论文分享-基于数值模拟技术的混合及挤出工艺优化

基于数值模拟技术的混合及挤出工艺优化

Laurent ratte1,刘寒龙2, 耿楠2

（1．科学计算咨询公司，法国，F-42000；2.北京创联智软科技有限公司，北京，100027）

摘要

近二十年，数值模拟在工业上的应用越来越广泛。随着计算机软硬件的发展，数值计算方法在流体领域，也有了很多应用。对于诸如混合及挤出等特殊应用，这类软件非常强大但是通常只有数值模拟方面的专家才能很好的使用。由法国科学计算咨询公司开发的Ludovic® 和XimeX® 软件提出了一种新方法来模拟混合和挤出工艺，这两个软件设计用来满足工业需要。所以他们专注于混合和挤出问题，可以为技术人员、工程师、工艺师日常使用，而非仅专业的数值模拟人员。

关键词：混合   挤出   螺杆单元   Ludovic XimeX

概述

无论生产采用何种材料，都有同一目标：提高混合、挤出的性能和效率。然而，实验研究成本较高，并且测量复杂。采用数值计算可以模拟多种方法来分析混合工艺的效率。XimeX适用于这一目标，并具有以下特点：

1模拟全部设备：混合及挤出不仅仅是受局部影响，而是要考虑整个设备来反映真实的机械和物理现象。

2复合材料需要考虑反应，真实预测模拟需要考虑热机化学耦合。

3使用并行计算可以加快计算速度。

4嵌入了强大的自动网格划分和重构技术，可以减少模拟准备时间（有机会来模拟多种类型的模型）。

采用独特的数值模型

图1 XimeX网格划分

XimeX采用了一种独特的有限元方法-浸入边界法，可以对模拟零件（容器，叶片，转轴，螺杆单元...）自动进行网格划分和重构。容器的几何模型可以简单的浸入到计算域。此外，关键区域（螺杆单元与机筒的间隙，中央混合区域叶片的边界）可以通过专门工具自动进行网格重划来获取更高的精度。

广泛适用的物理模型

初级的分析以宏观机械计算为主。作为流体软件，XimeX集成了经典的物理模型（基于Stokes – Navier/Stokes方程）。可以考虑复杂的现象（例如热耦合计算、自由表面、多种材料...）。XimeX尤其适用于高粘性流体。其中的耦合模型对于复合材料行为的更深入的分析尤为有用。混合效率的统计方法

在实际中，研究人员和工程师都在使材料达到指定的混合特性。为了得到更好的材料特性，混合需要更为分散或分布均匀。从实验观点来看，这种混合很难识别（纤维分析...）。正是这个原因，XimeX软件第二步计算循环的目标定为追踪颗粒。

图2 颗粒追踪-沿程累积应变分布

首步为宏观机械分析，第二步为追踪虚拟颗粒来表征材料的流动。为了确定混合质量，可以分析这些颗粒上的累积应变。通过这种方式，颗粒位置分布的统计分析可以了解混合质量。颗粒追踪还可以用于模拟颗粒的破碎和纤维长度变化。

搅拌混合机应用

图3展示了一个复杂的应用，速度范围为数十米每秒。材料为水泥，整体的喂料速度为80吨/小时，切向速度为21米/秒。网格要足够小以保证可以分析这种螺纹形状和速度，有限元模拟也需要很小的时间步长。

图3 混合有限元模型

由于采用了先进的并行技术，计算时间仅为几个小时。

图4 速度场分析

混炼挤出机应用

挤出是一种典型的复合材料特殊工艺，。螺纹的旋转和传动同时进行，对于剪切和热敏材料是有帮助的。主要用于线缆和高填充复合材料。在这个应用中，XimeX软件用于模拟混炼挤出机的整个螺杆单元。为了得到工艺过程中的关键参数，进行了两个阶段的模拟。

