非牛顿指数n的变化和微观特征尺寸对黏度的影响，而现有技术的模型忽略了超声作用影响，从而加大了模拟值与实测值的偏差。

PS材料的超声波微观黏度模型为：

表2 PS材料的超声模型参数

本实施例还公开了一种物质微观黏度的预测方法，如图5所示，利用所述方法建立的超声波微观黏度模型进行目标流体物质的微观黏度值预测，所述预测方法包括：

步骤H1、获取目标流体流动过程中超声波的超声能量和目标流体的剪切速率。

步骤H2、将所述超声波的超声能量、流体的剪切速率、目标流体的材料所对应的分子链段长度和微型零件特征尺寸代入预先建立的与所述目标流体的材料特征对应的超声波微观黏度模型，得到所述超声波微观黏度模型输出的与所述目标流体对应的黏度值。

具体的，所述超声波微观黏度模型的表达式为：

其中，η_micro为微注塑预测黏度，a₁、b₁、a₂、b₂、a₃和b₃为预设参数；

为剪切速率；E_u为超声波能量；l_e为分子链段长度；d为微型零件特征尺寸。

可选的，所述将所述超声波的超声能量、流体的剪切速率、目标流体的材料所对应的分子链段长度和微型零件特征尺寸代入建立的微观黏度模型的步骤之前，还包括：

在不同的超声波能量和剪切速率条件下，获得一组微型零件注塑实际黏度η_micro，拟合出超声波微观黏度模型的模型参数，其中，所述超声波微观黏度模型的参数，包括参数a₁、b₁、a₂、b₂、a₃和b₃。

本发明提供了一种基于超声振动的微观黏度模型建立方法及预测方法，由于综合考虑了影响黏度的超声波能量和微型零件特征尺寸因素，基于宏观黏度模型，引入超声能量和微观修正因子对宏观黏度进行修正；建立超声能量与稠度系数的关系式，并利用线性拟合出其参数值；建立超声能量与非牛顿指数的关系式，并利用线性拟合出其参数值；将超声能量与稠度系数的关系式、超声能量与非牛顿指数的关系式代入宏观黏度模型，获得反映超声能量的宏观黏度模型；将反映高分子流动特征的分子链段长度和微型零件特征尺寸的比值设为微观影响因子；建立微观修正因子与微观影响因子之间的关系式，并利用线性拟合出其参数值；将微观修正因子与微观影响因子之间的关系式代入反映超声能量的宏观黏度模型，获得反映超声能量变化和零件特征尺寸的超声波微观黏度模型。由于本发明的超声波微观黏度模型建立方法考虑了影响流体黏度的超声波能量和微型零件特征尺寸等因素，因此显著提高了模型对聚合物熔体流动特性预测的准确性，从而实现了对黏度值预测的准确性，使得超声注塑成型的零部件加工过程的加工尺寸精确度进一步提高。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于超声振动的微观黏度模型建立方法，其特征在于，包括：

基于宏观黏度模型、超声能量、分子链段长度和微型零件特征尺寸，确定基于超声振动的毛细管流变实验方案，获得一组不同超声能量、不同剪切速率下的微型零件注塑实际黏度值，其中，在所述宏观黏度模型的关系式中，所述宏观黏度与稠度系数、剪切速率和非牛顿指数相关；

建立超声频率、超声振幅、超声波在材料中传播速度、超声能量作用到材料上的面积、材料密度和材料声吸收系数之间的超声波能量关系式：

EU＝2π²ρuf²A²Sα；

其中，Eu为超声能量，f为超声频率、A为超声振幅、u为超声波在材料中传播速度、S为超声能量作用到材料上的面积，ρ为材料密度、α为材料声吸收系数；

建立超声能量与稠度系数的关系式，并线性拟合出模型参数a₁和b₁；

lnK＝a₁+b₁×E_u；

建立超声能量与非牛顿指数的关系式，并线性拟合出参数模型a₂和b₂；

将所述超声能量与稠度系数的关系式和所述超声能量与非牛顿指数的关系式代入所述宏观黏度模型的关系式，得到超声黏度模型关系式；

建立微观因子与相对特征尺寸之间的关系式，并线性拟合出模型参数a₃和b₃；

其中，所述ψ为微观因子，所述微观因子为微型零件注塑实际黏度值与微型零件注塑宏观黏度值之间的比值；所述

为相对特征尺寸，所述相对特征尺寸为所述分子链段长度l_e和微型零件特征尺寸d的比值；

将微观因子与相对特征尺寸之间的关系式代入超声黏度模型关系式，得到用于超声注塑成型的超声波微观黏度模型。

2.根据权利要求1所述的基于超声振动的微观黏度模型建立方法，其特征在于，微观因子ψ＜1。

3.根据权利要求1所述的用于超声注塑成型的微观黏度模型建立方法，其特征在于，所述超声波微观黏度模型建立方法还包括：

基于建立的超声波微观黏度模型进行有限元模拟计算，依据聚合物材料属性，在不同超声波能量和剪切速率条件下微注塑有限元数值模拟出微注塑填充率模拟值。

4.根据权利要求1所述的基于超声振动的微观黏度模型建立方法，其特征在于，所述在不同超声波能量和剪切速率条件下微注塑有限元数值模拟出微注塑填充率模拟值的步骤之后，还包括：

在不同超声波能量和剪切速率条件下进行超声振动微注塑实验得到微注塑填充率实验值，有限元数值模拟时的所述微槽总深度与相应进行超声微注塑实验时的所述模芯微槽深度相等。

5.根据权利要求1所述的基于超声振动的微观黏度模型建立方法，其特征在于，所述超声波微观黏度模型建立方法还包括：

基于建立的超声波微观黏度模型进行有限元模拟计算，依据聚合物材料属性，在不同超声波能量和剪切速率条件下微注塑有限元数值模拟得到微注塑压力差模拟值；其中，所述微注塑压力差为在微注塑时间聚合物熔体注射进入微型道入口和出口的压力之差。

6.根据权利要求5所述的基于超声振动的微观黏度模型建立方法，其特征在于，所述在不同超声波能量和剪切速率条件下微注塑有限元数值模拟得到微注塑压力差模拟值的步骤包括：

在不同超声波能量和剪切速率条件下进行超声微注塑实验得到微注塑压力差的实验值。

7.一种物质微观黏度的预测方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述方法建立的超声波微观黏度模型进行目标流体物质的微观黏度值的预测，所述预测方法包括：

获取目标流体流动过程中超声波的超声能量和目标流体的剪切速率；

将所述超声波的超声能量、流体的剪切速率、目标流体的材料所对应的分子链段长度和微型零件特征尺寸代入目标流体的材料特征对应的超声波微观黏度模型，得到所述超声波微观黏度模型输出的与所述目标流体对应的黏度值。

8.根据权利要求7所述的预测方法，其特征在于，所述超声波微观黏度模型的表达式为：

其中，η_micro为微注塑预测黏度，a₁、b₁、a₂、b₂、a₃和b₃为模型参数；

为剪切速率；E_u为超声波能量；l_e为分子链段长度；d为微型零件特征尺寸。

9.根据权利要求8所述的预测方法，其特征在于，所述将所述超声波的超声能量、流体的剪切速率、目标流体的材料所对应的分子链段长度和微型零件特征尺寸代入目标流体的材料特征对应的超声波微观黏度模型的步骤之前，还包括：

在不同的超声波能量和剪切速率条件下，获得一组微型零件注塑实际黏度η_micro，拟合出超声波微观黏度模型的参数，其中，所述超声波微观黏度模型的模型参数包括参数a₁、b₁、a₂、b₂、a₃和b₃。

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