MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH......................................................................................................................... V

DANH MỤC BẢNG...................................................................................................................... XI

Chương 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.................................................................... 1

1.1 Lý do chọn đề tài...................................................................................................................... 1

1.2 Vai trò của trục vít trong máy đúc ép nhựa.......................................................................... 1

1.3 Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................................. 2

1.3.1 Mục tiêu tổng quát................................................................................................................ 2

1.3.2 Mục tiêu cụ thể...................................................................................................................... 2

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.......................................................................................... 3

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu............................................................................................................ 3

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu............................................................................................................... 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu......................................................................................................... 3

1.6 Tổng quan các nghiên cứu quốc tế và trong nước............................................................... 3

1.6.1 Các nghiên cứu quốc tế........................................................................................................ 3

1.6.2 Các nghiên cứu trong nước.................................................................................................. 4

1.7 Ý nghĩa của đề tài..................................................................................................................... 4

1.8 Kết luận...................................................................................................................................... 4

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................................................... 6

2.1 Cơ sở lý thuyết dòng chảy của nhựa nóng chảy................................................................... 6

2.1.1 Chất lỏng phi newton............................................................................................................ 6

2.1.2 Dòng chảy lưu chất trong máy đúc ép nhựa...................................................................... 6

2.1.3 Các phương trìnhh Navier-Stokes áp dụng cho bài toán.............................................. 11

2.1.4 Số Renoydls và đánh giá chế độ chảy của trục vít........................................................ 12

2.2 Cơ sở lý thuyết cơ học kết cấu............................................................................................. 13

2.2.1 Trạng thái ứng suất – biến dạng........................................................................................ 13

2.2.2 Ứng suất xoắn trong trục vít.............................................................................................. 14

2.2.3 Ứng xuất do uốn trong trục vít.......................................................................................... 14

2.2.4 Trang thái uốn xoắn kết hợp............................................................................................. 15

2.3 Cơ sở lý thuyết về tương tác chất lỏng- kết cấu (FSI)....................................................... 15

2.3.1 Khái niệm............................................................................................................................. 15

2.3.2 FSI 1 chiều........................................................................................................................... 15

2.3.3 FSI 2 chiều........................................................................................................................... 16

Chương 3. MÔ PHỎNG FSI MÁY ĐÙN TRỤC VÍT ĐƠN....................................................... 18

3.1 Lý do chọn trục vít................................................................................................................. 18

3.2 Thông số trục vít.................................................................................................................... 18

3.3 Thông số vật liệu.................................................................................................................... 18

3.4 Mô phỏng FSI 1 chiều............................................................................................................ 19

Chương 4. MÔ PHỎNG FSI CỤM PHUN MÁY ÉP NHỰA..................................................... 26

4.1 Thông số hình học trục vít.................................................................................................... 26

4.2 Thông số vật liệu nhựa.......................................................................................................... 27

4.3 Mô hình 3d vít và chu trình mô phỏng FSI......................................................................... 27

4.3.1 Mô hình 3d trục vít............................................................................................................. 27

4.3.2 Chu trình mô phỏng FSI..................................................................................................... 28

4.4 Tần số dao động riêng........................................................................................................... 29

4.5 Mô phỏng FSI 1 chiều............................................................................................................ 30

4.6 Kết quả mô phỏng FSI 1 chiều............................................................................................. 41

4.6.1 Nhựa PE................................................................................................................................ 41

4.6.2 Nhựa PA............................................................................................................................... 43

4.6.3 Nhựa PVC............................................................................................................................. 45

4.6.4 Nhựa PS................................................................................................................................ 47

4.6.5 Nhựa PMMA........................................................................................................................ 49

4.6.6 Nhận xét............................................................................................................................... 51

4.7 Mô phỏng FSI 2 chiều............................................................................................................ 52

4.8 Kết quả mô phỏng FSI 2 chiều............................................................................................. 69

4.8.1 Nhựa PE................................................................................................................................ 69

4.8.2 Nhựa PA............................................................................................................................... 71

4.8.3 Nhựa PVC............................................................................................................................. 73

4.8.4 Nhựa PS................................................................................................................................ 74

4.8.5 Nhựa PMMA........................................................................................................................ 76

4.8.6 Nhận xét............................................................................................................................... 78

Chương 5. MÔ PHỎNG FSI CỤM PHUN MÁY ENGEL 50 VÀ TỐI ƯU TRỤC VÍT......................... 81

5.1 Mô phỏng FSI 1 chiều............................................................................................................ 81

5.1.1 Thông số hình học trục vít................................................................................................. 81

5.1.2 Thông số vật liệu................................................................................................................. 82

5.2 Mô phỏng FSI.......................................................................................................................... 82

5.2.1 Hỗn hợp nhựa PMMA+PC................................................................................................. 97

5.2.2 Nhựa PMMA........................................................................................................................ 99

5.2.3 Nhựa PC............................................................................................................................. 100

5.2.3 Nhận xét kết quả............................................................................................................... 102

5.3 Tối ưu trục vít....................................................................................................................... 104

Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................................... 106

6.1 Kết luận................................................................................................................................. 106

6.2 Hướng phát triển.................................................................................................................. 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................... 107

LỜI NÓI ĐẦU

Trong bối cảnh công nghiệp hóa - hiện đại hóa hiện nay, ngành công nghiệp nhựa ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như cơ khí, điện - điện tử, y sinh và đời sống dân dụng. Trong đó, máy đúc ép nhựa là thiết bị chủ yếu, quyết định trực tiếp đến năng suất, chất lượng và độ ổn định của sản phẩm nhựa. Một trong những bộ phận then chốt của máy đúc ép nhựa là trục vít, có nhiệm vụ vận chuyển, nén, gia nhiệt và đồng nhất nhựa nóng chảy trước khi đưa vào khuôn.

