共混挤出过程纤维长度分布预测方法、装置、设备和介质

摘要

本发明公开了一种共混挤出过程纤维长度分布预测方法、装置、设备和介质。所述方法包括：(1)获取预设共混挤出过程所对应的流场数据，所述流场数据包括剪切速率场和停留时间，所述剪切速率场包括沿共混挤出方向依次排列的N个剪切速率值，N≥2；(2)基于质量守恒原则建立纤维长度分布预测模型，将待进行共混挤出过程的初始纤维长度分布作为所述预测模型的初始输入，然后沿共混挤出方向利用所述预测模型依次对每个剪切速率值进行纤维长度分布预测处理，将前一次纤维长度分布的预测结果作为后一次纤维长度分布预测的预测处理输入，直至预测得到共混挤出过程完成时的纤维长度分布。本发明能够预测共混挤出过程整个纤维长度分布的信息。

说明书

技术领域

本发明属于纤维增强共混挤出领域，更具体地，涉及一种共混挤出过程纤维长度分布预测方法、装置、设备和介质。

背景技术

在工业上，纤维增强材料是一种常见的增强复合材料，具有比强度和比模量大、成型工艺简单、可二次加工等特点。相比于短纤维增强材料，长纤维增强材料具有更好的机械性能。因此，在制备纤维增强材料时要尽可能多地保留长纤维。而在共混挤出的过程中往往会发生严重的纤维断裂，因此纤维长度分布的预测对实际生产有重要意义。

注塑成型领域对纤维长度分布研究比较成熟，非专利文献“Tucker III CL,Phelps JH,Abd El-Rahman AI,Kunc V,Frame BJ.Modeling fiberlength attrition inmolded long-fiber composites.In:Proceedings of PPS-26Annual Meeting,Banff,July 2010”公开了用于预测模具填充过程纤维长度分布变化的模型。共混挤出领域关于纤维长度分布的研究较少且不够成熟，而制备纤维增强材料常见的工艺方法是双螺杆挤出制备。非专利文献“Shon K,Liu D,White JL.Experimental studies and modelling ofdevelopment ofdispersion and fiber damage in continuous compounding.Int PolymProc2005；20:322–31”公开了描述不同连续过程中平均纤维长度演变的经验模型。然而，这些研究主要围绕共混挤出过程平均纤维长度的变化，不能提供整个纤维长度分布的信息。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种共混挤出过程纤维长度分布预测方法、装置、设备和介质，其目的在于建立纤维长度分布预测模型，能够预测共混挤出过程整个纤维长度分布的信息，由此解决现有技术中仅能预测共混挤出过程平均纤维长度的变化，不能提供整个纤维长度分布的信息的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种共混挤出过程纤维长度分布预测方法，包括下列步骤：

(1)获取预设共混挤出过程所对应的流场数据，所述流场数据包括剪切速率场和停留时间，所述剪切速率场包括沿共混挤出方向依次排列的N个剪切速率值，N≥2；

(2)基于质量守恒原则建立纤维长度分布预测模型，将待进行共混挤出过程的初始纤维长度分布作为所述预测模型的初始输入，然后沿共混挤出方向利用所述预测模型依次对每个剪切速率值进行纤维长度分布预测处理，将前一次纤维长度分布的预测结果作为后一次纤维长度分布预测的预测处理输入，直至预测得到共混挤出过程完成时的纤维长度分布。

优选地，所述预测模型通过下式表示：

其中，m

需要说明的是，长纤维到短纤维的质量传递遵循质量守恒定律。同时本发明中假设整个断裂过程中，纤维的半径不会发生变化，因此本发明中纤维质量分数分布与纤维长度分布可等价表示。

