CN111475968B - 一种计量获取入口压力损失模型系数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种计量获取入口压力损失模型系数的方法，可通过高压毛细管流变仪测试计算得到入口压力损失和真实壁面剪切应力，拟合得到入口压力损失模型的两个参数c1和c2，具体只需分别使用两种毛细管口模测试聚合物熔体在不同剪切速率下的入口压力P，从而计算得到入口压力损失Pe和真实壁面剪切应力τ，代入到入口压力损失模型中，即可拟合回归得到入口压力损失模型的两个参数c1和c2。本方法单次测试样品用量小，无需修正剪切生热的影响，结果更加精准，数据处理简便易操作，对于找出材料流动性与机械性能的平衡点、选择与所需注射压力匹配的注塑机以及设计合适尺寸的模具流道具有指导意义，可解决注塑成型中从粗到细变化导致的压力失真问题，从而提高开模成功率和合格品产出率。
Description
技术领域
本发明属于聚合物注射成型加工领域，特别涉及该领域的模拟仿真，更具体的是一种计量获取入口压力损失模型系数的方法。
背景技术
注射成型过程中，由于物料黏度大，聚合物熔体会受到模具型腔壁面较强的粘滞阻力作用。尤其对于多模腔小(微)型制件，其流道尺寸小、流动阻力大，若实际注射压力不足或者衰减速度过快，压力不足以使物料充填满所有的型腔，则会发生欠注问题，无法得到合格品。为提高开模成功率和合格品产出率，在实际开模之前，需要使用数值模拟的方法对注塑过程进行仿真计算，而充填压力损失结果是评估材料在特定模具中发生欠注等缺陷风险的重要指标，若压力损失计算偏差大，则无法对缺陷做出准确预测。因此准确计算压力损失对于找出材料流动性与机械性能的平衡点、选择与所需注射压力匹配的注塑机以及设计合适尺寸的模具流道都有重要指导意义。
注塑过程中的总压力损失包括两个部分，一个是物料各个层流之间黏性摩擦引起的黏性压力损失，另一个是物料受压力作用产生弹性形变引起的弹性压力损失。其中的弹性压力损失主要发生在分流道进入点浇口等流动截面发生显著收敛的入口位置处。物料通过这些位置时经历了强烈的拉伸流动和剪切流动，流速或流向发生剧烈变化，部分压力能转换为弹性能，由此引发的压力损失称为入口压力损失。
入口压力损失的产生是注塑过程中的重要现象，对于高分子聚合物这种黏弹性流体，必须考虑其在总压力损失中所占比重。若模拟计算时仅考虑黏性压力损失而忽略入口弹性压力损失，计算得到的总压力损失值会比实际所需注塑压力低，模拟中观察到的型腔可以完全充填的现象可能与实际情况不符，实际需要更高的压力才能使物料充满型腔。尤其对于微型、点浇口和多型腔注塑制件，注塑压力的微小差别都可能引起各制件品质的差异。如果参照此种偏低的失真压力损失计算结果对材料选择、模具设计以及工艺条件给出“可行”的判定结论，实际中就难以得到稳定的高合格品率的制件，也就无法起到最准确的预测指导作用，这反而会增加修模、试料的成本，甚至导致模具无法使用。因此，准确计算材料弹性引起的入口压力损失很有必要。
现有技术中常用的计算材料的入口压力损失的方法，首先需要用数学方法描述所用物料的黏弹特性，将相应参数输入到仿真软件中，再对具体工况下特定模具的注塑过程建模、计算得出相应结果。一般采用本构方程反映材料宏观性质的函数关系式，若仅考虑考虑材料黏性，可选用幂律模型(Power Law)和Cross模型等广义牛顿流体本构方程对其描述；若考虑材料弹性，则可选用线性黏弹性模型如Maxwell模型，或非线性黏弹性模型如Giesekus模型和FENE-P模型等。
在模拟计算中，采用上述黏弹性本构方程和输运方程进行封闭求解就能获得黏弹性流体流动的相关参数。然而，由于黏弹输运方程为双曲型方程，求解过程中易产生不稳定所导致的计算发散，而且计算时间长，对计算机的要求也比较高，不适合实际工程应用。
在工程应用领域，Münstedt于1978年在《 vonKunststoffschmelzen》研究中得到入口压力损失模型/>将入口压力损失与壁面剪切应力相关联，不涉及材料弹性本构方程求解即可对入口弹性压力损失进行计算，适合实际工程应用。其中Pe为入口压力损失，τ为壁面剪切应力，c1和c2为待定参数，由材料自身性质决定，可通过实验测定。随注射速度增加，壁面剪切应力τ变大，入口位置处的压力升高，物料被进一步压缩，入口弹性压力损失Pe增大。c1和c2的大小可体现材料弹性损失对壁面剪切应力的敏感程度，相同条件下，c1和c2值越大，入口压力损失越大。
准确、简便获取材料的c1和c2参数，可用于①注塑模拟仿真，使模拟的压力结果更接近实际，减少因为忽略入口压力损失带来的误差；②直接使用这两个参数，对比不同材料在相同条件下产生的入口压力损失大小，评价哪些材料更适合用于注塑成型；③指导配方改善，评估不同组分对材料黏弹性得影响，指导配方优化得到入口损失较小的改性塑料产品。但是目前，并没有过公开过任何有效地、准确地测量c1和c2的方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明采用的技术方案是：