Trong quá trình làm việc, trục vít chịu tác động đồng thời của dòng nhựa nóng chảy có độ nhớt cao và tải trọng cơ học phức tạp, dẫn đến các hiện tượng ứng suất, biến dạng và dao động. Việc đánh giá chính xác các ảnh hưởng này có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế, tối ưu hóa hình học trục vít cũng như nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy của máy đúc ép nhựa. Tuy nhiên, các phương pháp tính toán truyền thống thường xem xét riêng rẽ bài toán lưu chất hoặc kết cấu, chưa phản ánh đầy đủ sự tương tác qua lại giữa hai miền.

Xuất phát từ những yêu cầu trên, đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế và mô phỏng FSI cho cụm phun ép nhựa” được thực hiện nhằm phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng và đặc tính động học của trục vít dưới tác dụng của dòng nhựa nóng chảy, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của một số thông số vật liệu và điều kiện làm việc. Kết quả của đồ án không chỉ có ý nghĩa học thuật mà còn góp phần làm cơ sở tham khảo cho công tác thiết kế và tối ưu hóa trục vít trong thực tế sản xuất.

Nhóm em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Cơ khí, đặc biệt là thầy PGS.TS. …………… người đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nhóm chúng em thực hiện đề tài.

                                                                                                                                                 Đà nẵng, ngày … tháng …. năm 20…

                                                                                                                                           Nhóm sinh viên thực hiện

                                                                                                                                           1. / ………………..

                                                                                                                                            2. / ………………..

Chương 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài

Trong ngành công nghiệp hiện nay, máy đúc ép nhựa là một thiết bị phổ biến trong quá trình tạo ra các sản phẩm từ nhựa. Một trong những bộ phận quan trọng nhất trong máy đúc ép nhựa là trục vít, nhiệm vụ của trục vít là vận chuyển, nén, gia nhiệt và làm nóng chảy nhựa trước khi phun vào khuôn. Như vậy hiệu quả làm việc của trục vít ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của sản phẩm, năng suất và tuổi thọ của máy.

Trong quá trình làm việc của máy trục vít chịu tác động trực tiếp của dòng nhựa nóng chảy bao gồm áp suất, lực dọc trục và momen xoắn. Sự tương tác dòng chảy nhựa và kết cấu trục vít là một bài toán tương tác chất lỏng - cấu trúc (FSI) phức tạp khó đánh giá chính xác với các phương pháp tính toán lý thuyết.

Từ những lý do trên đề tài “Nghiên cứu mô phỏng tương tác chất lỏng - cấu trúc (FSI) của trục vít trong máy đúc ép nhựa” sẽ làm rõ cơ chế làm việc của trục vít từ đó đánh giá, tối ưu trục vít trong điều kiện làm việc thực tế.

1.2 Vai trò của trục vít trong máy đúc ép nhựa

Trục vít là một chi tiết trong máy ép nhựa. Trục vít có tác dụng đưa nhựa từ phễu chứa nhựa tới đầu phun của máy ép nhựa nhờ cơ cấu rãnh xoắn vít.

- Cấu tạo trục vít:

+ Vùng cấp liệu: là vùng gần phễu cấp liệu nhất, chiếm khoảng 50% chiều dài hoạt động của trục vít (có tài liệu cho là 60%) và có chức năng làm cho vật liệu đặc lại thành khối và chuyển vật liệu qua vùng nén. Chiều sâu của các cánh vít ở vùng này là lớn nhất và hầu như không đổi.

+ Vùng nén: chiếm khoảng 25% chiều dài hoạt động của trục vít (có tài liệu cho là 20%). Ở vùng này, đường kính ngoài của trục vít không đổi nhưng chiều sâu các cánh vít thay đổi nhỏ dần từ vùng cấp liệu đến cuối vùng định lượng. Chính nhờ cấu tạo đặc biệt này mà các cánh vít làm cho nhựa bị nén chặt vào thành trong của khoang chứa liệu, điều này tạo ra nhiệt ma sát. Nhiệt ma sát này cung cấp khoảng 70 đến 80% lượng nhiệt cần thiết để làm chảy dỏe vật liệu.

+ Vùng định lượng: chiếm khoảng 25% chiều dài hoạt động của trục vít (có tài liệu cho là 20%), có chức năng cung cấp nhiệt độ để vật liệu chảy dẻo một cách đồng nhất và làm bắn vật liệu chảy dẻo vào khuôn qua cuống phun. Chiều sâu cánh vít ở vùng này là bé nhất và hầu như không đổi.