此处，所述初始纤维长度分布和所述共混挤出过程完成时的纤维长度分布均满足下列条件：L

也就是说，本发明中为了描述整个纤维分布，根据纤维的长度将纤维分成n类，其中最小纤维长度设为L

优选地，纤维长度为L

P(Bu

其中，屈曲参数Bu

其中，η为流体黏度，

其中，下标x满足1≤x≤n，x可以为i、j等。

例如，当x为j时，即当纤维长度为L

P(Bu

其中，屈曲参数Bu

其中，η为流体黏度，

同理地，当x为i时，即当纤维长度为L

需要说明的是，屈曲参数Bu

其中，η为流体黏度，

然后，将纤维屈曲前受到的应力σ

其中，假设纤维旋转符合Jeffrey方程，此方程适用于椭球形粒子，而纤维为圆柱形粒子，因此采用等效半长径比β′＝0.75β替换，能更好的描述纤维在流场中的取向。

由此，可以得到屈曲参数Bu

其中，η为流体黏度，

另外，需要说明的是，弯曲的纤维最小曲率半径位于正中间，所以理想状态下的纤维将始终在中点断裂。但是纤维总是会存在缺陷，从而在临界应力值以下发生断裂。本发明中假设纤维由于缺陷在屈曲应力值以下发生断裂，而一旦达到屈曲应力值就一定会断裂。

优选地，假设在预设共混挤出过程中长度为L

其中，m为形状参数，n为纤维长度分类总数。

本发明中m优选为3，形状参数为3的韦伯分布与高斯分布类似，因此此时，所述也断裂概率P

优选地，所述获取预设共混挤出过程所对应的流场数据，包括下列子步骤：

(101)获取预设共混挤出过程所对应的工艺参数、材料物性参数和黏度本构方程，所述工艺参数包括螺纹内径、螺纹外径、螺距、螺旋角、螺杆径向距离、螺杆长度、流体轴向压力降、流体径向压力降、螺杆转速、单位时间熔体经过螺杆单元的体积和待熔融共混的材料的填料质量；所述材料物性参数包括待熔融共混的材料密度；所述黏度本构方程为Carreau-Yasuda模型；

(102)建立共混挤出全局模型，将所述工艺参数、粘度本构方程作为所述全局模型的输入，得到预设共混挤出过程的剪切速率场；

所述共混挤出全局模型通过下式表示：

其中，R

(103)根据下列式子对预设共混挤出过程中固体输送区、熔融部分填充区和完全填充区的停留时间进行分别计算：

其中，L是螺杆长度，B是螺距,ρ是待熔融共混的材料密度,V是单位时间熔体经过螺杆单元的体积，Q是待熔融共混的材料的填料质量，ω为螺杆转速，ψ为螺旋角。

按照本发明的另一个方面，提供了一种共混挤出过程纤维长度分布预测装置，所述装置包括：

数据获取模块，用于获取预设共混挤出过程所对应的流场数据，所述流场数据包括剪切速率场和停留时间，所述剪切速率场包括沿共混挤出方向依次排列的N个剪切速率值，N≥2；

预测模块，用于基于质量守恒原则建立纤维长度分布预测模型，将待进行共混挤出过程的初始纤维长度分布作为所述预测模型的初始输入，然后沿共混挤出方向利用所述预测模型依次对每个剪切速率值进行纤维长度分布预测处理，将前一次纤维长度分布的预测结果作为后一次纤维长度分布预测的预测处理输入，直至预测得到共混挤出过程完成时的纤维长度分布。

按照本发明的再一个方面，提供了一种电子设备，所述设备包括：

处理器；

存储器，其存储有计算机可执行程序，该程序包含如上文所述的共混挤出过程纤维长度分布预测方法。

按照本发明的又一个方面，提供了种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序包含如上文所述的共混挤出过程纤维长度分布预测方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。

(1)本发明基于质量守恒原则建立纤维长度分布预测模型，实现了共混挤出过程中纤维长度分布预测，不同于现有的只能提供平均纤维长度演化的共混挤出过程纤维长度模拟方法，本发明中充分考虑了纤维长度为L

(2)本发明中利用共混挤出全局模型，快速获取了预设共混挤出过程所对应的流场数据，避免了对现有商业软件的依赖，本发明不依赖商业软件即可独立进行预测，降低了成本，适合于工业推广。

(3)本发明中假设整个断裂过程中，纤维的半径不会发生变化，因此本发明中纤维质量分数分布与纤维长度分布可等价表示。从而可以实现利用质量守恒原则进行纤维长度分布预测模型的建立。

