塑料注射成型过程中的形态演化与制品性能的数值模拟.pdf

申请代码：E052102 受理部门：收件日期：受理编号：国家自然科学基金 申 请 书 国家自然科学基金 申 请 书 资助类别：面上项目 亚类说明：自由申请项目 附注说明：项目名称：塑料注射成型过程中的形态演化与制品性能的数值模拟 申 请 者：李德群 电话：02787543492 依托单位：华中科技大学 通讯地址：武汉市洪山区珞瑜路 1037 号 邮政编码：430074 单位电话：027-87543437 电子邮件： 申报日期：2006年3月18日 国家自然科学基金委员会 国家自然科学基金申请书 第 2 页 版本 1.004.258 基本信息基本信息 70e1KUbUGNK 姓名 李德群 性别男 出生年月1945 年 8 月 民 族 汉族 学位 硕士 职称教授 主要研究领域材料成型模拟及模具CAD 电话 02787543492 电子邮件 传真 个 人 网 页 工 作 单 位 华中科技大学/材料科学与工程学院 申 请 者 信 息 申 请 者 信 息 在研项目批准号20490224 名称 华中科技大学代 码 43007402 联系人 张婷姣 电子邮件 依托单位信息 依托单位信息 电话 027-87543437 网站地址 单 位 名 称 代 码 合作单位信息 合作单位信息 项目名称 塑料注射成型过程中的形态演化与制品性能的数值模拟资助类别 面上项目 亚 类 说 明自由申请项目 附注说明 申请代码 E052102:塑性加工工艺与装备 基地类别 33609132:塑性成形模具技术国家重点实验室 国家重点 预计研究年限 2007 年 1 月 2009 年 12 月 研究属性 应用基础研究 项 目 基 本 信 息项 目 基 本 信 息 申请经费 29.0000 万元 摘 要(限 400 字)：摘 要(限 400 字)：在具体分析现有塑料注射成型过程宏观模拟不足的基础上，拟分两步实现考虑聚合物形态演化的制品性能数值模拟：（1）建立塑料注射成型过程中聚合物形态演化及其对成型过程的影响的模型，通过流场与形态的耦合模拟来计算成型后制品中聚合物形态结构的分布；（2）对于注射成型制品，根据其内部的形态结构与分布，采用均匀化方法实现宏观尺度制品与介观尺度形态结构的无缝衔接，使模拟制品性能的实际应用成为可能，并通过实验加以验证。基于上述两步工作，最终建立起材料特性加工条件形态结构制品性能的关联模型，实现在可成型性分析基础上的制品性能预测，达到优选成型工艺参数、优化模具结构和提高塑料制品质量的目的。关 键 词关 键 词(用分号分开，最多 5 个)塑料注射成型；形态演化；性能预测；宏介观模拟；物理模拟 国家自然科学基金申请书 第 3 页 版本 1.004.258 项目组主要成员项目组主要成员（注:项目组主要成员不包括项目申请者，国家杰出青年科学基金类项目不填写此栏。）编号 姓 名 出生年月 性别职 称 学 位 单位名称 电话 电子邮件 项目分工 每年工作时间（月）1 张宜生1951-7-4 男 教授 硕士 华中科技大学 02787544457 yszhange- 物理模拟 8 2 梁书云1961-12-20 女 高级工程师其他 华中科技大学 02787554457 syliange- 实验及数据处理8 3 耿铁1968-2-12 男 博士后 博士 华中科技大学 02787543492 宏观模拟 10 4 崔树标1975-8-10 男 讲师 博士 华中科技大学 02787543492 加速算法 10 5 奚国栋1978-9-19 男 博士生 学士 华中科技大学 02787543492 george_ 应力翘曲模拟10 6 冯伟1980-8-7 男 博士生 学士 华中科技大学 02787543492 fengwei_ 工艺优化 10 7 严波1979-6-29 男 博士生 硕士 华中科技大学 02787543492 hust_ 介观模拟 10 8 李阳1979-3-14 男 博士生 硕士 华中科技大学 02787543492 chutian_ 数值建模 10 9 总人数 高级 中级 初级 博士后 博士生 硕士生 9 3 1 1 4 说明:高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报（含申请者），总人数自动生成。国家自然科学基金申请书 第 4 页 版本 1.004.258 经费申请表经费申请表 （金额单位：万元）科目 申请经费 备注（计算依据与说明）一.