- Ảnh hưởng của trục vít trong quá trình đúc ép nhựa:

Trục vít quyết định khả năng hóa dẻo, vận chuyển và tạo áp suất cho nhựa nóng chảy. Hình dạng, bước vít và tỷ số nén ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ, áp suất, ứng suất cắt và độ đồng nhất của dòng nhựa. Thiết kế không hợp lý có thể gây áp suất cao, phân hủy nhựa, sản phẩm lỗi và làm tăng ứng suất - biến dạng trục vít.

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

- Trục vít trong máu đúc ép nhựa

- Dòng nhựa nóng chảy trong quá trình ép

- Các dòng nhựa thông dụng: PE, PVC, PS, PA, PMMA, PC

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

- Giai đoạn hóa dẻo và vận chuyển nhựa trong xilanh, không xét giai đoạn phun vào khuôn.

- Nghiên cứu dựa trên mô phỏng số, không tiến hành thực nghiệm.

- Bỏ qua hiện tượng mài mòn, suy giảm vật liệu và kết tinh của nhựa.

1.6 Tổng quan các nghiên cứu quốc tế và trong nước

1.6.1 Các nghiên cứu quốc tế

Trên thế giới, việc ứng dụng mô phỏng số CFD trong nghiên cứu trục vít máy đúc ép nhựa đã được triển khai rộng rãi. Nhiều công trình sử dụng ANSYS Fluent để mô phỏng dòng chảy nhựa nóng chảy trong trục vít, trong đó nhựa được xem là chất lỏng phi Newton với các mô hình lưu biến phù hợp. Kết quả cho thấy áp suất, vận tốc và phân bố nhiệt độ trong rãnh vít phụ thuộc mạnh vào đặc tính vật liệu nhựa, tốc độ quay trục vít và hình dạng hình học.

- Trục vít được giả thiết làm việc trong điều kiện ổn định.

1.6.2 Các nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các nghiên cứu liên quan đến ANSYS Fluent chủ yếu tập trung vào mô phỏng dòng chảy và truyền nhiệt trong các bài toán cơ bản hoặc trong khuôn ép nhựa. Một số đồ án và luận văn đã mô phỏng dòng chảy nhựa trong trục vít, song thường chỉ dừng ở phân tích CFD, chưa xét đến phản ứng của kết cấu trục vít.

1.8 Kết luận

Chương 1 đã trình bày tổng quan về vai trò của trục vít trong máy đúc ép nhựa, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài. Đồng thời, các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến mô phỏng dòng chảy và tương tác chất lỏng - kết cấu đã được tổng hợp và đánh giá. Qua đó cho thấy đề tài nghiên cứu mô phỏng FSI trục vít với các loại nhựa khác nhau là cần thiết và có ý nghĩa, tạo cơ sở cho các nghiên cứu sau này.

Chương 2.  CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cơ sở lý thuyết dòng chảy của nhựa nóng chảy

2.1.1 Chất lỏng phi newton

Chất lỏng phi newton là chất lỏng có độ nhớt thay đổi tùy theo chuyển động , cụ thể phụ thuộc vào tốc độ cắt , khác với chất lỏng newton, độ nhớt của loại chất lỏng này không cố định mà thay đổi khi có lực tác động hoặc tốc độ dòng chảy thay đổi

Chất lỏng phi newton tuân theo phương trình ostwald-de waele[4]:

τ_YZ=k.((dV_Z)/dY)^n=k.(v_yz )ⁿ                (2.1)

Trong đó:

𝜏_𝑌𝑍 : là ứng suất trượt (N/m²)

𝑘       : là hệ số thể hiện độ sệt của chất lỏng (Pa.s)

𝑛      : là trị số thể hiện đặt tính của dòng lưu chất. Với:

Dòng lưu chất có dạng lớp mỏng n <1

Dòng lưu chất có dạng lớp dày n >1

V_YZ : Tốc độ trượt của dòng lưu chất (1/s)

Công thức tính độ nhớt [4]:

η=τ/V=(k.(v_yz )^n)/v=k.(v^)(n-1)                      (2.3)

2.1.2 Dòng chảy lưu chất trong máy đúc ép nhựa

Cơ chế dòng chảy nhựa nóng chảy trong ông xilanh máy đúc ép nhựa có thể được hiểu rõ hơn khi giả định kênh dẫn được mở ra và trãi trên một mặt phẳng

Từ hình 2.1.ta có các ký hiệu:

- W: là bề rộng kênh dẫn

- U : là vận tốc dài của trục vít hay chuyển động tương đối của trục vít và ống xilanh

- φ : là góc nghiêng cánh vít

* Phương trình cân bằng vật chất trong dòng chảy của máy đúc ép nhựa [4]:

Tho [4] ta có phương trình cân bằng vật chất trong dòng chảy của máy đúc ép nhựa như sau:

Q = Q_D - Q_P - Q_L           (2.4)

Có thể bỏ qua dòng rò vì giá trị dòng rò rất nhỏ

Bằng cách tích phân hai lần phương trình (2.6), ta sẽ có phương trình (2.7) - vận tốc tại điểm bất kỳ trên kênh dẫn trong máy đùn[4]:

v=v_Y/h+((y²-hy))/(2.μ)  dP/dZ                    (2.7)

Các hằng số tích phân được đánh giá theo các điều kiện biên. h là chiều cao cánh vít. Trên bề mặt thân máy, khi y = h, vận tốc lưu chất, so với trục vít là V, và ở gốc trục vít, khi ta có y = 0, vận tốc lưu chất bằng 0. Số hạng đầu của vế phải phương trình (2.7) là vận tốc dòng kéo và số hạng thứ 2 là vận tốc dòng áp suất[4].

