摘要：通過總結(jié)塑料加工設備塑化三種研究方法實驗測試、理論分析、數(shù)值仿真發(fā)展及 其優(yōu)缺點， 為塑料塑化質(zhì)量研究提供借鑒和參考。
????塑料加工機械設備按成型方式分主要有擠出機、注塑機、壓鑄機、吹塑機等，各加工設備雖然成型方法不一樣，但其有相同之處：塑料塑化質(zhì)量好壞直接關系到制品的性能。因此，塑化設備塑化質(zhì)量的研究是重中之重。
????**初，由于科技水平限制，研究者只能通過實驗來直接觀察測試塑化設備的塑化效果，或者應用簡化模型進行簡單的理論分析，隨著高科技電子顯微鏡、云計算和圖像處理技術的發(fā)展，研究者能夠?qū)嶒灲Y(jié)果進行微觀的觀測和分析，也可以計算復雜的理論模型。隨著三維軟件的發(fā)展，可視化數(shù)值仿真技術應運而生，為研究者提供了一個便利的研究工具。
????下面，本文將以理論分析、實驗測試和數(shù)值仿真為順序來逐一介紹各塑化研究方法的利弊。
1.1理論分析
????理論分析是借助于流體動力學控制方程，即質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，應用塑化理論如固體床理論、非塞流理論、兩相團熔理論、對流均化熔融理論等，對螺桿內(nèi)聚合物進行簡化處理的分析方法。
????優(yōu)點與缺點：其優(yōu)點在于成本**，所得結(jié)果具有普遍性，各種影響因素清晰可見，是指導實驗研究和驗證新的數(shù)值計算方法的理論基礎。它往往要求對計算對象進行抽象和簡化，才有可能得出理論解。對于非線性情況，只有少數(shù)流動才能給出解析結(jié)果，因而僅局限于非常簡單的問題。
1.2實例
????華南理工大學陳子運等[1]通過對圖1～3所示波狀螺桿進行假設簡化，提出了雙槽波狀螺桿內(nèi)聚合物對流均化熔融原理，建立了固體床區(qū)與熔膜區(qū)聚合物熔融的物理及數(shù)學理論模型，與普通螺桿進行了比較。結(jié)論表明，波狀螺桿比普通螺桿在相同操作條件下的熔融速率大，熔化長度短，前者的長度僅為后者的58 %左右；機筒溫度對波狀螺桿的熔融速率及熔化長度的影響小，而轉(zhuǎn)速對它們的影響大，用提高轉(zhuǎn)速方法可以提高熔融速率，從而提高產(chǎn)量。這一點與G. A. Kruder 等人的實驗結(jié)果一致。

2.1實驗測試
????由于理論分析只適用于較簡單的模型，實際塑化設備內(nèi)混合混煉狀況十分復雜，因而在早期的塑化設備研究中大部分應用實驗方法來進行相關研究。
????如前所述，起初受制于科技水平，研究者只能通過直接觀察塑料加工制品或者塑化設備混合熔體來描述塑化設備塑化質(zhì)量。高倍顯微鏡及電子掃描顯微鏡的發(fā)展，使研究者擺脫了人眼睛的局限，可以在分子水平上觀察到熔體內(nèi)部的細微結(jié)構(gòu)。以擠出機為例，其主要思想是[2]：在塑化達到穩(wěn)定狀態(tài)時，停止擠出機螺桿旋轉(zhuǎn)和固化聚合物，通過冷卻機筒或者冷卻螺桿來突然凍結(jié)所有的狀態(tài)，然后把螺桿和聚合物一道從機筒中推出，從螺桿上剝下聚合物，做成切片，然后用高倍顯微鏡進行觀察塑料和色母分布及顆粒大小，來了解塑化質(zhì)量優(yōu)劣。隨著科技的進步，更有效的方法是把料筒做成透明的，這樣可以動態(tài)觀察物料的流動過程；或者運用掃描電子顯微鏡進行切片掃描，然后對圖像進行粒徑統(tǒng)計分析。
??? 隨著傳感器技術及自動控制技術的進步，研究者可以通過在塑化設備中添加溫度傳感器、壓力傳感器、速度傳感器等各類傳感器獲得塑化設備的溫度、壓力、速度等參數(shù)的實時變化，可以動態(tài)把握塑化設備的運行狀態(tài)，從而為塑化設備塑化質(zhì)量的控制提供了保障。
????優(yōu)點和缺點：實驗測量方法所得到的實驗結(jié)果真實可信，它是理論分析和數(shù)值仿真的基礎。然而，實驗往往受到模型尺寸、流場擾動、人身安全和測量精度的限制，熔體速度、壓力、剪切速率等物理量很難**測量也無法對塑化設備操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分離變量分析，有時可能很難通過試驗方法得到結(jié)果。并且，實驗還會遇到經(jīng)費投入、人力和物力的巨大耗費及周期長等許多困難。
2.2實例
????北京化工大學金志明和**科技大學高福榮[3]通過在一臺震雄JM88NKIII塑料注射成型機機筒上設置5個裝有玻璃的可視化窗口和4 個Kistler 溫度、壓力傳感器，并在噴嘴處安裝有Omega 紅外溫度傳感器和Kistler 壓力傳感器，在相同的工藝條件下對Maddock螺桿與普通螺桿進行熔融性能、熔體溫度均勻性、混合性能、塑化能力等的比較實驗。結(jié)論表明：Maddock 螺桿與通用螺桿相比，在相同的工藝條件下，Maddock 螺桿不但熔體溫度均勻性好，而且熔體溫度較低，塑化時間較短，如圖4所示，相似切片實驗如圖5所示。