研究经费 一.研究经费 25.0000 1.科研业务费 15.0000 （1）测试/计算/分析费 9.0000软件开发、实验数据处理费用（2）能源/动力费 2.0000水电及实验设备的使用费用（3）会议费/差旅费 2.0000外出开会、调研及差旅费用（4）出版物/文献/信息传播费 2.0000发表论文、购买有关书籍与资料（5）其它 2.实验材料费 6.0000 （1）原材料/试剂/药品购置费 6.0000实验材料的购置费用（2）其它 3.仪器设备费 4.0000 （1）购置 3.0000添置必要的测试仪器和实验模具（2）试制 1.0000试制一套用于在线测量的实验检测系统 4.实验室改装费 5.协作费 二.国际合作与交流费 二.国际合作与交流费 0.0000 1.项目组成员出国合作交流 2.境外专家来华合作交流 三.劳务费 三.劳务费 3.0000研究生科研津贴 四.管理费 四.管理费 1.0000 合 计 合 计 29.0000 国家其他计划资助经费 其他经费资助（含部门匹配）与本项目相关的 其他经费来源 其他经费来源合计 其他经费来源合计 0.0000 国家自然科学基金申请书 第 5 页 版本 1.004.258 报告正文 报告正文 （一）主项依据与研究内容（一）主项依据与研究内容 1、项目的立项依据 1、项目的立项依据 塑料由于其优良的加工和使用性能在国民经济的各个领域得到了广泛的应用，目前我国塑料制品总产量已达年产 3000 万吨并以 810的速度增长，注射成型是塑料工业特别是高性能塑料制品生产的最主要手段。据统计，世界塑料成型模具中约半数以上为注射成型模具，因此，研究并优化塑料注射成型过程以获得优质塑料制品具有十分重要的意义。塑料注射成型过程模拟属于机械、力学、化学、材料和计算机相交叉的新兴研究领域，它采用高分子聚合物注射成型的数学模型，借助于相应的数值计算方法，以计算机为工具，并通过实验验证模拟结果，分析模具型腔中塑料的流动、保压和冷却过程，预测制品的翘曲变形以及工艺条件、材料参数和模具结构对制品质量的影响，达到优化成型工艺参数和模具结构的目的。近十年来，塑料注射成型过程模拟在模具和塑料加工中发挥出越来越大的作用，并取得了较大进展，其典型代表国外为澳大利亚 Moldflow公司的模拟软件 MF，它主要包括流动、冷却、应力和翘曲等分析模块，国内为华中科技大学模具技术国家重点实验室申请人所主持的课题组开发的模拟软件 HSCAE3D。尽管 MF 和 HSCAE3D 目前都能进行三维成型分析，但仅限于各向同性的均质聚合物材料，并且对成型中的一些重要特征和复杂现象，如分子的取向和松弛、结晶的形成和发展、制品的收缩和翘曲等聚合物形态及其引起的各向异性都无法进行有效的分析和预测。因此，现有的注射成型分析还只是制品/模具的可成型性分析，尚不能实现成型制品的性能预测，而提高产品工作性能、控制制品收缩、减小翘曲变形等已成为当前提高成型质量的必然要求和关键问题。因此，如何形成能够对塑料制品性能进行定性及定量分析的高效数值计算方法并加以实验验证，是当前塑料注射成型领域中的一项艰巨而迫切的任务。一般而言，在材料选定之后，其在加工中形成并最后“冻结”在制品中的聚合物形态（结晶、取向、分散相等）结构将是决定塑料注射制品使用性能的主要因素，因此研究外场（力场、能量场）条件下从塑料熔体开始的聚合物形态（结晶、取向、分散相等）结构的形成、演化规律，及其对最终制品性能的影响关系，是实现有目的地经由成型加工设计、控制聚合物形态演化，充分发挥材料的潜在物理性能的必要条件，而合理构造聚合物形态的表征方法及其演化方程，是实现成型制品性能预测的基本前提。同时，采用数值模拟手段能有效节约大量的人力物力和实验费用，特别是复杂加工条件下，通过实验手段预测和优化工艺条件难度太大，因此采用数值模拟手段研究聚合物形态演化以及成型制品的材料性能、发展塑料注射成型加工基础理论、开发高性能、复合、多功能、低成本及清洁塑料注射成型制品具有十分重要的意义。国家自然科学基金申请书 第 6 页 版本 1.004.258 近年来，国外已有不少研究涉及到成型过程外场对聚合物形态的影响，对一些局部问题进行了初步探讨。如 Papathanasiou1提出了考虑结晶过程的塑料注射成型模型，但该模型并未对成型中的分子结晶动力学进行详细建模。Isayev 及其合作者2-4对成型中的聚合物形态及结晶模拟展开了更为深入的研究，提出了不同类型晶体生长竞争机制，但局限于对简单一维模型的分析。