Từ hình 2.3 ta có thể xác định được các quan hệ tổng quát cho số trục vít và số cánh vít bất kỳ [4]

V= Ucos φ=πDNcosφ               (2.11)

n.w=(t-n.e)  cos φ                 (2.12)

dz=dλ/sinφ                            (2.14)

Trong đó:

D : là đường kính trục vít

N : là vận tốc qay của trục vít

t : là bước vít

e : là chiều dày cánh vít

𝜑 : là góc nghiên cánh vít

𝜆 : là biến số khoảng cách

Do tồn tại khe hở 𝛿giữa đỉnh cánh vít và bề mặt xi lanh, một phần nhựa nóng chảy có thể rò qua khe hở này dưới tác dụng của chênh lệch áp suất. Lưu lượng dòng rò được biểu diễn dưới dạng[4]:

Q_L=(πDδ³)/12μL ΔP         (2.14)

2.1.4. Số Renoydls và đánh giá chế độ chảy của trục vít

Số Reynolds, một số không thứ nguyên, được định nghĩa như tỷ số của lực quán tính và lực nhớt Cho một đường ống tròn chảy đầy ta có:

Số Reynolds [5] :

Re =(V.d.P)/μ=(V.d)/v                 (2.15)

Trong đó:

V : là vận tốc dòng chảy (m/s).

d : là đường kính đường ống (m).

v : là hệ số nhớt động học chất lỏng (m²/s).

µ : là hệ số động lực nhớt chất lỏng (Kg/ms).

p : là khối lượng riêng chất lỏng (kg/m³).

2.2 Cơ sở lý thuyết cơ học kết cấu

2.2.1Trạng thái ứng suất - biến dạng

Trục vít trong máy đúc ép nhựa là một kết cấu dạng trục dài, làm việc dưới tác dụng đồng thời của mô men xoắn, lực phân bố từ nhựa nóng chảy và lực dọc trục. Dưới các tải trọng này, trong trục vít xuất hiện trạng thái ứng suất – biến dạng không gian, được mô tả bằng lý thuyết vật rắn biến dạng đàn hồi tuyến tính.

Quan hệ ứng suất biến dạng được thể hiện qua định luật Hook [3]:

0=λ.θ_e δ_ij+2μ_εij           (2.17)

Trong đó:

 𝜃 : là độ thay đổi tương đối về thể tích

λ, μ : là các hằng số Lame. Hằng số λ > 0, μ < 0.

𝜀𝑖𝑗 : là các thành phần biến dạng

2.2.3 Ứng xuất do uốn trong trục vít

Dưới tác dụng của lực phân bố do áp suất nhựa nóng chảy, trục vít chịu mô men uốn 𝑀𝑥. Từ định luật Hooke và giả thiết mặt cắt phẳng, ứng suất uốn trong trục được xác định bởi [7]:

σ_Z=Mχ/l_χ .y                 (2.19)

Trong đó:

M_x: là momen uốn

I𝑥 : là momen quán tính

y : là khoảng cách trục tung hòa

2.3 Cơ sở lý thuyết về tương tác chất lỏng- kết cấu (FSI)

2.3.1Khái niệm

Tương tác chất lỏng- kêt cấu (FSI) là một hiện tượng vật lý có dòng chất lỏng và kết cấu ảnh hưởng lẫn nhau trong quá trình làm việc, khi chất lỏng chuyền tác động dưới động lực như áp suất lực cắt lên bề mặt kết cấu và sự biến dạng của kết cấu cũng như ảnh hưởng tới đặt tính dòng chảy.

Trong máy đúc ép nhựa Tương tác chất lỏng- kết cấu (FSI) là quá trình tác động giữa dòng nhựa và trục vít.

Tương tác chất lỏng - kết cấu (FSI) gồm 2 loại chính:

- FSI 1 chiều

- FSI 2 chiều

2.3.3 FSI 2 chiều

Mô hình FSI 2 chiều là sự kết hợp liên tiếp giữa chất lỏng và kết cấu. Kết quả được chuyển từ chất lỏng sang kết cấu và ngược lại một cách liên tục trong suốt quá trình tính toán.

Đối với bài toán tương tác 2 chiều thì sự lặp lại của lời giải sẽ được thực hiện ở cả bộ giải của chất lỏng và kết cấu trong mỗi bước thời gian tính toán. Như vậy quá trình giải bài toán này là việc thực hiện giải theo từng bước thời gian và trong một bước thời gian đó có việc giải riêng rẽ 2 bài toán chất lỏng (Fluent) và kết cấu (Structural). Kết quả giải của 2 bài toán sẽ được trao đổi với nhau thông qua vùng tương tác kết cấu - chất lỏng và kết quả đó sẽ trở thành điều kiện giải cho mỗi bài toán ở bước thời gian tiếp theo

Chương 3. MÔ PHỎNG FSI MÁY ĐÙN TRỤC VÍT ĐƠN

3.1 Lý do chọn trục vít

Để thuận tiện trong việc tích luỹ thêm kinh nghiệm và kỹ năng trong mô phỏng FSI, chúng em chọn mẫu trục vít đơn với vật liệu nhựa LDPE ở 185℃ trong bài báo[10] “Mechanical Design Aspects of Single Screw Extruders using Finite Element Analysis” được tác giả W.E. Abdel-Ghany, S.J. Ebeid, I. Fikry để mô phỏng FSI 1 chiều.