附图说明

图1是本发明实施例提供的共混挤出过程纤维长度分布预测方法的方法流程图；

图2是本发明实施例1中初始纤维长度分布示意图；

图3是本发明实施例1或2中剪切速率场示意图；

图4是本发明实施例1或2中停留时间示意图；

图5是本发明实施例1中共混挤出过程完成时的纤维长度分布示意图；

图6是本发明实施例2中共混挤出过程完成时的纤维长度分布示意图；

图7是本发明实施例3中剪切速率场和停留时间示意图；

图8是本发明实施例3中共混挤出过程完成时的纤维长度分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

本发明实施例以一种同向啮合双螺杆挤出机共混挤出过程为例，对本发明进行详细说明。

具体的，参见图1，本发明实施例提供的共混挤出过程纤维长度分布预测方法，包括以下步骤：

步骤1：获取初始纤维长度分布，其中纤维长度分布需换算为纤维质量分数分布，本实施例所用初始纤维长度如图2所示。

步骤2：获取预设共混挤出过程所对应的工艺参数、材料物性参数和黏度本构方程，其中黏度本构方程为Carreau-Yasuda模型，预设共混挤出过程所对应的工艺参数中的螺杆数据参见下表1。

表1同向啮合双螺杆挤出机螺杆尺寸

其中表1中数据A/B表示螺杆的螺距/螺杆的长度，后缀L表示反向螺纹，表1中数据C/D/E表示捏合盘的错位角/捏合盘的盘数/捏合盘的长度，表1中数据的单位为mm。

机筒直径为30mm；螺杆转速为90rpm；待熔融共混的材料的填料质量为5kg/h；待熔融共混的材料密度为1113.8kg/m

步骤3：利用共混挤出全局模型计算得到剪切速率场如图3所示。

所述共混挤出全局模型通过下式表示：

其中，R

根据下列式子对预设共混挤出过程中固体输送区、熔融部分填充区和完全填充区的停留时间进行分别计算，得到的停留时间如图4所示。

其中，L是螺杆长度，B是螺距,ρ是待熔融共混的材料密度,V是单位时间熔体经过螺杆单元的体积,Q是待熔融共混的材料的填料质量，ω为螺杆转速，ψ为螺旋角。

步骤4：使用Jeffrey方程计算平均长度纤维的旋转，假定该平均纤维应在剪切平面中旋转；对于每个长度类的纤维，分别计算施加在纤维上的应力和屈曲前的极限应力。

步骤5：计算每个长度类每个方向上的纤维断裂概率，并推导出整个旋转周期的断裂概率，即计算纤维长度为L

纤维长度为L

P(Bu

其中，屈曲参数Bu

其中，η为流体黏度，

所述在预设共混挤出过程中长度为L

其中，m为形状参数，n为纤维长度分类总数。

步骤6：将待进行共混挤出过程的初始纤维长度分布作为所述预测模型的初始输入，然后沿共混挤出方向利用所述预测模型依次对每个剪切速率值进行纤维长度分布预测处理，将前一次纤维长度分布的预测结果作为后一次纤维长度分布预测的预测处理输入，直至预测得到共混挤出过程完成时的纤维长度分布，该共混挤出过程完成时的纤维长度分布如图5所示。

所述预测模型通过下式表示：

其中，m

实施例2

本发明实施例以一种同向啮合双螺杆挤出机共混挤出过程纤维长度分布模拟方案为例，对本发明进行详细说明。

具体的，本发明实施例提供的一种共混挤出过程纤维长度分布模拟方法，包括以下步骤：

步骤1：获取初始纤维长度分布，其中纤维长度分布需换算为纤维质量分数分布，本实施例所用初始纤维长度为长度统一的5mm，半径5μm；

步骤2：获取预设共混挤出过程所对应的工艺参数、材料物性参数和黏度本构方程，其中黏度本构方程为Carreau-Yasuda模型，预设共混挤出过程所对应的工艺参数中的螺杆数据与表1中数据相同，其余工艺参数也与实施例1中相同。