使用两种毛细管口模测试聚合物熔体在不同剪切速率下的入口压力P；
根据获得的入口压力P，计算得到入口压力损失Pe和真实壁面剪切应力τ；
将入口压力损失Pe和真实壁面剪切应力τ的计算结果代入到入口压力损失模型中，拟合回归得到入口压力损失模型的两个参数c1和c2。
所述的计量获取入口压力损失模型系数的方法，包括以下步骤：
a.获取待测材料进行烘干备用；
b.将测试温度设定为材料推荐的注塑温度，分别使用两种长径比L/D不同的毛细管测试；
c.设定剪切速率范围，设置数据点数量；
d.根据测试结果，记录不同剪切速率γn下，被测物料通过两种长径比L/D不同的毛细管的压力传感器稳定读数Pn1和Pn2，共计n组数据，如下：
e.步骤d中输入的原始矩阵数据，通过逐一计算可得到每个剪切速率下的入口压力损失Pen和真实壁面剪切应力τn，如下：
f.将步骤e中不同剪切速率下的入口压力损失Pen和对应的真实壁面剪切应力τn数据带入入口压力损失模型，拟合回归测试数据即可得到入口压力损失模型的参数c1和c2。
进一步的，步骤b中一种毛细管的长径比L/D为0.2:1。
进一步的，步骤b中另一种毛细管的长径比L/D为X:1，X为毛细管长度。
进一步的，步骤b中X为5-50。
进一步的，步骤b中X优选为20。
进一步的，步骤e中剪切速率下的入口压力损失Pen和真实壁面剪切应力τn的计算方法如下：
其中Pen为入口压力损失，τn为真实壁面剪切应力，X为毛细管长度，Pn1和Pn2分别为长径比0.2:1和X:1毛细管的压力传感器读数，D为毛细管直径。
所述的计量获取入口压力损失模型系数的方法，使用的仪器为高压毛细管流变仪。
一种计量获取入口压力损失模型系数的系统，所述系统包括：
入口压力获取单元，用于获取聚合物熔体在不同剪切速率下的入口压力P；
计算单元，用于根据入口压力P，计算得到入口压力损失Pe和真实壁面剪切应力τ；
数据拟合单元，用于将入口压力损失Pe和真实壁面剪切应力τ代入到入口压力损失模型中，拟合回归得到入口压力损失模型的两个参数c1和。
进一步的，所述入口压力获取单元包括两种长径比L/D不同的毛细管，一种毛细管的长径比L/D为0.2:1，另一种毛细管的长径比L/D为X:1，X为毛细管长度，数值为5-50。
进一步的，所述另一种毛细管长径比中的X优选为20。
进一步的，所述计算单元中剪切速率下的入口压力损失Pen和真实壁面剪切应力τn的计算方法如下：
其中Pen为入口压力损失，τn为真实壁面剪切应力，X为毛细管长度，Pn1和Pn2分别为长径比0.2:1和X:1毛细管的压力传感器读数，D为毛细管直径。
一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现计量获取入口压力损失模型系数的方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现计量获取入口压力损失模型系数的方法的步骤。
本发明所述的方法在聚合物注射成型模拟仿真中的应用，具体涉及找出材料流动性与机械性能的平衡点、选择与所需注射压力匹配的注塑机以及设计合适尺寸的模具流道，从而提高开模成功率和合格品产出率。
综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
1、单次测试样品用量小，仅需要小于22.6cm3，可以防止测试样品的浪费；
2、物料靠传热熔融，无剪切生热，无需校正剪切热；
3、选用两种长径比(L/D)不同的毛细管，其中小长径比选择0.2:1，可以外推出更准确的0:1口模压力损失，结果更加精准；
4、数据处理过程简便易操作，只需输入长径比0.2:1和X:1毛细管的压力传感器读数Pn1和Pn2，即可得出入口压力损失和真实壁面剪切应力；
5、可更加精确的拟合得到入口压力损失模型的两个参数；
6、可解决注塑成型中从粗到细变化导致的压力失真问题；
7、可表征组分的改变引起材料入口压力损失性能的变化；
8、可用于筛选具有更小入口压力损失的材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为毛细管结构图和各个参数示意图。P为压力传感器测得的压力，p1为真实入口压力，p2为出口压力，通常取值为0，△p为进出口压力差，L为毛细管长度，D为毛细管直径。
图2本发明的流程图。
图3为本发明实施例1中聚对苯二甲酸丁二醇酯+玻纤的拟合曲线。
图4为本发明实施例2中聚碳酸酯的拟合曲线。
图5为本发明实施例3中聚碳酸酯+炭黑的拟合曲线。
图6为本发明实施例4中丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的拟合曲线。
