Moldex3D模流分析之Linear Differential Model

塑料熔流的粘彈性質極其復雜,其對于許多現象的影響也可以非常顯著,諸如正向力、剪切力等影響。所以了解物質的黏彈效應對于在射出成型制程當中保有良好質量以至于產品也相當關鍵。目前存在了各種不同的數學模型來表達物質的黏彈性,以下概述Moldex3D支持的多個模型:

線性微分模型(Linear Differential Model)

?UCM模型 (上對流Maxwell模型)

此模型以線性或準線性的方式來描述塑料的黏彈性,可看作將黏性及彈性分開來串連。

Moldex3D模流分析之Linear Differential Model的圖1

黏彈效應的示意圖

松弛時間(λ)是定義為當變形停止時,應力從原始下降到剩一半所需的時間。越高的松弛時間表示越多的(彈性)記憶效應。對于穩態的移動或松弛時間(λ)極小的狀況,可被簡化為牛頓流體并用粘度來表示(η)。對于突然的應力變化,以時間導數表現則是虎克定律(Hookean)及彈性模數(G)表示的固態行為。請注意,由于UCM可以視為Oldroyd-B模型的一種簡化情況,所以Moldex3D并不會在材料庫中再將其列出。

?Oldroyd-B模型 (對流性Jeffreys模型)

Moldex3D模流分析之Linear Differential Model的圖2

此模型較UCM多了一個牛頓(Newtonian)項,而當r=0時,這個模型就會被降回UCM模型。此模型預測固定的黏度及二階的第一正向應力差,而此線性(準線性)模型因為其簡易性已經被廣泛地用來表示黏彈性。可是因為無法表現出剪切至稀的特性,此模型并不適合應用在射出成型的領域,而僅僅是作為研究對照之用。

非線性微分模型(Nonlinear Differential Models)

由于線性模型無法精確地描述流變特性,例如熔膠流動中發生的剪切致稀或非二階正向應力差,需要透過擴充來表現這些非線性的行為,以下簡述Moldex3D所支持的非線型模型。

?White-Metzner模型

此模型是由UCM模型改進而來的,可以依據黏度(η)及松弛時間(λ)表現不錯的剪切率變化。此模型也可以很容易的來基于第一正向應力差來設定材料參數,且適合來表現瞬時的快速移動情況。

Moldex3D模流分析之Linear Differential Model的圖3

λ 為松弛時間,λ為剪切率為0時的松弛時間, a為轉移因子。此模型提供了更彈性的黏度、松弛時間與剪切率的相依性變化。

?Giesekus模型

此模型用非線性的應力項復合模型(Multi-mode)來描述流變性質,如下:

Moldex3D模流分析之Linear Differential Model的圖4

λi 與 η為 i 模型下的松弛時間與剪切粘度,而 gi=ηi;α (0~1)為流動性因子的無因次數。公式第二項包含α的項目相關了塑料分子的異向性布朗運動與流動阻力。在此模型下,黏度與正向應力系數大量減少時,剪切率還是有可能會上升,比較線性模型更合乎實際。

?線性PTT 模型 (Linear Phan-Tien and Tanner Model)

此模型是由Giesekus模型簡化而來,其流變性質的公式與變量定義基本一樣,除了將剪切應力項改以以下格式描述:

Moldex3D模流分析之Linear Differential Model的圖5

ξ (τ ? D + D ? τ) 表示每條聚合物煉僅將其一部分張力傳遞給連續體而D 為 (?v+?vT)/2;ξ唯一實驗取得的系數來考慮非親和行為而 ε則是在 i 模型下控制非線性行為的材料性質。此模型能夠表現出剪切致稀及非二階第一正向應力差行為,除了一些較不顯著的黏性行為,基本類似于Giesekus模型。

?指數 PTT 模型 (Exponential PTT Model)

此模型是線性PTT (linear PTT) 模型的一個變體,其描述流變性質的非線性剪應力項表示如下:

Moldex3D模流分析之Linear Differential Model的圖6

其余公式與所有的參數定義均和線性PTT模型相同。

?Modified Extended Pom-Pom 模型 (Modified Extended Pom-Pom Model)

此模型用非線性的應力項復合模型(Multi-mode)來描述流變性質,如下:

Moldex3D模流分析之Linear Differential Model的圖7

?Larson模型 (Larson Model)

此模型用非線性的應力項復合模型(Multi-mode)來描述流變性質,如下:

Moldex3D模流分析之Linear Differential Model的圖8

如何選擇黏彈模型(Choosing the viscoelastic model)

White-metzner由于其指定材料信息上的簡易性而較為推薦,故moldex3d也將white-metzner模型用作默認選擇。當需要更多的黏彈性質控制來得到更準確的結果時,流變性質的實驗信息需要被進一步轉化為黏彈模型(例如,white-metzner模型(modified))的參數。由于不同的模型各自有不同的理論基礎,相對來說giesekus模型和ptt模型的分析結果可以找到更多的研究材料做對照。

?復合模型(Multi-mode)

復合顧名思義是將單一的模型用迭加方式結合起來,這使得松弛時間和黏度信息有更大的適用范圍。不同松弛時間的模型可以讓各個主要反應在各自不同的頻率下表現出來,而Moldex3D支持多個模型的迭加。

Moldex3D模流分析之Linear Differential Model的圖9

復合模型的示意圖

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