步骤3：利用共混挤出全局模型计算得到剪切速率场如图3所示。

所述共混挤出全局模型通过下式表示：

其中，R

根据下列式子对预设共混挤出过程中固体输送区、熔融部分填充区和完全填充区的停留时间进行分别计算，得到的停留时间如图4所示。

其中，L是螺杆长度，B是螺距,ρ是待熔融共混的材料密度,V是单位时间熔体经过螺杆单元的体积,Q是待熔融共混的材料的填料质量，ω为螺杆转速，ψ为螺旋角。

步骤4：使用Jeffrey方程计算平均长度纤维的旋转，假定该平均纤维应在剪切平面中旋转；对于每个长度类的纤维，分别计算施加在纤维上的应力和屈曲前的极限应力。

步骤5：计算每个长度类每个方向上的纤维断裂概率，并推导出整个旋转周期的断裂概率，即计算纤维长度为L

纤维长度为L

P(Bu

其中，屈曲参数Bu

其中，η为流体黏度，

所述在预设共混挤出过程中长度为L

其中，m为形状参数，n为纤维长度分类总数。

步骤6：将待进行共混挤出过程的初始纤维长度分布作为所述预测模型的初始输入，然后沿共混挤出方向利用所述预测模型依次对每个剪切速率值进行纤维长度分布预测处理，将前一次纤维长度分布的预测结果作为后一次纤维长度分布预测的预测处理输入，直至预测得到共混挤出过程完成时的纤维长度分布，该共混挤出过程完成时的纤维长度分布如图6所示。

所述预测模型通过下式表示：

其中，m

实施例3

本发明实施例以一种小型平行啮合同向三螺杆挤出机共混挤出过程纤维长度分布模拟方案为例，对本发明进行详细说明。

具体的，本发明实施例提供的一种共混挤出过程纤维长度分布预测方法，包括以下步骤：

步骤1：获取初始纤维长度分布，其中纤维长度分布需换算为纤维质量分数分布，本实施例所用初始纤维长度为长度统一的5mm，半径5μm；

步骤2：获取预设共混挤出过程所对应的工艺参数、材料物性参数和黏度本构方程，其中黏度本构方程为Carreau-Yasuda模型，预设共混挤出过程所对应的工艺参数中的螺杆数据如表2所示：

表2平行啮合同向三螺杆挤出机螺杆尺寸

其中表1中数据A/B表示螺杆的螺距/螺杆的长度，表1中数据C/D/E表示捏合盘的错位角/捏合盘的盘数/捏合盘的长度，表1中数据的单位为mm。

机筒直径为30mm；螺杆转速为90rpm；待熔融共混的材料的填料质量为5kg/h；待熔融共混的材料密度为1113.8kg/m

步骤3：利用共混挤出全局模型计算得到剪切速率场。

所述共混挤出全局模型通过下式表示：

其中，R

根据下列式子对预设共混挤出过程中固体输送区、熔融部分填充区和完全填充区的停留时间进行分别计算，

其中，L是螺杆长度，B是螺距,ρ是待熔融共混的材料密度,V是单位时间熔体经过螺杆单元的体积,Q是待熔融共混的材料的填料质量，ω为螺杆转速，ψ为螺旋角。

得到的剪切速率场和停留时间如图7所示。

步骤4：使用Jeffrey方程计算平均长度纤维的旋转，假定该平均纤维应在剪切平面中旋转；对于每个长度类的纤维，分别计算施加在纤维上的应力和屈曲前的极限应力。

步骤5：计算每个长度类每个方向上的纤维断裂概率，并推导出整个旋转周期的断裂概率，即计算纤维长度为L

纤维长度为L

P(Bu

其中，屈曲参数Bu

其中，η为流体黏度，

所述在预设共混挤出过程中长度为L

其中，m为形状参数，n为纤维长度分类总数。

步骤6：将待进行共混挤出过程的初始纤维长度分布作为所述预测模型的初始输入，然后沿共混挤出方向利用所述预测模型依次对每个剪切速率值进行纤维长度分布预测处理，将前一次纤维长度分布的预测结果作为后一次纤维长度分布预测的预测处理输入，直至预测得到共混挤出过程完成时的纤维长度分布，该共混挤出过程完成时的纤维长度分布如图8所示。

所述预测模型通过下式表示：

其中，m

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。