图7为本发明对比例1中聚碳酸酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯+玻纤的入口压力损失对比图。
图8为本发明对比例2中注塑型腔模型图。
图9为本发明对比例2中入口压力损失对模拟注塑压力的影响示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
具体的，一种计量获取入口压力损失模型系数的方法，可通过高压毛细管流变仪测试计算得到入口压力损失和真实壁面剪切应力，拟合得到入口压力损失模型的两个参数，具体包括以下步骤：
a.获取待测材料进行烘干备用。
通用塑料(聚乙烯PP、聚丙烯PE、聚苯乙烯PS等)80℃烘干2～4h，工程塑料(尼龙PA、聚碳酸酯PC、聚对苯二甲酸丁二醇酯PBT等)120℃烘干2～4h。单次测试样品用量小，仅需要小于22.6cm3。
b.将测试温度设定为材料推荐的注塑温度，分别使用长径比L/D为0.2:1和X:1的毛细管测试，X可选择5～50，优选为20。
入口压力损失即口模长径比(L/D)为0时测得的入口压力值，由于该情况无法直接测得，因而需要根据实测数据外推得到。所以应在L/D为0附近实测一组数据，以此保证外推出的L/D为0的数据的准确性。因为L/D为0.2:1的毛细管最接近0，所以选择该参数的毛细管作为必备的毛细管，而L/D为20:1的口模可替换为5:1、10:1、20:1、30:1、40:1或者50:1，本发明实施例中使用0.2:1和20:1口模。但相同条件下，长径比越大测得的压力越大，尤其当物料黏度较高时，高剪切速率下实际压力可能超过压力传感器量程，应根据实际情况适当选择口模长径比组合，在不超传感器量程的前提下，可选长径比尽量大的毛细管。
c.设定剪切速率范围200s-1～10000s-1，设置数据点数量8～18个。
高分子聚合物熔体是典型的非牛顿流体，其黏度不是固定值，而是随剪切速率的增大而降低，因此需要测试不同剪切速率下的压力。高压毛细管流变仪(高特福RG-20)储料桶容量有限约22.6cm3，测试过程中物料被连续消耗挤出，因此应合理设置剪切速率测试范围和数据点间隔。为兼顾高低剪切速率区间，根据实际测试经验，剪切速率范围为200s-1～10000s-1。
数据点数量为8～18个，数据点越多模拟结果越准确，然而数据点的数量受到设备的制约，本发明实施例中选用8个数据点，使用更大型的设备或者测试两次数据进行拼接可以达到更多的，例如18个数据点。
d.根据测试结果，记录不同剪切速率γn下，被测物料通过长径比L/D分别为0.2:1和X:1毛细管的压力传感器稳定读数Pn1和Pn2，共计n组数据，如下：
e.步骤d中输入的原始矩阵数据，通过逐一计算可得到每个剪切速率下的入口压力损失Pen和真实壁面剪切应力τn，如下：
剪切速率下的入口压力损失Pen和真实壁面剪切应力τn的计算方法如下：
其中Pen为入口压力损失，τn为真实壁面剪切应力，X为毛细管长度，Pn1和Pn2分别为长径比0.2:1和X:1毛细管的压力传感器读数，D为毛细管直径。
f.将步骤e中不同剪切速率下的入口压力损失Pen和对应的真实壁面剪切应力τn数据带入入口压力损失模型，使用Matlab拟合回归测试数据即可得到入口压力损失模型的参数c1和c2。
实施例1聚对苯二甲酸丁二醇酯+玻纤的入口压力损失模型系数c1和c2的获取
牌号：PBT-RG301 BK016G
生产商：金发科技股份有限公司
材料：聚对苯二甲酸丁二醇酯+玻纤
1)获取待测材料约100g烘干备用，在120℃烘箱中烘干4h。物料从烘箱中取出到测试开始不超过15min，防止二次吸湿影响测试结果。
2)将高压毛细管测试温度设定为材料推荐的注塑温度240℃，当仪器达到测试温度后，等待大约15分钟，使仪器保持稳定。
3)安装毛细管，将毛细管放进安装螺母中，然后将安装螺母放进扭力扳手连接头中旋进毛细管并旋紧，用扭力扳手拧紧，扭矩为65Nm。分别使用长径比等于0.2:1和20:1毛细管测试。
4)安装压力传感器，在压力传感器螺纹处涂上防高温粘接膏，然后旋进压力孔中，然后用扳手稍微拧紧并插上压力传感器信号线。
5)填装测试材料，用加料漏斗装取物料，拉开防护罩，然后用压料杆将物料加到料筒中，然后用压料杆稍微压实。安装上活塞杆，关闭防护罩。在触摸屏上控制活塞杆速度，对物料进行压实。使压力传感器的压力不要超过10MPa。压实物料后，打开防护罩，取下活塞杆。重复以上过程2～3次，直到物料加满料筒为止。然后提升活塞杆，使压力传感器保持大约1MPa的压力。
6)设置测试条件，预设剪切速率测试条件为200s-1、500s-1、800s-1、1000s-1、1500s-1、2000s-1、3000s-1、5000s-1、7000s-1、10000s-1，数据点数量共10个。
7)点击开始测试键，此后仪器会自动进行测试，直到测试结束。