Wang5、Sousa6等采用实验方法研究了成型工艺、聚合物形态、制品性能之间的关系，得到了一些定性的结论，但尚未建立具有普遍意义的数学模型。以上研究虽然在不同程度上考虑到成型过程中的聚合物形态演化，但往往局限于对比较简单的加工条件下简单形状制品成型的分析，对聚合物形态考虑不全面（只涉及取向或者结晶），并且借助于聚合物形态的经验模型获得平均化的材料参数，无法比较完整的描述聚合物分子链在成型中复杂外场作用下的构象动力学、成型中聚合物形态的形貌演化及其对制品性能的影响，因此对成型制品性能的分析只能定性而不能定量，简单而不深刻。基于成型过程中所产生的聚合物形态结构对制品性能进行定量分析的前提是建立介观尺度聚合物形态结构与宏观尺度制品模拟的有机衔接，人们也已经开始了一些理论和模拟手段上的尝试。如日本东京大学的 COGNAC 系统7初步建立了从介观到宏观模拟的桥梁，Swaminarayan 等8,9针对聚合物熔体的结晶问题建立了多尺度模型，并通过在制品上划分粗细双重网格的方法实现了介观与宏观尺度的初步关联。但目前的研究仅限于原理和方法上的探索，在工程实践中尚未进入实用阶段，主要原因是需要在宏观尺度的制品上划分介观尺度（晶粒尺寸）的网格，所生成的网格数量过于庞大，目前计算机的计算速度和存储容量尚力所不能及。均匀化方法（Homogenization Method）提供了解决从介观到宏观尺度无缝衔接问题的崭新途径。均匀化方法于二十世纪七十年代由法国科学家提出，后来由 Sanchez-Palencia等10给出了严谨的数学表达，该方法对具有小尺度异质材料的宏观问题表现出了良好的适应性，已经在夹杂分析、复合材料等方面获得了成功应用。介观与宏观尺度的衔接问题本质上是要解决存在复杂界面、各向异性、异质材料的宏观模拟问题。基于均质化理论，可以推导出宏观结构中求取任意一点诸如应变、应力等物理量的介观与宏观双尺度集成的控制方程，通过介观尺度模拟求解控制方程中的介观项，据此获得宏观模拟所需的平均化材料参数，反过来，通过宏观模拟又可获得介观模拟所需的边界条件。这样，既能从介观尺度计算材料的等效参数和变形，又能从宏观尺度分析异质材料的成型及响应，从而实现本构方程的自适应建立及介观与宏观模拟的无缝衔接。综上所述，聚合物成型过程模拟虽然已有相对成熟的方法，但着重于一般聚合物流、固体的分析，尚未全面考虑成型过程中聚合物形态演化及其对成型本身尤其是制品性能的影响。同时，对注射成型过程的介观与宏观尺度的模拟之间仍存在断层，缺乏行之有效的理论模型与衔接手段，还没有形成具有工程实用价值的模拟手段。针对上述不足，本项目旨在建立聚合物形态演化模型及介观和宏观尺度无缝衔接的塑料注射成型过程数学模型，全面预测聚合物形态分布，基于均匀化方法，定量模拟制品在注射成型制品性能，并通过实验予以验证，从而实现材料特性加工条件制品性能的关联。国家自然科学基金申请书 第 7 页 版本 1.004.258 主要参考文献主要参考文献 1 T.D.Papathanasiou.Modelling of injection mold filling:effect of undercooling on polymer crystallization.Chemical Engineering Science,50(21):3433-3442,1995 2 X.Guo,A.I Isayev,L.Guo.Crystallinity and microstructure in injection moldings of isotactic polypropylenes.Part 1:a new approach to modeling and model parameters.Polymer Engineering and Science,39(10):2096-2114,1999 3 X.Guo,A.I Isayev,M.Demiray.Crystallinity and microstructure in injection moldings of isotactic polypropylenes.Part II:Simulation and experiment.Polymer Engineering and Science,39(11):2132-2149,1999 4 K.H.Kim,A.I.Isayev,K.Kwon.Flow-induced crystallization in the