基于IBM-CLSVOF方法的聚合物注塑流动与结晶的多尺度建模与计算研究

In injection molding process, the macro molding conditions have a significant impact on the mesoscopic crystallization behavior, thus determine the final macro properties of plastic products. Therefore, it has great instructional significance in polymer processing to study the multiscale simulation of the macroscopic polymer flow and mesoscopic crystallization. In this project, firstly based on the adaptive mesh refinement technique, we present an adaptive immersed boundary method and the corresponding finite volume scheme, which is applied to simulating the polymer filling process in the complex mold cavities. Then we construct a multiscale model for the polymer packing and cooling processes based on the energy equation model with phase change, in which the CLSVOF (Coupled level-set and volume-of-fluid) method is employed to trace the liquid-air, solid-liquid and spherocrystal interfaces in polymer cooling process, respectively. Meanwhile, the influence mechanisms of processing condition on the residual stress and crystallization are also studied. Finally, the multiscale model is established for the coupling of macroscopic polymer flow, mesoscopic crystal morphology evolution, where the CLSVOF method is adopted to trace the interfaces of spherocrystal and shish-kebab evolution. Moreover, the influence mechanism of polymer flow and heat transfer on the crystallization kinetics and crystal morphology is also analyzed in detail. The successful implementation of this project has important scientific significance and practical value to study the formation mechanism of polymer crystallization, as well as control the processing conditions to optimize and predict the mold cavity design and the physical properties of the plastics.

注塑成型过程中，聚合物宏观流动会对介观结晶行为产生显著影响，进而决定了制品的物理性能。因此，聚合物宏观流动和介观结晶的多尺度模拟研究对聚合物材料加工具有重要的指导意义。首先，本项目基于自适应网格加密技术，提出自适应浸入边界法及相应有限体积离散格式，将其应用于复杂型腔内聚合物充模流动的模拟。其次，基于带相变的能量方程模型，建立聚合物保压冷却过程的多尺度模型，采用耦合水平集流体体积(CLSVOF)方法分别追踪凝固过程中的熔体前沿界面、固液演化界面和球晶生长界面，分析宏观流动传热对残余应力和结晶的影响。最后，建立聚合物宏观流动、介观结晶形态演化相耦合的多尺度模型，采用CLSVOF方法准确追踪球晶和串晶的生长界面，并深入探析宏观流动传热对结晶动力学和形态学的影响机制。本项目的成功实施将对研究聚合物结晶的形成机理，以及通过加工条件预测和优化型腔设计及制品物理性能，具有重要的科学意义和工程应用价值。

聚合物注塑成型多尺度模拟研究对优化产品性能具有重要指导意义。本项目针对聚合物注塑成型过程中的宏观粘弹性非牛顿流体流动问题，建立了求解控制方程的耦合浸入边界-有限体积方法，实现了常规注塑成型和气辅注射成型中的复杂流动的数值模拟研究。针对介观分子取向和结晶行为，建立了改进的耦合相场-格子Boltzmann方法，实现了多种晶体(球晶和串晶)生长过程的可视化，并讨论了流速和温度等条件对结晶动力学和形态学的影响机制，达到了通过加工条件预测和优化型腔设计及制品性能的初步目的。.1.构造了描述复杂型腔的形状水平集(Level Set, LS)函数，采用耦合浸入边界-有限体积法求解非牛顿粘弹性流体控制方程，成功描述了气辅注射成型中气体流动的不对称现象、跑道和涌泉现象，详细分析了介观分子的取向行为。.2.提出了一种改进的简单耦合水平集流体体积(Simple Coupled Level-Set and Volume-Of-Fluid, S-CLSVOF)方法，并将其应用于复杂充模过程的熔体前沿界面追踪。对复杂模腔内的非等温充模过程进行了模拟，给出了聚合物熔体的宏观温度、应力和介观分子取向行为。.3.提出了一种适应于复杂模具的建模方法--基于水平集的浸入边界法。数值模拟研究了一个带七个嵌件的插座型腔内的充模过程，分析和讨论了熔体速度、分子构型变化、法向应力、温度分布和凝固层等相应的物理量。.4.采用改进的耦合相场和格子Boltzmann方法，对流场作用下的聚合物晶体生长过程进行了数值模拟，详细分析了流速对晶体(单个球晶、多个球晶和串晶)形貌的影响。.通过该项目的研究，丰富和完善了现有注塑成型流动和结晶的多尺度算法，建立了相应的浸入边界-有限体积法、界面追踪的S-CLSVOF方法以及流动诱导结晶的相场-格子Boltzamnn方法，有效地提高了计算效率和精度，为聚合物材料加工的多尺度模拟研究和应用提供了重要的理论支撑和指导。