8)根据测试结果，记录不同剪切速率γn下，被测物料通过长径比分别为0.2:1和20:1毛细管的压力传感器稳定读数Pn1和Pn2，实际测试过程中由于料筒容积有限，单次测试获取的数据点数量可能低于设定测试点数量。本次测试实际获得8个数据点如下表所示，物料已全部消耗。可通过多次分段测试，获取更多的数据点。
PBT-RG301 BK016G测量数据
9)输入的原始矩阵数据，通过计算可得到每个剪切速率下的入口压力损失和真实壁面剪切应力，计算方法如下：将上表测量数据带入下式中，计算得到不同剪切速率下的入口压力损失和真实壁面剪切应力。本案例大长径比毛细管选用20:1，因此X值在本案例中为20。
计算数据如下表所示：
PBT-RG301 BK016G计算数据
| 剪切速率γ/s-1 | 入口压力损失Pe/Pa | 真实壁面剪切应力τ/Pa |
| 200 | 464499 | 77717 |
| 500 | 1081430 | 122679 |
| 800 | 1465694 | 155736 |
| 1000 | 1821935 | 175623 |
| 1500 | 2452005 | 222914 |
| 2000 | 3355893 | 260743 |
| 3000 | 4584906 | 318867 |
| 5000 | 6510906 | 408067 |
10)将上表中不同剪切速率下的入口压力损失和对应的真实壁面剪切应力数据带入入口压力损失模型，使用Matlab拟合回归测试数据参见附图3，横坐标为真实壁面剪切应力τ，纵坐标为入口压力损失Pe。散点为实测数据，实线为拟合曲线。随壁面剪切应力τ的增加，入口压力损失Pe变大，且有增速逐渐变大。
11)拟合得到入口压力损失模型的参数c1和c2见下表，R2＝0.9986具有较高的拟合精度。
PBT-RG301 BK016G拟合结果
| 产品牌号 | c1 | c2 | R2 |
| PBT-RG301 BK016G | 0.01567 | 1.537 | 0.9986 |
实施例2聚碳酸酯的入口压力损失模型系数c1和c2的获取
牌号：Panlite L-1225LM
生产商：帝人株式会社
材料：聚碳酸酯
1)获取Panlite L-1225LM待测材料约100g烘干备用，在120℃烘箱中烘干4h。物料从烘箱中取出到测试开始不超过15min，防止二次吸湿影响测试结果。
2)将高压毛细管测试温度设定为材料推荐的注塑温度295℃，当仪器达到测试温度后，等待大约15分钟，使仪器保持稳定。
3)安装毛细管，将毛细管放进安装螺母中，然后将安装螺母放进扭力扳手连接头中旋进毛细管并旋紧，用扭力扳手拧紧，扭矩为65Nm。由于聚碳酸酯材料黏度较高，分别使用长径比等于0.2:1和10:1毛细管测试。
4)安装压力传感器，在压力传感器螺纹处涂上防高温粘接膏，然后旋进压力孔中，然后用扳手稍微拧紧并插上压力传感器信号线。
5)填装测试材料，用加料漏斗装取物料，拉开防护罩，然后用压料杆将物料加到料筒中，然后用压料杆稍微压实。安装上活塞杆，关闭防护罩。在触摸屏上控制活塞杆速度，对物料进行压实。使压力传感器的压力不要超过10MPa。压实物料后，打开防护罩，取下活塞杆。重复以上过程2～3次，直到物料加满料筒为止。然后提升活塞杆，使压力传感器保持大约1MPa的压力。
6)设置测试条件，预设剪切速率测试条件为200s-1、500s-1、800s-1、1000s-1、1500s-1、2000s-1、3000s-1、5000s-1、7000s-1、10000s-1，数据点数量共10个。
7)点击开始测试键，此后仪器会自动进行测试，直到测试结束。
8)根据测试结果，记录不同剪切速率γn下，被测物料通过长径比分别为0.2:1和10:1毛细管的压力传感器稳定读数Pn1和Pn2，实际测试过程中采集到了8组数据点如下表所示：
Panlite L-1225LM测量数据
9)输入的原始矩阵数据，通过计算可得到每个剪切速率下的入口压力损失和真实壁面剪切应力，计算方法如下：将上表测量数据带入下式中，计算得到不同剪切速率下的入口压力损失和真实壁面剪切应力。本案例大长径比毛细管选用10:1，因此X值在本案例中为10。
计算数据如下表所示：
Panlite L-1225LM计算数据
| 剪切速率γ/s-1 | 入口压力损失Pe/Pa | 真实壁面剪切应力τ/Pa |
| 200 | 81652 | 51051 |
| 500 | 174357 | 114644 |
| 800 | 274158 | 169503 |
| 1000 | 357263 | 200204 |
| 1500 | 518652 | 267834 |
| 2000 | 645742 | 325933 |
| 3000 | 883809 | 418368 |
| 5000 | 1299639 | 537679 |