injection molding of polymers:A thermodynamic approach.Journal of Applied Polymer Science,95(3):502-523,2005 5 Y.L.Wang,C.Y.Yue,K.C.Tam,X.Hu.Relationship between processing,microstructure,and mechanical properties of injection molded thermotropic LCP.Journal of Applied Polymer Science,88(7):1713-1718,2003 6 R.A.Sousa,R.L.Reis,A.M.Cunha,M.T.Bevis.Structural development of HDPE in injection molding.Journal of Applied Polymer Science,89(8):2079-2087,2003 7 Masao Doi.Material modeling platform.Journal of Computational and Applied Mathematics,149(1):13-25,2002 8 Sriram Swaminarayan,Christian Charbon.Multiscale model for polymer crystallization.I:Growth of individual spherulites.Polymer Engineering and Science,38(4):634-643,1998 9 Christian Charbon,Sriram Swaminarayan.Multiscale model for polymer crystallization.II:Solidification of a macroscopic part.Polymer Engineering and Science,38(4):644-656,1998 10 E.Sanchez-Palencia,A.Zaoui.Homogenization Techniques for Composite Media:Lectures Delivered at the CISM international Center for Mechanical Science,Springer-Verlag,1986 2、研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题 2、研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题 1）研究内容 1）研究内容 在数值模拟方面，基于申请人所主持的课题组已经取得的塑料注射成型三维模拟研究成果，本项目拟分如下两步实现塑料注射成型制品的性能预测。（1）塑料注射成型过程中聚合物形态演化的模拟）塑料注射成型过程中聚合物形态演化的模拟 通过聚合物形态（结晶、取向、分散相等）的宏观表征描述其平均化效应，鉴于外场（流场、国家自然科学基金申请书 第 8 页 版本 1.004.258 能量场）与聚合物形态之间的相互影响，需要建立外场作用下的聚合物形态表征及其演化方程，而考虑到聚合物形态对流变本构关系和能量场的影响，流场的流变本构关系和能量场模型也需要做相应的修正。通过力场、能量场与聚合物形态的耦合计算得到最终制品的聚合物形态结构分布。（2）基于均匀化方法的制品性能预测）基于均匀化方法的制品性能预测 在得到聚合物形态（结晶、取向、分散相等）结构分布之后，将宏观制品结构中任意一点的应变、应力等物理量展开为与介观尺度聚合物形态结构相关联的小参数的渐近级数形式，采用摄动技术建立宏、介观集成的控制方程，依据所获得的介观控制方程，通过介观模拟求解宏观模拟所需要的等效材料参数。得到等效材料参数之后，则通过宏观模拟可以计算宏观物理量场以及进一步模拟所需要的介观模拟边界条件。这样就实现了以集成控制方程为桥梁的介观和宏观尺度模拟的集成。在物理模拟方面，本项目拟进行制品性能的实验研究。通过上述两步的数值模拟可以预测成型制品的性能，主要包括结晶度、取向度、分散相、翘曲度、收缩率和机械性能沿不同方位的变化。为了实现实验对比，必须准确地对以上特征进行测试，本项目将开发用于在线测量的注射成型过程计算机辅助测试系统，包括信号发生器（注射成型机和实验模具）、信号感应器、信号处理器、信号采集器和数据处理机。