l   宏观机械分析

速度和压力是首先需要分析的两个关键值。在两个剪切面上，显示了速度和压力。显示了在螺杆单元上的不同现象：

1 速度在螺纹开始阶段更高。

2 压力慢慢的增加直到在螺纹出口处接近10bar。

图5 挤出机中的速度和压力分布

这两种现象可以通过螺纹的特殊运动方式，旋转和传动来解释

l   颗粒追踪：定量分析混合效率

基于一阶段的材料流动分析，颗粒用于计算累积应变。可以分析材料在设备中传输的历史。提供分析混合效率的信息。

图6 不同时刻的累积有效应变分布

用CFD方法模拟螺杆全模型

使用CFD方法模拟双螺杆工艺的挑战在于模拟整个设备。连续的工艺，螺纹几何和不同的现象同时发生意味着这种模拟是非常复杂的。尤其是模拟整个螺杆。作为并行软件，Ximex能够分析整个复杂的几何和实现总螺纹长度上的模拟。此例中，挤出机直径为200mm，1000mm长。生产条件为500kg/h-50rpm，材料为高粘性材料。考虑速度和剪切用于分析整体的材料行为。

图7 双螺杆挤出机中的速度分布

木质纤维：预测函数域

双螺杆工艺的主要优点是灵活性。螺纹设计的可变和生产条件组合起来可以适用于很多种不同的材料。螺杆的设计是一个关键因素，对于产品来说，可以控制产热的多少和剪切的多少...。如果是热敏性材料，螺杆设计更为重要。下面木质纤维的生产是一个的典型应用。木质纤维是机械强化材料设计为木质小方块。这种纤维用于加强PP和增加复合物机械性能。作为木质纤维，对于温度非常敏感（易于燃烧）。作为木质小方块，需要很多能量用于分散木质纤维。这项研究的目的在于在温度（max 250度）和提供给产品的能量之间找到一个平衡。通过设计合适的螺杆单元可以解决一部分问题，另外一部分问题为根据操作条件（尤其是螺杆速度）找到合适的函数域。

l   检查标准螺杆单元

一步，设计初始的螺杆单元。测试一个莱斯特瑞兹直径27mm的标准设计：包括首先一个压缩段（大约3D）和一个更长的混合段（大约7D）。木质纤维在混合段之前进行添加。为了快速检查螺杆单元的影响，使用Ludovic软件进行分析。Ludovic是一个专注于同向啮合双螺杆挤出工艺的1D模拟软件，计算一个工艺只需几秒钟就可以完成。螺杆设计和工艺条件设置到软件中来分析材料的热机械行为。

初步设置作为参考。然后Ludovic结果与一些测量结果（沿着螺杆的传感器）相比较。检查温度，压力和停留时间，通过这些结果，可以很好的修正模拟。通过这些结果，可以预测不同螺杆单元的材料行为。

l   通过DOE（实验设计）优化螺杆单元

在检查Ludovic可靠性之后，可以模拟分析不同的螺杆单元。此例中，测试了很多不同的螺杆单元来观察他们是否为PP和木质纤维材料达到了较优的挤出条件。应用DOE（实验设计）分析不同的螺杆单元可以达到这种目的。此例中考虑两种因素的影响

螺杆转速（在给定范围内）

产量（在给定范围内）

获取结果后，需要定义产品目标（如max温度230度，阈值）。结合预定义目标，函数域自动显示为绿色。

图8 实验设计应用到不同的螺杆单元

此例中，第六种设计根据螺杆转速和产量变化仅能得到一个很窄范围的函数域，首次的设计结果较好。

l   总结

此例中，Ludovic软件可以快速分析不同螺杆单元，节省时间和实验。

结论

目前数值模拟软件已经广泛应用于研发之中，给设计研发提供参考。

1 使用数值模拟技术可以预测混合及挤出工艺，宏观机械分析可以得到压力，速度场。颗粒追踪功能可以定量给出累积应变，评估混合效率。

2 使用实验设计功能，可以快速模拟分析不同螺杆设计对于目标函数的影响，可以用于螺杆设计和工艺条件的优化。