3.2 Thông số trục vít

Thông số vật liệu LDPE [7] như bảng 3.1.

3.4 Mô phỏng FSI 1 chiều

Vẽ 3D trục vít:

Thêm trục vít vào ansys:

Chọn chế độ dòng chảy tầng

Ta xét điều kiện dòng chảy thông số của dòng chảy LDPE như sau:

p = 720 kg/m², nhiệt dung riêng 2300

Nhập vật liệu LDPE

Số vòng quay trục vít: Giả sử nhựa quay quanh trục vít bằng số vòng quay trục vít và 3.14 rad/s

Tiến hành chạy mô phỏng dòng nhựa: Vào run cacluation → calulate với 100 lần lặp

Ta thu được Đồ thị chuyển vị trục vít khi chịu tác dụng của lực của chất lỏng, Chuyển vị lớn nhất là 0.70368mm.

Nhận xét: Từ kết quả qua ta có chuyển vị lớn nhất 0.70368mm, Ta so sánh với kết quả chuyển vị lớn nhất của bài báo là 0.73404 mm tại cánh vít, từ đó suy ra được sai số so với bài báo[10] là 4.13%

Chương 4. MÔ PHỎNG FSI CỤM PHUN MÁY ÉP NHỰA

4.1Thông số hình học trục vít

Các thông số trục vít được thể hiện như hình 4.1.

+ Đường kính trục vít: d = 30 mm

+ Chiều dài trục vít: L = (20 ÷ 35). d = 35.d= 34.30 = 1020 mm

+ Khe hở giữa đầu vít và đường kính trong xi lanh: 𝛿 = 0.08 ÷ 0.12 mm

+ Chiều dày cánh vít e = 0,1. d = 0,1.30 = 3 mm

+ Bước vít s = d = 30 mm

+ Góc nghiêng cánh vít đối với vật liệu hạt: φ = 15°

4.3 Mô hình 3d vít và chu trình mô phỏng FSI

4.3.1 Mô hình 3d trục vít

- Trục vít : Tạo hình 3D trên ứng dụng solidworks ,sau đó chuyển qua ansys.

- Tạo miền chất lỏng có đường kính bằng đường kính trong xilanh.

4.3 Mô hình 3d vít và chu trình mô phỏng FSI

4.3.1Mô hình 3d trục vít

- Trục vít : Tạo hình 3D trên ứng dụng solidworks ,sau đó chuyển qua ansys.

- Tạo miền chất lỏng có đường kính bằng đường kính trong xilanh.

4.3.2 Chu trình mô phỏng FSI

- FSI 1 chiều:

Chu trình mô phỏng FSI 1 chiều như hình 4.5.

- FSI 2 chiều:

Chu trình mô phỏng FSI 2 chiều như hình 4.6.

4.5 Mô phỏng FSI 1 chiều

Các bước thực hiện:

- Bước1: Tiến hành thêm trục vít vào Geometry

- Bước 2: Chia lưới

+ Đối với miền chất lỏng sử dụng lưới tam giác với kích thước là 3mm, tại các rãnh vít là 1mm

Đánh giá sự hội tụ của lưới: Mô hình được chia lưới với tổng số 101.466 nút và 382.904 phần tử. Lưới được làm mịn tại các vùng quan trọng như rãnh vít và bề mặt tương tác giữa trục vít và dòng nhựa nhằm đảm bảo mô tả chính xác các gradient vận tốc, áp suất và lực tác dụng. Kiểm tra thống kê cho thấy lưới có số lượng phần tử phù hợp, đáp ứng yêu cầu về chất lượng và độ ổn định tính toán.

- Bước 4 : Thiết lập bài toán CFD

Vào setup trong fluid

Thiết lập mô hình dòng chảy. Chọn Models => Viscous (Laminar). Dòng chảy được giả định là dòng chảy tầng

Nhập vận tốc vận chuyển nhựa v= 0.0325 m/s:

Boundary conditions → inlet

Giả Thiết trục vít quay dẫn dòng nhựa

Cell conditions → fluid → edit → frame motion

Nhập 6.8 rad/s = 65 vg/ph vào ô speed (rad/s)

- Bước 5: Thiết lập tải cho kết cấu

Vào static structural → insert → Fixed support chọn mặt đầu trục vít Vào static structural → insert → remot displacement chọn thân trục vít

Vào import load → chọn import pressure, chọn mặt trục vít để truyền dữ liệu từ bài toán chất lỏng vào.

4.6 Kết quả mô phỏng FSI 1 chiều

4.6.1 Nhựa PE

Trong quá trình làm việc, trục vít chịu đồng thời uốn và xoắn, do đó trong kết cấu tồn tại cả ứng suất pháp và ứng suất tiếp. Để đánh giá trạng thái ứng suất tổng hợp và khả năng bền của vật liệu, ứng suất tương đương von-Mises được sử dụng làm tiêu chí chính trong phân tích.

- Ứng suất:

Ứng suất nhựa PE nhue hình 4.29.