将实验测定的参数与介观和宏观模拟结果进行分析对比，用以验证和提高介观与宏观模拟的精度。2）研究目标 2）研究目标 （1）建立考虑到聚合物形态的射成型过程宏观模拟本构模型，包括分散相、结晶、取向、收缩等的宏观表征及其在成型中的演化。（2）采用宏观有限元方法实现考虑到聚合物形态的成型过程模拟，在可成型性分析基础上预测聚合物形态及分布。（3）推导出用于介观与宏观模拟集成的控制方程，实现相应的制品性能预测数值计算方法。（4）基于上述的模型与方法，开发相应的模拟软件。（5）以聚烯烃共混物体系（如聚丙烯系列）为研究对象，通过实验分析，验证所提出的模型及所开发软件的合理性和可靠性。3）拟解决的关键问题 3）拟解决的关键问题 （1）建立聚合物形态的表征及其演化方程）建立聚合物形态的表征及其演化方程 如何获得既能有效描述聚合物形态特征及其宏观效应，又能尽量忽略其形貌细节以适应于宏观计算的表征模型。如何与热力学理论、流变学理论联系起来建立聚合物形态的演化方程及其对外场的影响模型。国家自然科学基金申请书 第 9 页 版本 1.004.258 （2）推导宏观和介观尺度模拟无缝衔接的预测制品性能的数学模型和算法（2）推导宏观和介观尺度模拟无缝衔接的预测制品性能的数学模型和算法 如何避免传统双重网格法的大计算量，采用均匀化方法，利用聚合物形态局部周期性分布的特点建立两种尺度的集成控制方程，并在此基础上形成现实可行的数值解法。如何有效地解决异质材料的宏观与介观力学响应，准确计算等效宏观力学参数，并预测成型制品的性能。3、拟采取的研究方案及可行性分析 3、拟采取的研究方案及可行性分析 1）技术路线 1）技术路线 （1）注射成型过程中聚合物形态演化的模拟（1）注射成型过程中聚合物形态演化的模拟 建立聚合物形态的表征模型。建立聚合物形态的表征模型。聚合物及其共混体系在成型中的形态主要包括分子的取向与松弛、结晶的成核与长大、分散相分布等。要在注塑成型模拟中考虑这些聚合物形态的演化，必须忽略这些形态结构的形貌细节，而着眼于其平均化效应。通过结晶度来表征聚合物结晶的程度，用诱导时间来表征其结晶成核过程，以取向度和取向张量来表征分子取向的程度和方位，分散相则通过第二相尺寸与分布函数来表征。通过这些表征参数（包括结晶度、诱导时间、取向度、取向张量、二相尺寸及其分布函数等）在宏观有限元网格上的取值变化便能反映形态结构本身的特征及其宏观效应。建立聚合物形态演化方程及其对材料流变性能的影响模型。建立聚合物形态演化方程及其对材料流变性能的影响模型。在塑料熔体阶段（充模和保压），非均匀瞬态温度场、流场与聚合物各形态结构之间相互作用，各形态结构经历形成、发展和演化的过程，同时也影响了塑料熔体的流变性能。拟采用高分子链取向与解取向双重过程的唯象方程来描述取向程度的演化；在非等温静态结晶的 Nakamura 模型的基础上，建立分子取向对缩短诱导时间的影响模型来考虑剪切诱导结晶；以经典的 Cox 理论、剪切形变理论、Tomotika 理论等为基础，构造分散相液滴的形变、破裂和凝聚的唯象模型；通过改进传统的 CrossWLF 粘度模型建立材料流变性能与结晶、分散相及取向度的关系；通过在能量方程中引入结晶热考虑结晶对能量分布的影响。成型过程中流场与形态演化的耦合计算。成型过程中流场与形态演化的耦合计算。对于成型过程中的每一时间步，在宏观有限元计算获得流场的基础上，首先根据熔体温度分布和流动剪切应力计算各点处结晶诱导时间，同时由剪切应力的分布和非平衡热力学来计算各点处的取向度与取向张量、分散相演变，然后计算结晶度及其增长速度。而上述计算所得的形态分布反过来又影响到流场计算，需要根据形态分布修正材料的流变参数和能量方程（结晶热），从而实现二者的耦合计算。有限元数值计算方法。有限元数值计算方法。根据塑料注射成型的特点获得成型过程的控制方程。在动量方程中，由于应力和压力的导数阶数不一样，若速度、压力采用同次插值的 Galerkin 有限元方法计算时，会产生震荡，导致计算的不稳定，采用 pressure-stabilizing/Petrov-Galerkin（PSPG）方法来抑制震荡。同样，在能量方程中，对流项的存在也容易导致计算的震荡，采用 streamline-upwind/Petrov-Galerkin 国家自然科学基金申请书 第 10 页 版本 1.004.258 （SUPG）格式来抑制震荡，提高计算精度。