高分子材料加工计算机模拟第一章 前言

随着新型高分子材料的不断出现，高聚物制品的 性能不断得到改善。在市场上不仅反映在需求量愈来 性能不断得到改善。在市场上不仅反映在需求量愈来 愈大，而且种类也日趋多样化。为了适应市场的需 愈大，而且种类也日趋多样化。为了适应市场的需 要，提高产品的竞争能力，要求缩短新产品的试制周 要，提高产品的竞争能力，要求缩短新产品的试制周 期，因此高聚物加工中的计算机模拟技术，在国际上 日益得到重视，并且由于计算机技术的高度发展，使 高聚物加工过程中的计算机模拟技术有可能从 实验阶段走向实用阶段。
1-5本课程讲解的主要内容 一、数值分析及计算机模拟一般 方法和过程
１．数学建模 ２．有限元及有限差分方法介绍
二、学习有限元软件（ANSYS) 二、学习有限元软件（ANSYS) 三、学习解决生产实际一些问题
1-4模拟的步骤
通过计算机对高聚物主要成型加工过 程（诸如压延、密炼、挤出、注射、硫化） 的模拟，可以预测高聚物在这些加工过程中 速度场、压力场、温度场和流线的分布状 速度场、压力场、温度场和流线的分布状 况，从而为科学地制定工艺条件和合理选择 成型加工设备的参数提供必要的理论依据。
高聚物成型加工过程中的计算机模拟主要 通过以下步骤进行： 通过以下步骤进行： 一、建立方程 二、确定初始条件和边界条件 三、选择计算方法 四、划分网格 五、运行计算 六、输出结果和图形显示
计算机模拟的重要性体现在以下几个方面：
1. 一般的科学研究 目前无论从事科学研究项目，还是作学术论文， 主要都包含三个方面： 1) 建立数学方程 2) 进行计算机模拟 3) 实验验证
2. 科技尖端及成本很高的领域 如：卫星， 宇宙飞船， 飞机 3. 自然界不能实验和不能重现的自然现象 如：预测潮汐、地震、雾、天气预报….. 如：预测潮汐、地震、雾、天气预报… 4. 一些不能进行破坏性研究的工程项目 如：高楼
3.美国Cornell大学则花了巨额资金，经过17 3.美国Cornell大学则花了巨额资金，经过17 年研究开发成功CAIM系统。 年研究开发成功CAIM系统。 4.美国Application公司和SDRC公司各自开 4.美国Application公司和SDRC公司各自开 发了Noldfill软件 发了Noldfill软件 5.美国和意大利塑料及计算机公司开发了FA 5.美国和意大利塑料及计算机公司开发了FA 软件。 6. 德国亚琛工业大学塑料加工研究所开发了 Mould CAD软件。 CAD软件。
计算机模拟（Computational Modeling） 计算机模拟（Computational Modeling） 作为计算科学的一个分支，自50年代以来已 作为计算科学的一个分支，自50年代以来已 经形成了相当规模。 它主要包括： 1.微观尺度的原子（分子）模拟 1.微观尺度的原子（分子）模拟 2.介观模拟 2.介观模拟 3.宏观模拟 3.宏观模拟
目前世界上使用计算机对高聚物加工过程进行 模拟和优化计算的厂家公司有1500家。在日本有 模拟和优化计算的厂家公司有1500家。在日本有 500家，其中大部分用于塑料注射模的设计。国内从 500家，其中大部分用于塑料注射模的设计。国内从 八十年代起开始引进模拟高聚物流动过程的仿真软件， 仅购买注射模设计软件一项已达数十个厂家，每个软 件约需5 件约需5～7万美元。八十年代中期开始，我国部分 院校和研究单位相继开展了这方面的研究工作，并取 得了一些初步的成果。
其一般方法可概述如下： 其一般方法可概述如下：
（1）明确对象，定义问题，构造成型加 工过程中的物理模型。
建立的物理模型既要使问题简化到可以进行数 学模拟和便于求解，又要尽可能完整地描述实际过 程，尽可能真实地反映成型加工过程的实质和特征。
（2）基于物理模型，选用守恒定律、本构 ）基于物理模型，选用守恒定律、本构 方程和各种物性定律，建立问题的数学模型。 方程和各种物性定律，建立问题的数学模型。
1-2 数值分析和计算机模拟在聚合物 成型加工 过程中的应用