Kết quả phân tích ứng suất cho thấy ứng suất phân bố không đều trên trục vít, ứng suất lớn nhất là 37.345 MPa tập trung tại thân trục vít.

- Chuyển vị:

Kết quả phân tích chuyển vị cao nhất là 0.13 mm tại vùng giữa trục vít.

Đồ thị phân bố chuyển vị nhựa PE như 4.32.

4.6.3 Nhựa PVC

- Ứng suất:

Ứng suất nhựa PVC như hình 4.37.

Kết quả phân tích ứng suất cho thấy ứng suất phân bố không đều trên trục vít, ứng suất lớn nhất là 59 Mpa tập trung tại vùng giữa vít

- Chuyển vị:

Chuyển vị nhựa PVC như hình 4.39.

Kết quả phân tích chuyển vị cao nhất là 0.23mm ở vùng giữa vít

4.6.5 Nhựa PMMA

- Ứng suất:

Ứng suất nhựa PMMA như hình 4.45.

Kết quả phân tích ứng suất cho thấy ứng suất phân bố không đều trên trục vít, ứng suất lớn nhất là 35.8 MPa tập trung vùng giữa trục vít.

- Chuyển vị:

Chuyển vị nhựa PMMA như hình 4.47.

4.6.6 Nhận xét

Từ đồ thị phân bố ứng suất của 5 dòng nhựa ta thấy ứng suất phân bố không đều trên trục, vùng chịu nhiều ứng suất là tại bề mặt vít sau đó giảm dần về phía đuôi trục

Từ đồ thị ta thấy nhựa PMMA và PVC gây ra ứng suất cao nhất và nhựa PE, PS, PA gây ra ứng suất không cao

Vùng giữa trục là vùng xuất hiện chuyển vị rộng nhất vì đây là vùng nén nơi chịu nhiều tải trọng uốn xoắn kết hợp.

Nhận xét: Kết quả mô phỏng FSI 1 chiều đã cho thấy sự tác động của chất lỏng tới kết cấu, từ đó có thể đánh giá khách quan được sự biến dạng của trục vít trong quá trình làm việc

Tuy nhiên, đây mới chỉ là sự tác động 1 hướng từ chất lỏng tới trục vít chưa đánh giá chính xác so với thực tế. Vì vậy, tiếp tục mô phỏng tương

4.7 Mô phỏng FSI 2 chiều

Ta thực hiện mô phỏng bài toán FSI 2 chiều, để mô phỏng bài toán ta phải thực hiện giải đồng thời 2 bài toán chất lỏng và kết cấu. Để làm được điều đó ta sử dụng các module Structural, Fluent và System Coupling như hình để giải bài toán.

Các bước thực hiện:

- Bước1: Tiến hành thêm trục vít vào Geometry

- Bước 3: Tạo vật liệu

+ Tạo vật liệu trục vít: Vào Engineering Data trong static structural

Tạo thép C45 với các thông số: khối lượng riêng 7850kg⋅m³

Giới hạn chảy: 3.5e8 Pa

Giới hạn bền kéo: 6.5 e8 Pa

+ Tạo vật liệu dòng chảy nhựa:

Vào setup trong fluid CFD, chọn material→ fluid chọn new Nhựa PE (polyetylen): p = 910 cp= 2300, hệ số dẫn nhiệt 0.33

Nhựa PS Polystyrene

p = 1050 cp= 1300, hệ số dẫn nhiệt 0.13

Nhựa PA Nylon - Polyamide

p = 1150 cp= 1300, hệ số dẫn nhiệt 0.25

Nhựa PVC

p = 1350, cp = 2200, hệ số dẫn nhiệt 0.18

- Bước 4: Thiết lập bài toán CFD

+ Vào setup trong fluid

Thiết lập mô hình dòng chảy. Chọn Models => Viscous (Laminar). Dòng chảy được giả định là dòng chảy tầng

Thiết lập nhiệt độ của nhựa:

Boundary conditions → inlet→ thermal

Sau khi thiết lập xong vào run caclulation,

Với bước thời gian là 0.0028s và tổng thời gian mô phỏng là 0.028s như đã tính toán ở trên

- Bước 6: Thiết lập system coupling

Sau khi áp tải xong, tiến hành update set up trong system coupling

Vào setup →analysis settings →time step 0.0028s → step end 0.028

- Phân bố vector vận tốc dòng chảy trong quá trình nén:

Các hình phân bố vector vận tốc trong rãnh trục vít cho thấy dòng nhựa chuyển động xoắn theo hình học cánh vít, vector vận tốc không song song tuyệt đối, mức độ đa hướng của vector khác nhau rõ rệt giữa các vật liệu

Vector vận tốc tương đối thẳng và đều, ít vùng xoáy hoặc đổi hướng mạnh. Phần lớn vector hướng dọc theo cánh vít, nhựa PE có độ nhớt thấp → dễ chảy.Dòng nhựa có xu hướng trượt đều, ít bị chia tách

Vector vận tốc ngắn và khá đồng đều, ít thay đổi hướng, dòng chảy bị nén trong rãnh vít, nhựa PVC có độ nhớt cao. Khả năng biến dạng dòng chảy hạn chế, dễ hình thành dòng chảy ổn định nhưng ít tái phân bố.