PSPG/SUPG 方法可以有效地提高计算效率、精度和稳定性。该方法为首次应用于塑料成型过程的模拟。（2）注射成型制品性能模拟 均匀化方法。（2）注射成型制品性能模拟 均匀化方法。在成型模拟获得微结构分布的基础上，考虑到聚合物形态结构所具有的局部近似周期性分布的特点，在宏观制品某一位置可认为材料是由包含有该形态结构的单胞在局部空间中周期性重复堆积而成的。单胞的尺度（介观尺度）相对于制品的宏观尺度来讲是很小的量，将基本的响应物理量（如应力、热流密度）进行宏、介观两种尺度的渐进展开，并将渐进展开式代入控制方程，针对控制方程采用摄动技术与匹配渐近展开法，就可以获得宏观与介观两种尺度集成的积分控制方程。在此基础上，首先通过单胞的介观尺度模拟来求解非均匀材料的局部等效物性参数，然后根据该等效物性参数求解相应宏观问题。这样，就将整个制品范围内的介观尺度模拟转化为若干个单胞范围内的介观尺度模拟问题，从而显著地节省了计算时间和存储容量，使现有计算条件下的介观与宏观尺度集成模拟成为可能。单胞的介观尺度模拟模型的建立。单胞的介观尺度模拟模型的建立。塑料注射成型制品冷却后，聚合物形态结构“冻结”在制品中，介观尺度聚合物形态结构的表征包括较多的细节，如表征晶粒大小、晶体分布、相的取向等，这些“冻结”的聚合物形态结构决定了制品的力学性能和材料性能。本项目借助于单胞将介观尺度和宏观尺度的研究联系起来，用以预测塑料注射制品的性能，单胞应尽可能地反映聚合物形态结构的细节，同时，考虑到计算效率，也需要对聚合物形态结构进行适当的简化。数值分析方法的加速策略。数值分析方法的加速策略。在全局宏观有限元分析之前，先构造一系列具有不同介观尺度特征的单胞，这些单胞包含了可能形成的主要聚合物形态。通过所构造单胞的介观尺度模拟，可以预先计算等效材料参数（如等效弹性模量）并存储在数据库中。这样，在已知聚合物形态参数的情况下（由初始条件来获得其初值），便可以通过插值来获得全局空间每一点处的等效材料参数，这种方法可以避免同时进行全局局域计算，因此不必在全局划分介观尺度的网格，从而显著地节省计算内存和时间。宏、介观集成模拟。宏、介观集成模拟。在获得全局每一个单胞等效材料参数的基础上，通过全局的宏观有限元分析可以获得宏观物理场量分布，预测成型制品性能。2）实验手段 2）实验手段 （1）塑料熔体流变特性的实验测试）塑料熔体流变特性的实验测试 塑料注射过程模拟的预测精度除了数学模型和算法外，还取决于塑料熔体流变数据的准确性。为了开展塑料制品性能的研究，我们在 2005 年 12 月斥资 58万元购买了德国 HAKKE 高性能流变测试系统，为建立常用塑料流变数据库创造了良好的条件。（2）对计算机模拟结果的验证）对计算机模拟结果的验证 通过塑料注射过程模拟可以预测制品成型过程中的压力分布、温度变化、结晶度、取向度和分 国家自然科学基金申请书 第 11 页 版本 1.004.258 散相，并可计算制品各方位的翘曲变形程度。为了验证模拟结果的正确性，需要开展一系列的物理测试。在注射成型实验中采用压力传感器来测量不同压力的变化曲线、采用差动变换器来测注射过程中螺杆位置的变化。在各种不同的工艺条件下，对成型试样切片进行热分析与光学分析，通过差示扫描量热法确定厚度方向上的绝对结晶度，并计算相对结晶度。采用光学显微镜测量皮层厚度和晶粒大小，采用光学偏振显微镜测定双折射来计算取向度。采用精密量具来测量制品出模后不同方位的变形。3）可行性分析 3）可行性分析 （1）本项目申请者所主持的课题组从 1985 年开始一直从事塑料注射成型宏观模拟的研究，其研究成果在国内处于领先地位，所开发的实用化三维注射成型过程模拟软件及其在较大范围内的推广应用，为本项目的顺利进行和取得预期成果奠定了坚实的基础。（2）申请者所在的国家重点实验室在多项国家自然科学基金的支持下，对金属材料成形的晶体塑性理论、材料损伤的宏细观集成分析、多尺度耦合的材料本构模型等方面进行了深入的研究，其在模型分析、技术路线、研发思路等方面的丰富经验可为本项目的研究提供宝贵的借鉴。（3）申请者所在的国家重点实验室在等离子熔射快速制模中涂层生长过程的宏、介观集成数值模拟中对涂层生长及其微结构、温度场、应力场的介观和宏观模拟进行了深入研究，初步实现了基于均匀化方法的宏、介观集成模拟，切实掌握了均匀化方法的实施方法，为本课题的研究做好了充分的前期准备。