Korean Journal of Rheology, Vol.6, No.2, 104-118, December, 1994
평면 속도구배 효과를 포함한 사출성형 충전유동과 섬유배향의 연계 해석
Coupled Analysis of Injection Molding Filling and Fiber Orientation including In-Plane Velocity Gradient Effect
초록
단섬유 보강 플래스틱 재료의 사출성형 충전공정에서 금형내의 유동장이 섬유 배향 상태를 형성하는데 중요한 역할을 할 뿐만 아니라, 섬유의 배향 상태가 역으로 유동장에 영향을 미친다. 충전유동과 섬유 배향의 연계해석을 위하여 단섬유에 의한 추가적인 응력을 포함하는 Dinh과 Armstrong의 이방성 구성방정식을 충전유동의 해석에 도입하였다. 평면방향으로의 속도구배에 의한 응력을 고려하여 새롭게 유도된 압력 지배방정식과 에너지방정식을 유한요소법과 유한차분법을 이용하여 풀고 동시에 2차 배향텐서의 변화방정식을 4차 Runge-Kutta 방법을 이용하여 풀었다. 절점 게이트 주변의 확장유동영역과 라인게이트를 통한 수축유동영역에서 평면방향으로의 속도구배에 의한 응력이 유동장에 미치는 영향을 고찰하였다. 확장유동영역에서는 평면방향으로의 속도구배에 의한 영향이 추가적인 유량으로 나타나면서 주어진 유량조건하에서 평면방향으로의 속도구배에 의한 응력을 고려하지 않은 경우보다 작은 압력구배를 나타냈다. 수축유동영역에서는 위와 반대의 결과를 보였다. 이러한 경향은 섬유의 부피분율이 증가하거나 모양비가 커짐에 따라 증가한다.
In Injection molding of short-fiber-reinforced plastics, the flow during a mold filling process plays an important role in forming a flow-induced fiber orientation field. However, the flow field is also affected by the orientation of fibers. Dinh and Armstrong's rheological equation of state including an additional stress due to the existence of fibers was incorporated into the coupled analysis of mold filling flow and fiber orientation. The mold filling simulation was performed by solving the new pressure equation including in-plane velocity gradient effect and energy equation via a finite element/finite difference method as well as evolution equations for the second-order orientation tensor via the fourth-order Runge-Kutta method. The in-plane velocity gradient effect on the flow field was examined at the diverging flow around the point gate and the converging flow through the line gate. In the case of the diverging flow, the new terms due to the in-plane velocity gradient tends to increase the flow rate for a given pressure gradient. In other words, for a given flow rate, a smaller pressure gradient is required when the new terms are included than when they are not taken account. In the case of the converging flow, the opposite results were observed. It was found that the in-plane velocity gradient effect increases with the fiber volume fraction and aspect ratio.
Keywords:Injection molding;fiber orientation;coupled analysis;rheological equation of state;in-plane velocity gradient effect
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