10)将上表中不同剪切速率下的入口压力损失和对应的真实壁面剪切应力数据带入入口压力损失模型，使用Matlab拟合回归测试数据参见附图4，横坐标为真实壁面剪切应力τ，纵坐标为入口压力损失Pe。散点为实测数据，实线为拟合曲线。随壁面剪切应力τ的增加，入口压力损失Pe变大，且增速逐渐变大。
11)拟合得到入口压力损失模型的参数c1和c2见下表，R2＝0.9977具有较好的拟合精度。
Panlite L-1225LM拟合结果
| 产品牌号 | c1 | c2 | R2 |
| Panlite L-1225LM | 0.03372 | 1.322 | 0.9977 |
实施例3聚碳酸酯+炭黑的入口压力损失模型系数c1和c2的获取
牌号：JH820-M30 BK201
生产商：金发科技股份有限公司
材料：聚碳酸酯+炭黑
1)获取JH820-M30 BK201待测材料约100g烘干备用，在120℃烘箱中烘干4h。物料从烘箱中取出到测试开始不超过15min，防止二次吸湿影响测试结果。
2)将高压毛细管测试温度设定为材料推荐的注塑温度295℃，当仪器达到测试温度后，等待大约15分钟，使仪器保持稳定。
3)安装毛细管，将毛细管放进安装螺母中，然后将安装螺母放进扭力扳手连接头中旋进毛细管并旋紧，用扭力扳手拧紧，扭矩为65Nm。由于聚碳酸酯材料黏度较高，分别使用长径比等于0.2:1和10:1毛细管测试。
4)安装压力传感器，在压力传感器螺纹处涂上防高温粘接膏，然后旋进压力孔中，然后用扳手稍微拧紧并插上压力传感器信号线。
5)填装测试材料，用加料漏斗装取物料，拉开防护罩，然后用压料杆将物料加到料筒中，然后用压料杆稍微压实。安装上活塞杆，关闭防护罩。在触摸屏上控制活塞杆速度，对物料进行压实。使压力传感器的压力不要超过10MPa。压实物料后，打开防护罩，取下活塞杆。重复以上过程2～3次，直到物料加满料筒为止。然后提升活塞杆，使压力传感器保持大约1MPa的压力。
6)设置测试条件，预设剪切速率测试条件为200s-1、500s-1、800s-1、1000s-1、1500s-1、2000s-1、3000s-1、5000s-1、7000s-1、10000s-1，数据点数量共10个。
7)点击开始测试键，此后仪器会自动进行测试，直到测试结束。
8)根据测试结果，记录不同剪切速率γn下，被测物料通过长径比分别为0.2:1和10:1毛细管的压力传感器稳定读数Pn1和Pn2，实际测试过程中采集到了8组数据点如下表所示：
JH820-M30 BK201测量数据
| 剪切速率γ/s-1 | 0.2:1口模入口压力P1/Pa | 20:1口模入口压力P2/Pa |
| 200 | 80356 | 1171249 |
| 500 | 146641 | 2285401 |
| 800 | 310356 | 5180027 |
| 1000 | 530667 | 8922615 |
| 1500 | 969176 | 14701956 |
| 2000 | 1302257 | 18691100 |
| 3000 | 1900620 | 24410100 |
| 5000 | 2322860 | 28205938 |
9)输入的原始矩阵数据，通过计算可得到每个剪切速率下的入口压力损失和真实壁面剪切应力，计算方法如下：将上表测量数据带入下式中，计算得到不同剪切速率下的入口压力损失和真实壁面剪切应力。本案例大长径比毛细管选用10:1，因此X值在本案例中为10。
计算数据如下表所示：
JH820-M30 BK201计算数据
| 剪切速率γ/s-1 | 入口压力损失Pe/Pa | 真实壁面剪切应力τ/Pa |
| 200 | 58093 | 27272 |
| 500 | 102993 | 53469 |
| 800 | 210974 | 121742 |
| 1000 | 359402 | 209799 |
| 1500 | 688915 | 343320 |
| 2000 | 947383 | 434721 |
| 3000 | 1441243 | 562737 |
| 5000 | 1794634 | 647077 |
10)将上表中不同剪切速率下的入口压力损失和对应的真实壁面剪切应力数据带入入口压力损失模型，使用Matlab拟合回归测试数据参见附图5，横坐标为真实壁面剪切应力τ，纵坐标为入口压力损失Pe。散点为实测数据，实线为拟合曲线。随壁面剪切应力τ的增加，入口压力损失Pe变大，且有增速逐渐增加的趋势。
11)拟合得到入口压力损失模型的参数c1和c2见下表，R2＝0.9963具有较高的拟合精度。
JH820-M30 BK201拟合结果
| 产品牌号 | c1 | c2 | R2 |
| JH820-M30 BK201 | 0.007117 | 1.445 | 0.9963 |
