边洋震，刘君峰，许忠斌，朱科，叶如清，林增荣，成明祥

(1.浙江大学能源工程学院，浙江 杭州 310027；2.浙江大学机器人研究院，浙江 宁波 315000；3.德清申达机器制造有限公司，浙江 湖州 313200)

0 引言

在高分子成型加工中，挤出、吹塑等传统的设计方法一般采用理论计算法和实验法。通过实验来获取最优设计的方法常受到多种人为和环境因素限制与影响，并且资金投入大、研究周期长，不利于快速应对各种生产要求与任务；而理论计算法因其计算量庞大需要大量人力，并且只能精确计算特殊条件下的情况，范围有限。在数字化设计方法逐步取代试差法的背景下，通过POLYFLOW商业软件进行数值模拟能够克服前面两种方法存在的弊端。此外，数值模拟可以形象地使用流线图、云图等再现流动情景，更加直观和精准地分析流场，以便对设备和生产工艺进行优化。

1 POLYFLOW软件与模拟分析步骤

POLYFLOW是基于有限元法的计算流体动力学软件，其中包含了许多实用的模型和完善的算法[1]。POLYFLOW相较于其他流体计算软件具有完备黏弹性模型体系，并对AutoCAD、SolidWorks等软件兼容，因此可以用来解决牛顿/非牛顿流体及线性/非线性问题。

20世纪90年代以来，因计算流体和计算机的发展，POLYFLOW软件得到快速发展，并应用于包装、电子电气等诸多工业部门，而且它可以提高设计精度，降低设计成本并缩短设计周期，在工业设计中获得越来越广泛的应用，从而促进高分子加工行业的发展。

POLYFLOW在高分子成型加工中的模拟分析步骤如下：

（1）建立有限元模型：设计或读入几何模型；定义材料属性；划分网格（节点及单元）。

（2）施加载荷并求解：施加载荷、设定约束条件；求解。

（3）查看结果：查看分析结果；检验结果（分析是否正确）。

2 POLYFLOW在挤出中的应用

POLYFLOW用于挤出方面的数值模拟主要有两类[2]：

（1）正向分析：对于给定的口模形状与参数，可以用POLYFLOW来分析不同工艺条件下制品挤出成型的各种参数，如制品的最终形状、口模处的压力变化等，由此来确定最佳工艺条件。

（2）逆向分析：与正向分析过程相反，是根据已知的制品形状，运用POLYFLOW的逆向分析功能来设计口模。优点是不依赖经验口模并直接给出口模形状，但仍然需要正向分析来检验和优化。

挤出成型是高分子成型加工过程中重要的工艺之一。在挤出成型过程中存在不稳定现象，并且在异型材挤出设备中存在复杂功能块部位的尺寸超差问题[3]和高分子材料挤出胀大导致的尺寸不一等问题，因此需要优化挤出参数和预测挤出形状，利用POLYFLOW可以有效地分析和解决上述难题。

张振[3]等以POLYFLOW为平台运用有限元数值计算方法对固定功能块进行数值模拟分析，结合挤出模头设计制造的实践给出了流道结构合理设计的数值方法，构造形状复杂功能块的流道模头以保证整个挤出模头出口平均流速一致；赵峰[4]等应用POLYFLOW对塑木墙板大截面异型材挤出机头流道进行仿真设计，获得了熔体在流道中的流动状况，通过分析速度云图和压力云图并结合正交实验法，得到优化的流道结构，从而减少修模次数，提高设计效率；甘学辉[5]等基于POLYFLOW研究十字形纤维在熔融纺丝过程中的变形，获得距离喷丝孔长度对熔体速度和细流截面形状的影响规律，基于这个变化规律并结合逆向分析，优化设计结构来减小挤出胀大的影响；张磊[6]等运用POLYFLOW对高熔指聚丙烯在同向双螺杆挤出机的机头中的流动情况进行分析，获取相应的压力场、速度场、剪切速率场和黏度场，并以此改进机头结构，使得物料流动均匀，各模孔均匀出条。

POLYFLOW在微管分析和设计中相较其他软件更占优势。任重[7]等应用POLYFLOW揭露气辅技术应用于塑料微管挤出可以解决传统塑料微管挤出时存在的挤出变形、挤出胀大和熔体破裂等问题的机理：利用气辅技术在口模和熔体之间形成缝隙-气垫膜层，使熔体在口模出口时没有产生径向流速和多余压力降，使挤出的塑料管尺寸更加均匀、壁厚更薄，并通过实验验证气辅技术确实可以解决上述问题；刘同科[8]等基于POLYFLOW，模拟气液两相流共挤出，分析了内气垫层气体在离开口模后进入微管腔内的流动情况，研究了其对微管挤出成型的影响，得出内气垫层气体对微管成型有较大影响，并揭露了其机理：在挤出口模前内气垫层气体会对微管产生挤压作用使微管管壁变薄，挤出口模后内气垫层气体在微管内流动与外界形成压差导致微管变形；肖建华[9]等运用POLYFLOW结合渐变法，研究在不同压力下微通道塑料薄膜（MCF）挤出时表面形状和尺寸的变化，揭示了MCF离开口模后在牵引力的作用下微管截面由圆形变成椭圆的机理；傅志红[10]等用POLYFLOW结合实验研究了注气压力对微管挤出成型的影响，通过位置矢量图和速度分布图得出注气压力过小则注汽效果不明显，注气压力过大则会影响熔体挤出的流动状态，通过压力云图确定了合理的注气压力范围。黄兴等运用POLYFLOW模拟柔性矩形微管（RMT）的微挤出过程[11]，为研究微米尺度的通道由毫米尺度的模具形成的机理和新理论模型提供了直观的参数；同时对RMT挤出过程中工艺参数和口模结构[12]对其长宽比的影响，建立了数学关系，并以此对芯模几何形状进行优化以获得尽可能大的长宽比。刘君峰[13]等运用POLYFLOW模拟分析了MCF在挤出过程中微通道的变形机理，如图2，通过分析各参数对微通道的横截面形状的影响，利用分通道独立注气提升微通道尺寸均一性。