（4）申请者所主持的课题组对塑料注射成型中聚合物形态（结晶、取向、分散相等）模拟和宏、介观集成模拟的技术路线和具体实施以及物理模拟测试系统总体设计方案已经进行了充分的准备和论证，对出色完成本项目的研究目标，取得预期成果充满了信心。4、本项目的特色与创新之处 4、本项目的特色与创新之处 （1）将聚合物形态的影响因素结合到一般的固、流体本构方程中有利于充分利用本课题组在原模拟已取得的研究成果，实现基于聚合物聚合物形态演化的注射过程三维模拟。（2）以均匀化方法为基本思路，充分考虑聚合物形态结构特征，实现宏观和介观尺度的无缝衔接研究塑料注射制品性能是一条崭新的思路，其实现方法在塑料成型研究领域中具有独创性。（3）以计算机模拟和物理模拟相结合所建立的材料特性加工条件形态结构制品性能的全新关联模型有望推动聚合物加工学科的技术进步。5、年度研究计划及预期研究结果 5、年度研究计划及预期研究结果 国家自然科学基金申请书 第 12 页 版本 1.004.258 1）年度研究计划 1）年度研究计划 （1）2007.012007.12（1）建立聚合物形态（结晶、取向、分散相等）的表征模型。（2）建立聚合物形态在外场作用下的演化方程及其对外场（力场、能量场）的影响模型。（3）推导出具有形态分布的成型制品介观与宏观尺度成型过程模拟相互衔接的数学模型。（2）2008.012008.12（1）在塑料注射成型有限元分析基础上引入聚合物形态演化方程及其相应的流变本构方程，开发相应的模拟软件。（2）在获得成型中所形成的聚合物形态分布的基础上，开发相应的介观、宏观集成模拟系统。（3）集成注射成型制品材料性能预测软件。（3）2009.012009.12（1）建立注射成型实验装置并进行实验研究。（2）将实验结果与模拟结果进行对比分析，验证原理和方法的正确性以及所开发系统的实用性。（3）完成研究总结报告，结题。2）预期研究结果 2）预期研究结果 （1）以论文的形式提供本项目在聚合物形态演化及宏、介观结合的塑料注射成型模拟方面所取得的理论成果，在国际期刊、国内核心期刊上发表高质量论文 58 篇。（2）以软件的方式提供塑料注射成型模拟集成化、实用化系统，可以实现聚合物形态演化模拟及宏、介观结合的制品性能预测。（3）提供一套能在线测量的注射成型过程测试系统和测试方法。（4）培养博士生 35 名，硕士生 610 名。（二）研究基础与工作条件（二）研究基础与工作条件 1、工作基础 1、工作基础 申请者所主持的课题组从 1985 年便开始了塑料成型模拟技术的研究，19871989 年获得国家自然科学基金的资助，从事塑料注射成型过程的模拟研究。1988 年率先在国内完成了塑料注射成型仿真软件的原型系统，打破了西方先进工业国在该技术领域上对我国的垄断。在此基础上，先后于 1989年完成了国家“七五”重点攻关项目“彩电模具 CAD/CAE/CAM 系统”，1990 年完成了上海市重点攻关项目“小型精密、多腔注塑模 CAD/CAE 系统”，1995年完成了国家“八五”重点攻关项目“塑 国家自然科学基金申请书 第 13 页 版本 1.004.258 料注射模设计制造技术的研究”中的第四子项“注射模流动仿真和交互计算”，1996 年完成了高等学校博士点基金项目“智能化注塑成型质量分析”的研究。2002 年承担了国家十五科技攻关重点项目子项“工程塑料精密注射成型模具智能化设计技术研究”，开展注射成型模拟技术的实用化研究，已结题。2002 年完成了国家自然科学基金“面向装配的塑料注射模设计方法研究”，在三维注射成型模拟研究方面取得了突破性进展。在此期间的研究成果多次获省部级科技进步奖，其中“塑料注射成形过程仿真系统的开发和应用”获 2001 年中国高校科学技术一等奖和 2002 年国家科技进步二等奖，同时该研究成果还被评为 2002 年度中国机械工业科学技术五项重大进展之一。经过多年的塑料注射成型模拟的研究，课题组对具有自由移动边界、非牛顿、非等温的聚合物熔体流动、保压、冷却和翘曲问题的数值分析、人工智能方法与数值模拟的结合等进行了深入的研究，为本项目的研究奠定了坚实的理论基础，积累了宝贵的研发经验，并对本项目拟采取的研究方案进行了反复论证和修订，思路明确，步骤可行，可望在三年的研究中获得创新性的成果。2、工作条件 2、工作条件 申请者所在的塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室已具备的用于本项目研究的设备包括：（1）计算机与软件：高性能微机 30 台、ANSYS以及本课题组开发的塑料注射成型过程三维模拟软件等。