聚合物成型加工模拟属于宏观模拟，它是将 聚合物熔体当作连续介质，以质量守恒、动量守恒 聚合物熔体当作连续介质，以质量守恒、动量守恒 和能量守恒定律等物理方程为基础，结合聚合物的 和能量守恒定律等物理方程为基础，结合聚合物的 各种材料行为模型来模拟聚合物成型加工中聚合物 熔体发生的物理和化学的变化，优化成型加工过 程，调控成型加工产品的结构和性质，帮助实现成 型加工的自动化控制，提高劳动生产率。
建立的数学模型应尽量简洁明确，既要包含主要 影响因素，又要避免数学运算过于繁杂，初始和边界 条件要根据具体情况慎重选择，因为它们在很大程度 上决定了最终的计算结果。
（3）用解析或数值方法求解建立的数学模型， ）用解析或数值方法求解建立的数学模型， 编写图形应用程序或采用绘图软件输出模拟结 果。
通常选择何种数值方法需根据问题的复杂程度决 定，如求解域形状规则的线性问题，选用有限差分法 定，如求解域形状规则的线性问题，选用有限差分法 简便快捷；求解形状复杂的模型方程选用边界元法可 简便快捷；求解形状复杂的模型方程选用边界元法可 以减少网格剖分的工作量；求解非线性问题采用有限 以减少网格剖分的工作量；求解非线性问题采用有限 元法可以在短时间快速收敛，得到数值解。 元法可以在短时间快速收敛，得到数值解。
高分子材料加工计算机模拟
第一章 前言 1-1 数值分析计及算机模拟的重要性
实验和理论一直是人类创造知识，认识未 实验和理论一直是人类创造知识，认识未 知世界的两种传统方法。 随着当代计算机技术的飞速发展，使得各个领 域的科学家和工程人员运用科学计算的方法去解决 各自学科领域中的问题。今天，科学计算不仅推动 了实验科学和理论科学的发展，而且已经成为wk.baidu.com独 的科学方法，称之为计算科学，与实验科学和理论 的科学方法，称之为计算科学，与实验科学和理论 科学一起给人类文明带来了新的繁荣。
（4）验证结果 聚合物成型加工过程是复杂的，影响模 拟结果的因素很多，如建模时依据的假定、初 拟结果的因素很多，如建模时依据的假定、初 试值条件描述、计算程序是否正确等。模拟结 果的验证大体上可分为两种：模拟得到的成型 结果参数的实验证实；模拟得到的优化的成型 加工结果的实验证实。后一种方法是将模拟得 到的优化的成型加工结果与未优化的结果或其 它途径得到的试验结果相比较，以判断模拟结 果的正确与否。
7.加拿大Mcfill和Mcmaster大学，九州大学等分别用 7.加拿大Mcfill和Mcmaster大学，九州大学等分别用 各种数值计算方法诸如粘弹性流体有限元法 （FEM）、差分法（FDM）、边界元法（BEM）， FEM）、差分法（FDM）、边界元法（BEM）， 分支流动法（BFM）等独自开发新的软件。 分支流动法（BFM）等独自开发新的软件。 8.英国RAPPA（橡胶和塑料研究协会），已开发成功 8.英国RAPPA（橡胶和塑料研究协会），已开发成功 橡胶注射成型最佳流动状态和硫化条件的软件，并 已向世界各地出售软件使用权，然而它的数学模型， 求解方法及程序是严加保密的。
在当前，主要的工业发达国家都相继集中了最优秀 的学者和相关学科的专家，并借助政府和财团资助 进行了一系列开拓性研究，计算机模拟发展历程： 1. 1974年Z.Tadmor提出网格分析法对高聚物在成 1974年Z.Tadmor提出网格分析法对高聚物在成 型过程中流动状态进行模拟和优化。 2.1978年加拿大G.E公司已能向世界各地提供名为 2.1978年加拿大G.E公司已能向世界各地提供名为 MarkⅢ MarkⅢ的 Mold flow system。 system。
1-3 聚合物加工过程数值分析及计算机模拟一般 方法
聚合物成型通常可能包含有传热、 聚合物成型通常可能包含有传热、传质和化学反应 等物理和化学的过程。在模拟这种复杂过程时，首先应 等物理和化学的过程。在模拟这种复杂过程时，首先应 对所要研究的问题进行分解、简化，建立对这些过程的 数学描述，即数学建模，建立的数学模型要尽可能如实 地反映实际情况，采用计算机求解数学模型得到的模拟 结果还要通过各种可能的方式进行验证。