塑料板材在生活中用量较大，广泛应用于家电运输包装、农副产品包装等领域[1-2]。同时，大量废弃的不可降解塑料板材对环境造成污染[3]。生产一种具有优异的可降解性能的塑料板以取代不可降解的板材具有重要意义[4-5]。在高分子聚合物加工成型过程中，挤出机头流道结构的合理性对于生产效率和产品质量有重要影响[6-8]。当前，对于可降解板材挤出机头的研究比较有限，研究主要采用数值模拟来优化板材机头的结构[9-11]。为了提高可降解板材的挤出质量和效率，于玉真等[12]采用经验设计与数值分析的方法对挤出机流道进行了设计，并改进了单个重要结构参数的阻尼，分析了各参数对流道内熔体的流动状态的影响，选定了最佳的结构参数。李冬燕[13]使用流体计算软件Polyflow分析了2种熔体在口型内的流动规律，并提出了增加窄缝区域高度和扩充口模入口的解决方法。贾辉等[14]在鱼尾式板材的基础上进行了优化，增强了板材的密实度，改善和提高了物料的塑化性能和挤出稳定性。张鑫[15]结合数值模拟的方法对衣架式口模流道进行了优化设计，从而提高了口模出口处的速度。本实验针对新型可降解塑料的性能，对原设计的机头流道出现挤出制品厚度不均匀、中间出现褶皱和断料等无法满足设计要求的问题进行研究。基于ANSYS-Polyflow仿真软件，探究优化前后流道中间层截面不同段上压力降、熔体流速等关键因素对于流道内流场影响，确定了挤出流道各段压力降和流速的最佳匹配点；通过调整入口直径、各段的过渡圆角直径和阻尼仰角等方法，得到对应的最优工艺及结构参数，以满足设计要求。1机头流道有限元建模1.1挤出机机头流道三维模型及工作原理图1为板材机头上模模型。从图1可以看出，板材机头由上下两部分合模，形成中间的挤出流道，机头实体中流道部分上下对称。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.022.F001图1板材机头上模模型Fig.1Model of the plate head upper mould图2为板材挤出机头中流道的整体结构布局。采用Solidworks三维建模软件，先对该机头流道模型进行简化，按照工厂的实际尺寸进行1∶1机头流道建模[16]。从图2可以看出，流道左侧为入口端，入口直径为R=115 mm，熔融物在机头流道内由入口段流向右侧成型段。机头流道出口宽度为280 mm，厚度为25 mm。熔融物从流道左侧入口段进入流道后首先进入流道压缩段，其中，压缩段末端段处设计了一个上下球体形成的仰角为52°的分流阻尼凸起球。熔融物从压缩段流出时，通过压缩段末端分流阻尼球有效起阻止中心熔融物流速过快的作用，使得高分子熔融物通过压缩段末端阻尼球后分散进入流道扩张段，再通过连续的推动作用，成型段挤出，离模发泡，获得板材。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.022.F002图2板材机头流道模型Fig.2Model of the plate head flow channel1.2网格划分使用ANSYS有限元分析软件中的Ployflow数值模拟模块，对流道模型进行网格划分[17-19]。图3为可降解塑料厚板挤出流道的网格划分情况。对流道整体实施四面体网格划分；在压缩段入口处采用加密划分处理，分流阻尼段使用球心局部定位加密划分；最后得到的网格节点数为56 099，网格单元数为293 252。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.022.F003图3机头流道网格划分Fig.3Meshing of the head flow channel通过多次调整不同参数对机头流道进行网格划分，进行网格无关性验证，使得实验数据排除其他干扰因素，更加真实可靠[20]。图4为网格数量与熔体扩张段最大速度的变化关系。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.022.F004图4网格数量与熔体扩张段最大速度的变化关系Fig.4Relationship between the number of meshes and the maximum velocity of melt expansion section从图4可以看出，不同区间的网格数量对于熔体的流速会有不同的精度影响[21-22]，但是当网格划分数量处于(28.5~45.3)×104时，网格的数量精度对于分析流速的影响已经趋于平稳的状态。因此，取此区间划分效果最优的29.3×104网格进行模拟分析。1.3数值模拟在进行仿真模拟和计算分析时，由于流场的复杂性是由流场加工条件、材料性能、流动状态和几何形状等因素引起的，同时流动过程需要满足工程近似要求[23-24]。为了使计算结果更易于收敛，通常对流道内的熔体进行基本假设：（1）熔体在流道中的流动不可压缩。（2）流道中熔体的流动是恒温、完全发展的稳态层流。（3）熔体的黏性力远大于惯性力和重力，可以忽略惯性力和重力。（4）黏滞力远大于熔体的体积力，可以忽略熔体的体积力。