（2）实验和检测设备：电子万能试验机、冲击试验仪、变温 FT-IR、PE DSC 7差示扫描量热仪、偏光显微镜、X-射线衍射仪、TEM、SEM、AFM、成套的精密注射成型实验设备和仪器（包括注射成型机、压力温度传感器、数据采集与处理系统）、HAKKE 流变仪。3、申请人简历 3、申请人简历 李德群：李德群：男，1945 年 8 月生。1968 年毕业于北京清华大学机械系。1980年获华中科技大学塑性加工专业硕士学位。1986 年至 1987 年在美国康乃尔大学和美国 AC-Tech 公司从事塑料注射模 CAE技术的研究，为 AC-Tech 公司开发出第一代商品化冷却分析软件。回国后一直从事塑料成型计算机模拟和模具 CAD/CAM 方面的教学和研究，现为华中科技大学模具技术国家重点实验室教授、博士生导师、材料学院院长、塑料模 CAD/CAM 研究室主任、中国模协 CAD/CAM 技术分会主任、国务院学位委员会材料学科评议组成员。出版译著 1 部、专著 3部、教材 10本、发表论文 200 余篇。曾多次获得省部级科技进步一、二、三等奖。2002 年获国家科技进步二等奖。在本项目中分工：课题负责人，总体规划、组织实施。张宜生：张宜生：男，1951 年 7月生。1974年毕业于华中科技大学机械系，留校工作。1989 年获华中科技大学塑性加工专业硕士学位。长期从事塑性成型设备自动控制及模具 CAD/CAM 的研究。现为华中科技大学模具技术国家重点实验室塑料模 CAD/CAM 研究室副主任、教授。撰写专著 1 部，发表论文 40 余篇。2001 年获中国高校科技进步一等奖，2002 年获国家科技进步二等奖。在本项目中分工：物理模拟。国家自然科学基金申请书 第 14 页 版本 1.004.258 申请者及课题组成员主要论著：申请者及课题组成员主要论著：1 李德群，周华民基于表面模型的智能化塑料注射成型模拟应用科学学报,23(1):1619,2005 2 DEQUN LI,HUAMIN ZHOUModelling and simulation of residual stress and warpage in injection mouldingJournal of Mechanical Engineering Science,218(5):521-530,2004 （SCI、EI收录）3 DEQUN LI et alNumerical Filling Simulation of Injection Molding Using Three-Dimensional ModelComputer Aided Drafting,Design and Manufacturing,13(1-2):6-14,2003 4 李德群，张宜生模具企业数字制造技术的现状与发展CADCAM 与制造业信息化，(7):10-15,2003 5 李德群，周华民塑料注射成形过程仿真软件的开发和应用中国机械工程，22(13):1894-1896,2002 （EI收录）6 HUAMIN ZHOU,DEQUN LIComputer Evaluation of Weld Lines in Injection-molded PartsJournal of Reinforced Plastic and Composites,24(3):315-322,2005 7 HUAMIN ZHOU,DEQUN LIModelling and prediction of weld line location and properties based on injection moulding simulationInternational Journal of Materials and Product Technology,21(6):526-538,2004 （SCI、EI收录）8 HUAMIN ZHOU,DEQUN LIFurther studies of the gas penetration process in gas-assisted injection molding POLYMER-PLASTICS TECHNOLOGY AND ENGINEERING,42(5):911-923,2003（SCI收录）9 HUAMIN ZHOU,DEQUN LIFilling simulation and gas penetration modeling for gas-assisted in