本文基于熊巧巧等的《基于POLYFLOW的汽车密封条挤出口模逆向设计研究》[14]和《基于POLYF LOW的汽车密封条挤出口模结构优化》[15]两篇论文来介绍POLYFLOW正向分析和逆向分析在挤出成型中的应用：

2.1 模型建立

建立几何和数学模型：建立几何模型并根据流道复杂度进行网格划分；根据质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律以及本构方程来建立相应数学模型（一般根据相应的数学模型选择相应的黏性流体模型）；设置相应的边界条件，并重置网格。

2.2 计算结果分析：

（1）正向分析：正向分析得到密封条熔体挤出胀大图、入口处流速等值线图和流速曲线图，可以分析截面上各特征点之间的关系，发现口模上的凸点有横向收缩，纵向延伸的趋势，口模上凹点位移相对较小,有横向延伸的趋势，如图3，设计口模时需相应减小凸点与凹点的尺寸，以此设计并优化口模。

（2）逆向分析：三维逆向设计是根据制品已知的横截面形状来设计口模横截面形状，通常先根据制品形状参数得到相应的熔体挤出胀大图和速度场分布图来分析流体在不同挤出位置时的形状，运用POLYFLOW数值设计的功能以制品的横截面形状为口模内流道来建立几何模型得到预测的密封条挤出口模横截面形状图，然后再进行正向分析来优化。

3 POLYFLOW在吹塑与热成型中的应用进展

吹塑成型主要用在挤出之后（挤出吹塑），与挤出成型和注塑成型相比，可以成型性能较高、形状较为复杂的制品，并且其模具价格低廉、生产成本低，在生产中小型产品中有较大的优势。但由于吹塑的特殊性，其制品大多为中空件，容易出现壁厚不均一等问题[16]。

莫壮壮[16]等运用POLYFLOW模拟分析，得出影响制件壁厚的因素分别为吹胀压力、模具运动时间以及吹胀时间，通过设计正交试验得到最优工艺参数，从而提高产品壁厚均匀性。樊玲玲[17]等运用POLYFLOW模拟了汽油瓶吹塑成型过程，分析其吹胀压力、型坯初始温度（如图4）、型坯初始壁厚对壁厚均一性的影响，并基于响应面法优化成型工艺参数以获得壁厚均匀的制件，从而提升制件的成型质量；胡青春[18]等

基于双轴向拉伸吹塑成型技术运用POLYFLOW模拟PET瓶成型过程，分析成型过程中的温度场，并对下杆停留时间、上升高度和下杆延迟时间等参数进行优化，解决了吹塑产品PET瓶的瓶底部分力学性能不足以及瓶底积料导致PET原料大量浪费的问题。

热成型技术是以热塑性塑料片材为成型对象的二次成型技术，具有广阔应用前景，但其生产过程复杂，需要的工艺参数较多，若用传统方法试模耗时耗力，运用POLYFLOW可以提高分析效率和分析精度。

周中河[19]等运用POLYFLOW，在预拉伸阶段工艺参数一致的情况下分析制杯机拉伸头各个尺寸对于壁厚分布的影响，以经验拉伸头为基础，对拉伸头的平端直径、拐角半径、拐角切点高度等结构参数进行了优化从而使制品厚度更加均匀；刘修忠[20]等结合POLYFLOW模拟了玻璃瓶的成型过程，如图5，并分析了其成品质量，在基于经验公式上设计了初始坯料模型，并运用逆向思维引进高度系数k定向优化模型，最后验证了成型效果较好的初型模的设计是通过优化后模型的外轮廓作为初型模型腔得到的。

4 结论与展望

本文对POLYFLOW在高分子成型加工中的应用进行了归类和举例，得出以下结论：

（1）基于POLYFLOW进行数值模拟可获取一系列工艺参数，对产品的制造提供理论指导，如：模拟熔体的速度分布、压力云图、温度场等，根据这些参数在生产时进行优化。

（2）采用POLYFLOW可降低设计成本、缩短产品研发周期，如：在挤出中先进行逆向分析设计口模形状，再进行正向分析来查看挤出情况并以此进行优化，从而降低设计时间和成本，并减少人力资源使用。

（3）POLYFLOW软件应与时俱进，根据近年来科学研究增加新的黏弹性模型以提高模拟仿真准确性，采用内置加速器提升计算收敛速度，通过优化界面提高用户使用舒适度，此外还需要进一步拓展功能和使用便捷性，从而促进其在科学研究和工业生产中的应用。