指导教师：黄 翔教授/博导
论文题目：基于挤出胀大各向异性行为的聚合物挤出模具设计关键技术研究
答辩委员会：
主席：陈锋教授/博导 东南大学
委员：王经涛教授/博导 南京理工大学
沈以赴教授/博导 南京航空航天大学
陈明和教授/博导 南京航空航天大学
陈文亮教授/博导 南京航空航天大学
谢兰生教授/博导 南京航空航天大学
黄 翔教授/博导 南京航空航天大学
秘书：陆俊华 副教授/硕导 南京航空航天大学
时间：2022年01月14日14:00
地点：南航明故宫校区15号楼341会议室
学位论文简介：
挤出成型是聚合物成型加工的主要手段之一，在航空航天、汽车、医疗、通讯和建材等工业部门得到了广泛的应用。在聚合物挤出成型工艺中，挤出胀大各向异性行为引起的不均匀的挤出形变是挤出模具设计的难点所在，同时也制约了挤出成型精度的提高。本文以提高挤出成型精度为目标，通过建立挤出胀大各向异性行为的数学模型和评价模型，对聚合物挤出模具设计关键技术开展了深入的理论和应用研究。
论文主要完成的工作及取得的成果如下：
（1）流动平衡的理论评价和挤出胀大各向异性行为形成机理研究：建立了狭缝组合流道出口流动平衡系数的理论模型，该理论模型仅依赖于广义牛顿流体的非牛顿指数和挤出模具出口几何尺寸，也可用于评价挤出制品的制造工艺性。基于多速度中心联合作用假设，建立了平直狭缝流道的挤出胀大各向异性行为的数学模型，揭示了狭缝挤出胀大各向异性行为的形成机理，获得狭缝挤出模具口模轮廓和挤出制品几何轮廓的映射关系，可以应用于薄壁类挤出制品的挤出胀大的预测和挤出模具出口几何的逆向设计。
（2）挤出胀大各向异性行为的评价模型和基于NURBS建模的橄榄形流道：建立了评价挤出胀大各向异性行为的数学模型，从点精度、线精度、面精度三个角度对挤出胀大的各向异性行为进行了分析，并据此构造了相对应的挤出模具优化设计准则，包括目标点位移最小化原则、轮廓形位误差最小化原则和均匀的挤出胀大比原则。根据分析可知，基于挤出胀大比（面精度）的评价和流道出口流动平衡评价类似，基于目标点位移和轮廓线形位精度的评价效果最为理想。提出了一种基于NURBS建模的横向橄榄形流道，有效地减小了壁厚不均带来的横向流动，同时有利于挤出模具出口流动平衡和改善挤出制品的几何精度。
（3）挤出胀大各向异性行为的挤出模具尺寸精度优化设计方法：从传统的以模具出口处速度均匀性为目标的流动平衡优化设计、不含自由面的挤出成型流动分析扩展为以挤出制品尺寸精度为目标的尺寸精度优化设计、含自由面的挤出成型流动分析。综合考虑目标尺寸的公差以及实际偏差的上限、下限和偏差带，提出了尺寸精度系数目标函数。不仅表征了目标尺寸的尺寸精度，还表征了挤出制品几何的位置精度。同时，针对复杂异型材挤出制品在流动不平衡时，含自由面的挤出成型流动分析求解困难的问题，提出了在流动平衡优化设计的基础上进行尺寸精度优化设计的分步优化方法。在优化设计过程中，引入了成型段几何设计变量，进一步提升了尺寸精度优化设计的精度，实现了和逆向设计类似的作用。
（4）基于牵引拉伸对挤出胀大各向异性行为影响的挤出模具逆向设计方法：提出了一种聚合物挤出胀大各向异性行为的评价指标：高度胀大比和展开宽度胀大比，给出了以模唇高度最大化和挤出形变最小化的逆向设计准则。采用逆向设计准则对中空薄壁异型材挤出模具进行了逆向设计和实验验证。逆向设计准则可以有效地对挤出制品高度变化和挤出形变进行补偿，显著地提高了挤出制品的几何精度。
（5）共挤成型挤出胀大和界面运动耦合的挤出模具解耦设计方法：提出了一种微共挤成型模具的优化设计和逆向设计耦合方法。主体材料采用以挤出制品的几何精度为目标的全局优化设计方法，辅助材料采用局部嵌套的逆向设计方法。前者解决了共挤成型过程中的挤出形变问题，后者则解决了共挤材料的界面移动问题。通过优化设计方法和逆向设计方法耦合使用，将挤出胀大和界面运动解耦，充分发挥了两种方法的优点，为共挤模具设计提供了新的思路，提升了共挤挤出模具的设计效率，改善了共挤出制品的几何精度。
主要创新点如下：
（1）建立了狭缝组合流道出口处流动平衡系数的数学模型和平直狭缝流道挤出胀大各向异性行为数学模型。基于平直狭缝流道出口流动平衡系数，通过理论推导，建立了狭缝组合流道出口截面流动平衡系数的理论模型，解决了薄壁类挤出制品初始模具设计流动平衡系数的计算问题和挤出制品的可加工性的判定问题。基于多速度中心联合作用假设，建立狭缝挤出模具的挤出胀大各向异性行为数学模型，揭示了挤出胀大各向异性行为的形成机理，建立狭缝流道截面和挤出制品几何轮廓的映射关系，为挤出胀大各向异性行为的理论预测或采用解析法逆向求解狭缝流道几何奠定了理论基础。
（2）建立了挤出胀大各向异性的几何评价模型和尺寸精度评价模型及牵引拉伸作用下的评价模型。通过对比挤出胀大前后挤出制品型坯的几何和尺寸变化情况，引入挤出胀大的方向性评价指标，包括几何精度（目标点位移、轮廓线的形位和子区域的挤出胀大比）和尺寸精度，建立了挤出胀大各向异性行为的几何和尺寸精度评价模型，研究了牵引拉伸对挤出胀大各向异性行为的影响机理，为高牵伸比的聚合物挤出模具设计提供了理论支撑。
（3）首次提出了以挤出制品尺寸精度为目标的聚合物挤出模具优化设计方法和基于光滑曲线的橄榄形截面流道。采用线性加权法将尺寸精度多目标优化问题转化为所有目标加权求和的单目标优化问题，建立尺寸精度优化设计目标函数，以模具预成型段入口和成型段的截面几何为设计变量，采用流动平衡和几何精度分步优化方法，解决了挤出制品的挤出形变和尺寸控制问题，极大地提高了挤出制品的成型精度。提出了聚合物共挤模具优化设计和逆向设计耦合方法，即主体材料采用以尺寸精度为目标的全局优化设计方法，辅助材料采用局部嵌套的逆向设计方法，解决了共挤成型过程中的挤出形变问题和界面运动问题。提出了基于光滑曲线的橄榄形截面流道，显著地减小了壁厚不均引起的横向流动，同时改善了挤出制品的成型精度。