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3.1數(shù)值仿真
????CFD計算流體力學（Computational fluid Dynamics）方法克服了前面兩種方法的弱點，對系統(tǒng)模型具有較強的可視化能力，能夠展示別的手段所不能揭示的系統(tǒng)的性質(zhì)和現(xiàn)象。通過CFD軟件，可以分析并且顯示發(fā)生在流場中的現(xiàn)象，在比較短的時間內(nèi)，能預測性能，并通過改變各種參數(shù)，達到*設計效果。CFD數(shù)值模擬，能使我們更加深刻地理解問題產(chǎn)生的機理，為實驗提供指導，節(jié)省實驗所需的人力、物力和時間，并對實驗結(jié)果的整理和規(guī)律的得出起到很好的指導作用[5]。當前應用**多的兩款CFD軟件分別是：用于擠出機及混煉模擬的POLYFLOW和用于注塑機模擬的Injection Molding Plastification 。
????數(shù)值仿真的缺點是其模型及參數(shù)的理想化，無法真實地模擬混合過程，導致其結(jié)果與復雜的塑化設備混過過程有一定的差距。
3.2實例
????圖6（a）為銷釘元件，其軸向長度為37mm，外徑為30mm，內(nèi)徑為27mm，銷釘截面為邊長為3mm的正方形；圖6（b）為螺桿元件，其軸向長度為37mm，外徑為30mm，螺棱高為1.5mm，螺旋升角為17.65°；銷釘與螺桿元件流道一樣，均為環(huán)形流道，其長度為39mm，外徑為31mm，內(nèi)徑為27mm。圖7為兩種混煉元件物料混合過程時間歷程[6]。

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4結(jié)論
????理論分析、實驗測試和數(shù)值仿真做為塑化設備塑化質(zhì)量研究方法各有利弊，如果能夠綜合利用各種研究方法的優(yōu)點，以理論分析為先導，設計不同幾何結(jié)構(gòu)塑化設備，然后應用模擬分析軟件進行數(shù)值仿真和優(yōu)化設計，**生產(chǎn)加工優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應用于實驗測試，則會降低塑化設備研發(fā)成本，實現(xiàn)精益研發(fā)。??? （作者：柳天磊)

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參考文獻
[1] 陳子運，彭玉成，任鴻烈。波狀螺桿的熔融速率[J]。華南工學院學報，1985，13（1）： 29-40.
[2] Z.塔莫爾，I.克萊因 著，夏廷文等譯. 塑化擠出工程原理[M]. 輕工業(yè)出版社，1984：93-94.
[3] 金志明，高福榮. MADDOCK 注塑螺桿性能研究[J]. 塑料，2005,34（5）：77-80.
[4] 卿艷梅. 振動力場作用下熔體混合的理論與實驗研究[D]. 廣州：華南理工大學碩士學位論文,2001:35- 50.
[5] 錢欣，許王定，金楊福. POLYFLOW基礎及其在塑料加工中的應用. 化學工業(yè)出版社，2010 北京.
[6] Tian-Lei Liu , Yao-Xue Du (2011): Numerical Simulation on the Mixing Behavior of Pin Unit Under Vibrant Enhancement[J]. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 50:12, 1231-1238.