实施例4丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的入口压力损失模型系数c1和c2的获取
牌号：MAC-601Nature
生产商：金发科技股份有限公司
材料：聚碳酸酯+ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)
1)获取MAC-601Nature待测材料约100g烘干备用，在120℃烘箱中烘干4h。物料从烘箱中取出到测试开始不可超过15min，防止二次吸湿影响测试结果。
2)将高压毛细管测试温度设定为材料推荐的注塑温度245℃，当仪器达到测试温度后，等待大约15分钟，使仪器保持稳定。
3)安装毛细管，将毛细管放进安装螺母中，然后将安装螺母放进扭力扳手连接头中旋进毛细管并旋紧，用扭力扳手拧紧，扭矩为65Nm。由于聚碳酸酯材料黏度较高，分别使用长径比等于0.2:1和20:1毛细管测试。
4)安装压力传感器，在压力传感器螺纹处涂上防高温粘接膏，然后旋进压力孔中，然后用扳手稍微拧紧并插上压力传感器信号线。
5)填装测试材料，用加料漏斗装取物料，拉开防护罩，然后用压料杆将物料加到料筒中，然后用压料杆稍微压实。安装上活塞杆，关闭防护罩。在触摸屏上控制活塞杆速度，对物料进行压实。使压力传感器的压力不要超过10MPa。压实物料后，打开防护罩，取下活塞杆。重复以上过程2～3次，直到物料加满料筒为止。然后提升活塞杆，使压力传感器保持大约1MPa的压力。
6)设置测试条件，预设剪切速率测试条件为200s-1、500s-1、800s-1、1000s-1、1500s-1、2000s-1、3000s-1、5000s-1、7000s-1、10000s-1，数据点数量共10个。
7)点击开始测试键，此后仪器会自动进行测试，直到测试结束。
8)根据测试结果，记录不同剪切速率γn下，被测物料通过长径比分别为0.2:1和20:1毛细管的压力传感器稳定读数Pn1和Pn2，实际测试过程中采集到了8组数据点如下表所示：
MAC-601 Nature测量数据
| 剪切速率γ/s-1 | 0.2:1口模入口压力P1/Pa | 20:1口模入口压力P2/Pa |
| 200 | 888346 | 14084590 |
| 500 | 1406998 | 21307558 |
| 800 | 1856892 | 25394998 |
| 1000 | 2106936 | 28190116 |
| 1500 | 2641409 | 32213682 |
| 2000 | 3066089 | 35664600 |
| 3000 | 3825529 | 41412312 |
| 5000 | 5342300 | 50220200 |
9)输入的原始矩阵数据，通过计算可得到每个剪切速率下的入口压力损失和真实壁面剪切应力，计算方法如下：将上表测量数据带入下式中，计算得到不同剪切速率下的入口压力损失和真实壁面剪切应力。本案例大长径比毛细管选用20:1，因此X值在本案例中为20。
计算数据如下表所示：
MAC-601 Nature计算数据
10)将上表中不同剪切速率下的入口压力损失和对应的真实壁面剪切应力数据带入入口压力损失模型，使用Matlab拟合回归测试数据参见附图6，横坐标为真实壁面剪切应力τ，纵坐标为入口压力损失Pe。散点为实测数据，实线为拟合曲线。随壁面剪切应力τ的增加，入口压力损失Pe变大，且增速逐渐加大。
11)拟合得到入口压力损失模型的参数c1和c2见下表，R2＝0.996具有较高的拟合精度。
MAC-601 Nature拟合结果
| 产品牌号 | c1 | c2 | R2 |
| MAC-601Nature | 0.000693 | 1.712 | 0.996 |
对比例1入口压力损失的准确模拟对于实际指导注塑材料的选择具有重大意义
实施例2中的被测物料JH820-M30 BK201是由实施例1中物料Panlite L-1225LM添加炭黑生产而成，在相同测试条件下，二者测得的入口压力损失模型系数不同。根据测试得到的入口压力损失系数，作图得到入口压力损失Pe随壁面剪切应力τ之间的关系如附图7所示。
在较低壁面剪切应力范围内(<0.3MPa)，炭黑的添加使聚碳酸酯原材料的入口压损略有降低；而在较高壁面剪切应力范围内(>0.3MPa)，炭黑的添加会引发更大的入口压力损失，且随壁面剪切应力的增加，添加炭黑引起的入口压力损失增加的幅度逐渐变大。
对于浇口尺寸较大的低速注塑制件，注塑过程中剪切应力较低，可选用炭黑配色聚碳酸酯，相比使用聚碳酸酯原材料，不会引起额外过多的入口压力损失；但对于高速小型注塑制件，注塑过程中壁面剪切应力大，炭黑的添加会增大入口压力损失，不利于成型，此时可考虑直接选择使用原材料注塑或改用其他配色方案的材料，避免因压力损失过大而可能出现的欠注问题，所以入口压力损失的准确模拟对于实际指导注塑材料的选择具有重大意义。