- Đồ thị phân bố ứng suất cắt của nhựa:

Ứng suất cắt lớn nhất thuộc PMMA, dao động mạnh → độ nhớt cao, dòng chảy kém ổn định. PVC ở mức trung bình, biến thiên tương đối đều. PA và PS thấp hơn, có các đỉnh cục bộ do thay đổi điều kiện dòng. PE nhỏ nhất và ổn định nhất → chảy dễ, cản trở thấp. Sự khác biệt giữa các vật liệu phản ánh độ nhớt và hành vi lưu biến khác nhau, là cơ sở để lựa chọn thông số ép phun phù hợp cho từng loại nhựa.

Nhận xét:

- PMMA: Ứng suất và độ dịch chuyển lớn n → gây tải cơ học cao, bất lợi nhất cho trục vít.

- PVC: Đứng thứ hai về ứng suất và dịch chuyển → cần kiểm soát tốt chế độ vận hành.

- PS: Mức trung bình, phân bố tương đối ổn định → dễ gia công hơn.

- PA: Thấp hơn PS → ảnh hưởng cơ học không lớn.

- PE: Thấp nhất cả ứng suất lẫn dịch chuyển → nhựa dễ gia công, an toàn cho trục vít.

Chương 5.  MÔ PHỎNG FSI CỤM PHUN MÁY ENGEL 50 VÀ TỐI ƯU TRỤC VÍT

5.1Mô phỏng FSI 1 chiều

5.1.1Thông số hình học trục vít

Thông số hình học của trục vít máy ENGEL 50 được tham khảo ở tài liệu [11].

5.1.2 Thông số vật liệu

Vật liệu trục vít:

Thông số vật liệu 38CrMoAIA [11] như bảng 5.1.

Vật liệu dòng nhựa:

Thống số vật liệu PMMA và PC [8] như bảng 5.2.

5.2 Mô phỏng FSI

Tần số dao động trục vít: Sử dụng Modal Analysis để tìm tần số giao động riêng cho cánh từ đó xác định các bước thời gian cho tính toán FSI 2 chiều.

Thu được kết quả tần số dao động riêng:

Từ đó theo công thức Δt=1/20f1 , ta tính toán được bước thời gian cho mô phỏng FSI 2 chiều là 0.0023s và tổng thời gian mô phỏng là 0.023s

- Bước 1: Thêm trục vít vào Geometry

- Bước 3: Chia lưới miền chất lỏng:

Mô hình được chia lưới với tổng số 108.189 nút và 294.819 phần tử. Lưới được tinh chỉnh tại các vùng có biến thiên lớn của dòng chảy và vùng tiếp xúc giữa trục vít và nhựa nóng chảy nhằm đảm bảo mô tả chính xác phân bố vận tốc, áp suất và lực tác dụng. Thống kê lưới cho thấy số lượng phần tử phù hợp và đáp ứng yêu cầu chất lượng cho bài toán mô phỏng. Với mật độ lưới này, mô hình đảm bảo sự cân bằng giữa độ chính xác và thời gian tính toán, phù hợp để sử dụng cho các bước mô phỏng tiếp theo.

- Bước 5: Thiết lập bài toán CFD

Nhập vận tốc dòng chảy: Boundary conditions → inlet

Thiết lập nhiệt độ dòng nhựa: Boundary conditions → inlet→ thermal

Giả Thiết trục vít quay dẫn dòng nhựa

Cell conditions → fluid → edit → frame motion

Nhập 3.3 rad/s vào ô speed (rad/s)

Sau khi thiết lập xong vào run caclulation

Với bước thời gian là 0.0023s và tổng thời gian mô phỏng là 0.023s như đã tính toán ở trên.

- Bước 5: Thiết lập tải cho kết cấu

Vào static structural → insert → Fixed support chọn mặt đầu trục vít Vào static structural → insert → remot displacement trục vít

Thiết lập thời gian tính toán kết cấu: Vào analysis settings →time step 0.0028S → step end 0.028.

- Bước 7: Chạy mô phỏng FSI vào solution → update.

Sau khi chạy mô phỏng FSI thu được kết quả : áp suất, vector vận tốc, ứng suất cắt nhựa

- Đồ thị phân bố áp suất nhựa trên trục vít:

Phân bố áp suất dọc theo trục vít khi vận hành trên máy Engel cho thấy áp suất tăng nhanh tại vùng cấp liệu và duy trì ở mức cao trong vùng hóa dẻo. Đối với vật liệu hỗn hợp PMMA+PC, áp suất lớn hơn và biến thiên rõ rệt do sự khác biệt về đặc tính lưu biến giữa các dòng. Trường hợp tối ưu cho thấy phân bố áp suất đồng đều hơn và giá trị áp suất giảm, phản ánh sự ổn định của dòng chảy và hiệu quả điều kiện vận hành.

- Phân bố vector vận tốc dòng chảy trong quá trình nén:

Dòng nhựa chuyển động theo quỹ đạo xoắn của cánh vít. Vector vận tốc có thành phần dọc trục, xuyên rãnh. Mức độ đa hướng và độ phức tạp của dòng chảy khác nhau rõ rệt giữa PC, PMMA và PMMA+PC.

Vector vận tốc ngắn hơn PC xuất hiện nhiều vector đổi hướng cục bộ quanh cánh vít, có hiện tượng dòng bị chia - nhập lại.