（5）塑料熔体在流道中充分填充，且不存在滑移现象。此外，熔体在流动过程中需要遵守质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[14]。这些假设和定律有助于简化计算过程，使得计算结果更加容易收敛，从而提高分析的准确性和效率。连续性方程：∂Vx∂x+∂Vy∂y+∂Vz∂z=0 （1）力学运动方程：-∂P∂x+∂τxx∂x+∂τyx∂y+∂τxx∂z=0 （2）-∂P∂y+∂τxy∂x+∂τyy∂y+∂τzy∂z=0 （3）-∂P∂z+∂τxz∂x+∂τyz∂y+∂τzz∂z=0 （4）式（1）~式（4）中：Vx、Vy、Vz分别为x、y、z方向上的速度，单位为m/s；P为压力，Pa；τxyz为直角坐标系下的应力分量，Pa；x、y、z分别为直角坐标系下的应力分量方向。1.4物性参数实验用到的新型可降解塑料主要成分是玉米淀粉，此种可降解材料在机头中形成的熔体也属于非牛顿流体[25]，常用黏弹性流体本构方程。Bird-Carreau模型可以反映熔体在高低剪切速率下的流动行为，该模型的表达式为：η=η01+λ2γ2n-1/2 （5）式（5）中：η0为零剪切黏度，Pa·s，数值为8 500；λ为松弛时间，s，数值为0.55；γ为剪切速率，s-1；n为幂律指数，数值为0.7。在黏弹性材料流动有限元模拟仿真软件Polyflow中选取对应的Bird-Carreau模型，并进行参数设置。1.5边界条件设置（1）入口边界：自动流动，流量Q=3.016×10-5 m3/s。（2）出口边界：流动出口作用零法向力和零切向力(fn=fs=0)。（3）壁面边界：在假设流道壁面无滑移的情况下，与机头壁面接触的熔体流速为0，即熔体黏附于壁上，故Vw=0。2模拟结果及分析2.1优化前模拟分析图5为优化前流道内熔体压力分布云图。从图5可以看出，在整个流道中，压缩段结束处的压力值最大，以至于通过压缩末端阻尼突起进入扩张段时，有更多的压力分向扩张段两侧，随之压力沿挤出方向逐渐降低，因此，机头压力的绝大部分损失发生在压缩段末端与扩张段过渡处。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.022.F005图5优化前流道内熔体压力分布云图Fig.5Cloud diagram of melt pressure distribution in the flow channel before optimization图6为优化前流道内熔体整体速度分布云图，图7为优化前流道内YZ中心截面的熔体速度分布云图。从图6和图7可以看出，在压缩段结束处，熔体速度最大，而且靠近壁面处的速度较小。在压力的作用下，熔体以一定速度从入口段进入压缩段，由于压缩段末端分流阻尼球产生压缩角的作用，熔体在通过时，中间速度不断减小，甚至出现回流现象，同时扩张段两侧压力增大；另外扩张段两侧和成型段的过渡圆角过大，再次减小了扩张段中间的流速，最终，使得腔内熔体以不均匀的状态通过成型段挤出流道，不能够达到生产目的和使用效果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.022.F006图6优化前流道内熔体整体速度分布云图Fig.6Cloud diagram of melt overall velocity distribution in the flow channel before optimization10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.022.F007图7优化前流道内YZ截面熔体速度分布云图Fig.7Cloud diagram of melt velocity distribution in section YZ in the flow channel before optimization2.2优化后模拟分析图8为优化后的流道内熔体压力分布云图。从图8可以看出，与图5相比，压力整体分布没有明显变化，依然在压缩段末端存在着明显的压力损失。但是，优化后的流道解决了优化前流道出现的压缩段末端压力过于集中，扩张段两侧流失压力大和中间压力小的现象，优化后的流道使得熔体相对更均匀的进入扩张段，通过成型段挤出。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.022.F008图8优化后流道内熔体压力分布云图Fig.8Cloud diagram of melt pressure distribution in the optimized flow channel图9为优化后的熔体在流道内的整体速度分布图，图10为优化后流道内YZ截面熔体速度分布图。从图9和图10可以看出，与改进前相比，压缩段末端和扩张段两侧熔体的流速明显降低，提升了熔体经过扩张段中间的流速，同时还降低了熔体在机头流道内的停留时间，提高了流道内熔体的整体流动性能和生产效率。