对比例2入口压力损失对模拟注塑压力的影响
实施例4中实测的MAC-601 Nature材料的入口压力损失系数，可以输入到Moldflow软件的材料参数中用于模拟仿真。制件模型为自主开发的一套点浇口模具，型腔外观尺寸L200 mm×W42 mm×H17 mm，型腔厚度约2.2mm，点浇口截面为椭圆形，长、短轴分别为1.3mm和0.9mm，如附图8所示。
材料选用Moldflow软件数据库中的MAC-601，分别将入口压力损失系数设为0和真实测得的c1、c2值进行模拟仿真。设定注射速度为150cm3/s，熔体温度245℃，模温70℃，其他工艺条件保持一致。注射压力随注射时间的变化如附图9所示。
注射初期(<0.06s)，物料熔体在尺寸相对较大的流道内向前流动，是否考虑入口压力损失未造成模拟注塑压力的明显差异。在约0.06s时，物料前沿到达并开始通过点浇口，此处流道发生剧烈收敛，考虑入口压力损失的模拟注塑压力迅速增大，此后注塑压力一直高于未考虑入口压力损失的模拟注塑压力值。按照实测物料入口压力损失模型系数计算的最大注塑压力为153.3MPa，高出忽略入口压力损失计算的注塑压力120.3MPa约27％。
由此可见，忽略入口压力损失会造成模拟计算的注塑压力大幅偏低。尤其对于流道尺寸变化幅度较大或者整体尺寸较小的制件，实测并使用材料入口压力损失模型参数可获得更准确的模拟结果。
实施例5
本发明还提供了一种计量获取入口压力损失模型系数的系统，能够实现获取入口压力损失模型系数的步骤，该系统包括：
(1)入口压力获取单元，用于获取聚合物熔体在不同剪切速率下的入口压力P。入口压力获取单元包括两种长径比L/D不同的毛细管，一种毛细管的长径比L/D为0.2:1，另一种毛细管的长径比L/D为X:1，X为毛细管长度，数值为5-50，X优选为20。
(2)计算单元，用于根据入口压力P，计算得到入口压力损失Pe和真实壁面剪切应力τ。计算单元中剪切速率下的入口压力损失Pen和真实壁面剪切应力τn的计算方法如下：
其中Pen为入口压力损失，τn为真实壁面剪切应力，X为毛细管长度，Pn1和Pn2分别为长径比0.2:1和X:1毛细管的压力传感器读数，D为毛细管直径。
(3)数据拟合单元，用于将入口压力损失Pe和真实壁面剪切应力τ代入到入口压力损失模型中，使用Matlab拟合回归得到入口压力损失模型的两个参数c1和c2。
实施例6
本发明还提供了一种计算机系统和一种计算机可读存储介质，所述计算机系统包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述计量获取入口压力损失模型系数的方法实施例中的步骤，例如，图2所示的步骤。或者，该计算机程序被处理器执行时实现上述各装置实施例中各单元的功能，例如，入口压力获取单元、计算单元和数据拟合单元的功能。
在本发明实施例中，获取入口压力损失P，根据获取的入口压力P，计算入口压力损失Pe和真实壁面剪切应力τ，将入口压力损失Pe和真实壁面剪切应力τ的计算结果代入到入口压力损失模型中，拟合回归得到入口压力损失模型的两个参数c1和c2，可解决注塑成型中从粗到细变化导致的压力失真问题，从而提高开模成功率和合格品产出率。
该计算机程序被处理器执行时实现的计量获取入口压力损失模型系数的方法实施例中步骤的描述，在此不再赘述。
本发明实施例的计算机可读存储介质可以包括能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质，例如，ROM/RAM、磁盘、光盘、闪存等存储器。
综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
①样品用量小：设备选用高压毛细管流变仪，物料在活塞挤压作用下通过毛细管实现测量。作为可变实验条件的剪切速率可随电机控制的活塞速度变化而同步变化，无需长时间等待稳定状态。选择直径为1mm的毛细管，相同剪切速率条件下的料流量更小。以上两个原因决定了本方案样品用量小，单次测试不超过22.6cm3；
②无需剪切热校正：物料熔融热量完全来自于料筒壁面加热元件传热，无额外剪切热影响；
③计算得到的入口压力损失准确：选择长径比为0.2:1的毛细管，实现对接近长径比为0的真实入口压力损失条件下的压力测量；另一长径比优选20:1，如此选择长径比相差较大的两种毛细管，且其中一个为小长径比，可获得较宽长径比范围内的两组真实压力数据，由此推导出的入口压力损失值会非常准确；
④流程清晰，在一定程度上降低工作量，提高效率。只需分别使用两种毛细管口模测试聚合物熔体在不同剪切速率下的入口压力P。入口压力损失Pe和真实壁面剪切应力τ均可由本发明给出的方法计算得到，代入到入口压力损失模型中，使用Matlab作图即可拟合回归得到入口压力损失模型的两个参数c1和c2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种计量获取入口压力损失模型系数的方法，其特征在于，
使用两种毛细管测试聚合物熔体在不同剪切速率下的入口压力P；
根据获得的入口压力P，计算得到入口压力损失Pe和真实壁面剪切应力τ；
将入口压力损失Pe和真实壁面剪切应力τ的计算结果代入到入口压力损失模型中，拟合回归得到入口压力损失模型的两个参数c1和c2，其中，入口压力损失模型Pe＝c1·τc2。
2.根据权利要求1所述的计量获取入口压力损失模型系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.获取待测材料进行烘干备用；
b.将测试温度设定为材料推荐的注塑温度，分别使用两种长径比L/D不同的毛细管测试；
c.设定剪切速率范围，设置数据点数量；
d.根据测试结果，记录不同剪切速率γn下，被测物料通过两种长径比L/D不同的毛细管的压力传感器稳定读数Pn1和Pn2，共计n组数据；
e.步骤d中输入的原始矩阵数据，通过逐一计算可得到每个剪切速率下的入口压力损失Pen和真实壁面剪切应力τn；
f.将步骤e中不同剪切速率下的入口压力损失Pen和对应的真实壁面剪切应力τn数据带入入口压力损失模型，拟合回归测试数据即可得到入口压力损失模型的参数c1和c2。
3.根据权利要求2所述的计量获取入口压力损失模型系数的方法，其特征在于，步骤b中一种毛细管的长径比L/D为0.2:1。
4.根据权利要求3所述的计量获取入口压力损失模型系数的方法，其特征在于，步骤b中另一种毛细管的长径比L/D为X:1，X为毛细管长度，数值为5-50。
5.根据权利要求4所述的计量获取入口压力损失模型系数的方法，其特征在于，步骤b中X为20。
6.根据权利要求2所述的计量获取入口压力损失模型系数的方法，其特征在于，步骤e中剪切速率下的入口压力损失Pen和真实壁面剪切应力τn的计算方法如下：
其中Pen为入口压力损失，τn为真实壁面剪切应力，X为毛细管长度，Pn1和Pn2分别为长径比0.2:1和X:1毛细管的压力传感器读数，D为毛细管直径。
7.一种计量获取入口压力损失模型系数的系统，其特征在于，所述系统包括：
入口压力获取单元，用于获取聚合物熔体在不同剪切速率下的入口压力P；
计算单元，用于根据入口压力P，计算得到入口压力损失Pe和真实壁面剪切应力τ；
数据拟合单元，用于将入口压力损失Pe和真实壁面剪切应力τ代入到入口压力损失模型中，拟合回归得到入口压力损失模型的两个参数c1和c2，其中，入口压力损失模型Pe＝c1·τc2。
8.根据权利要求7所述的计量获取入口压力损失模型系数的系统，其特征在于，所述入口压力获取单元包括两种长径比L/D不同的毛细管，一种毛细管的长径比L/D为0.2:1，另一种毛细管的长径比L/D为X:1，X为毛细管长度，数值为5-50。
9.根据权利要求8所述的计量获取入口压力损失模型系数的系统，其特征在于，所述另一种毛细管长径比中的X为20。
10.根据权利要求7所述的计量获取入口压力损失模型系数的系统，其特征在于，所述计算单元中剪切速率下的入口压力损失Pen和真实壁面剪切应力τn的计算方法如下：
其中Pen为入口压力损失，τn为真实壁面剪切应力，X为毛细管长度，Pn1和Pn2分别为长径比0.2:1和X:1毛细管的压力传感器读数，D为毛细管直径。
11.一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
12.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
13.权利要求1-6任一项所述的计量获取入口压力损失模型系数的方法在聚合物注射成型模拟仿真中的应用。
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| CN111475968B (zh) * | 2020-05-13 | 2023-11-21 | 金发科技股份有限公司 | 一种计量获取入口压力损失模型系数的方法 |
-
2020
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110057717A (zh) * | 2019-04-19 | 2019-07-26 | 深圳大学 | 基于特征尺寸的高聚物熔体粘流活化能模型的建立方法 |
| CN110083909A (zh) * | 2019-04-19 | 2019-08-02 | 深圳大学 | 基于特征尺寸的高聚物熔体非牛顿指数模型的建立方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
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