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.022.F009图9优化后流道内熔体速度分布云图Fig.9Cloud diagram of melt velocity distribution in the flow channel after optimization10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.022.F010图10优化后流道内YZ截面熔体速度分布云图Fig.10Cloud diagram of melt velocity distribution in section YZ in the optimized flow channel2.3优化前后结果对比选取机头流道YZ截面中间层熔体作为研究对象，通过绘制压力降曲线和速度曲线进行分析。图11和图12分别为优化前后压缩段和扩张段的压力降曲线对比和流速曲线对比。从图11可以看出，在压缩段末端和扩张段入口处，机头流道优化前后都存在着较大的压力降变化。经过优化，机头流道在压缩段整体的压力减小，从而有效降低了压缩段末端的压力损失；在扩张段上，优化后的机头流道扩张段两侧压力降低，同时中间压力明显增大，避免了优化前流道由于扩张段中间压力过低而导致的制品中间出现褶皱断料现象。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.022.F011图11优化前后流道模型压力降对比Fig.11Comparison of pressure drop in the flow channel model before and after optimization10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.022.F012图12优化前后流道模型流速对比Fig.12Comparison of flow rates in the flow channel model before and after optimization从图12a可以看出，优化前机头流道内的熔体速度在压缩段均呈现逐渐上升趋势，在压缩末端达到最大。从图12b可以看出，机头流道优化后，在扩张段的入口处熔体速度得到明显提升，随后逐渐趋于稳定，并在出口处速度略微下降。整体分析，优化后流道提高了整体的流动性，减少了熔体在流道内的停留时间。2.4优化前后几何模型由初步设计完成后，根据现场生产试车反馈，挤出机机头流道并不能生产出达到需求的合格塑料板材制品。比如：无法实现出口全宽度范围内均匀流动性，熔融物在流道内中间区域的流动性小于两侧流动性，塑料板材中间区域厚度偏低。分析原因是流道入口尺寸过小，导致压缩段整体压力变大；其次，压缩段末端分流阻尼球仰角过大，导致熔体进入扩张段后两侧压力大中间压力小，不能均匀遍布；另外，压缩段与扩张段的过渡处圆角设置过大，使挤出力更多分向扩张段两侧，中间压力变小。基于原因分析，对流道进行优化设计：将流道入口段直径从80 mm增至115 mm；压缩段末端阻尼球仰角从60°降至52°；压缩段与扩张段的过渡处圆角半径从30 mm增至50 mm，同时扩张段与成型段的过渡处圆角半径从55 mm减小至50 mm。图13为优化前后的流道模型对比。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.022.F013图13流道模型优化前后对比Fig.13Comparison of flow channel model before and after optimization3实验验证图14为优化前后流道挤出的板材。从图14a可以看出，原设计板材机头挤出的可降解塑料板材两侧平整，中间有明显的断料褶皱现象，导致整体不均匀，不能达到生产需求。从图14b可以看出，优化后的板材机头挤出的板材更加均匀紧实，解决了中间断料和整体不均匀的问题，达到了生产的目标和客户的使用需求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.09.022.F014图14优化前后流道挤出的板材Fig.14Sheet extruded before and after flow channel optimization4结论（1）通过对可降解板材挤出机头流道进行模拟分析，针对实际生产中出现挤出制品厚度不均，挤出制品出现中间褶皱断料和整体不均匀现象，对流道结构进行改进。将流道入口段直径从80 mm增至115 mm；压缩段末端阻尼球仰角从60°降至52°；压缩段与扩张段的过渡处圆角半径从30 mm增至50 mm；同时扩张段与成型段的过渡处圆角半径从55 mm减小至50 mm。（2）通过模拟分析优化，减少了入口压缩段的压力，降低了压缩段末端的最大压力，减少了压力损失和应力集中；同时降低了熔体进入扩张段时两侧的压力，增强了扩张段中间压力。优化后流道内压缩段整体速度降低，扩张段整体流速得到提升，使得熔体在流道内停留时间缩短，提高了熔体在流道内的流动性。（3）通过现场实验验证，优化后的机头流道解决了挤出板材出现中间褶皱断料和整体不均匀现象，达到了产品的生产目的和客户的使用需求。