Ứng suất cắt của PMMA+PC lớn nhất và dao động mạnh → dòng chảy chịu cản trở cao, tương tác pha rõ rệt. PMMA ở mức trung bình, biến thiên tương đối ổn định. PC có ứng suất cắt nhỏ nhất → chảy dễ hơn. Điều này cho thấy phối trộn làm tăng độ nhớt và mức độ không đồng nhất của dòng nhựa.

5.2.1 Hỗn hợp nhựa PMMA+PC

Hỗn hợp nhựa PMMA + PC được trỗn theo tỷ lệ 50% PMMA + 50%PC

- Ứng suất:

Đồ thị phân bố ứng suất hỗn hợp nhựa PMMA+PC như hình 5.29.

- Chuyển vị:

Chuyển vị trục vít khi mô phỏng hỗn hợp nhựa như hình 5.31.

5.2.2 Nhựa PMMA

- Ứng suất:

Ứng suất trên trục vít máy engel với dòng nhựa PMMA như hình 5.32.

- Chuyển vị:

Chuyển vị trục vít máy engel 50 với dòng nhựa PMMA như hình 5.34.

5.2.4 Nhận xét kết quả

Đồ thị phân bố ứng suất trục vít:

- Ứng suất biến thiên mạnh theo chiều dài trục, xuất hiện nhiều đỉnh cục bộ.

- Nhựa PC

+ Ứng suất thấp và khá ổn định.

+ Giá trị cực đại nhỏ → điều kiện làm việc an toàn nhất cho trục vít.

- Nhựa PMMA

+ Ứng suất cao hơn PC nhưng vẫn ở mức trung bình.

+ Biến thiên rõ hơn, xuất hiện các đỉnh ứng suất cục bộ.

- Nhựa PMMA + PC

+ Ứng suất cao nhất, nhiều đỉnh sắc và biên độ lớn.

+ Một số vị trí ứng suất tăng đột ngột → nguy cơ tập trung ứng suất.

Þ Nhựa PMMA+PC gây tải nhiệt–cơ kết hợp mạnh, làm trục vít làm việc trong điều kiện bất lợi.

Þ Nếu vận hành lâu dài với nhựa PMMA+PC:

- Dễ gây mỏi nhiệt – mỏi cơ

- Tăng nguy cơ nứt chân cánh vít hoặc vùng chuyển đoạn

- Nhựa PC

+ Chuyển vị nhỏ nhất trên toàn bộ trục.

+ Cho thấy lực tác động lên trục vít thấp hơn → dòng chảy “êm” hơn.

- Nhựa PMMA

+ Chuyển vị lớn hơn PC khoảng 1.5–2 lần.

+ Phản ánh độ nhớt và lực cản dòng chảy cao hơn PC.

5.3 Tối ưu trục vít

Để máy ép phun Engel hiện tại được thiết kế phù hợp cho gia công vật liệu hỗn hợp nhựa PMMA+PC tiến hành tối ưu trục vít.

Theo bài báo [13] đã đề cập việc tối ưu hình học trục vít rất quan trọng làm giảm ứng suất và chuyển vị của trục vít

Sau khi tham khảo bài báo [13] ta tiến hành tối ưu trục vít

Bước vít ↓ ⇒ Ứng suất cắt ↑ ⇒ Trộn tốt hơn ⇒ Ứng suất kết cấu trục vít ↓

Chiều dài vùng định lượng được lựa chọn hợp lý đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định lưu lượng đùn của hỗn hợp PMMA+PC. Vùng định lượng đủ dài giúp hạn chế dao động áp suất và đảm bảo dòng vật liệu ra khỏi trục vít có tính ổn định cao

- Bước vít giảm 25% S=0.75 x 25= 18.75mm

- Tăng chiều dài vùng định lượng từ 50% lên 60% L= 0.6 x 625= 325mm

Sau khi tối ưu trục vít tiến hành mô phỏng lại để kiểm tra:

Ứng suất trục vít đã tối ưu như hình 5.43.

Chuyển vị trục vít đã tối ưu như hình 5.44.

Kết quả mô phỏng cho thấy, trước khi tối ưu, trục vít chịu ứng suất tương đương với Mises lớn nhất khoảng 107.6 MPa, tập trung chủ yếu tại vùng cánh vít, đồng thời chuyển vị tổng đạt khoảng 0.358 mm, cho thấy mức độ biến dạng tương đối lớn khi làm việc với hỗn hợp nhựa PMMA+PC có độ nhớt cao.

Sau khi tối ưu bước vít và chiều dài vùng định lượng, ứng suất cực đại của trục vít giảm xuống khoảng 29.6 MPa, tương ứng mức giảm hơn 70%, trong khi chuyển vị tổng lớn nhất chỉ còn khoảng 0.053 mm, giảm đáng kể so với ban đầu. Sự phân bố ứng suất và chuyển vị trở nên đều hơn dọc theo chiều trục, không xuất hiện tập trung cục bộ nguy hiểm.

Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

6.1 Kết luận

Đồ án thiết kế và mô phỏng FSI cho cụm phun đã thực hiện kết hợp mô phỏng tương tác chất lỏng - kết cấu, từ đó thấy được đặt tính làm việc của trục vít trong quá trình ép phun với các dòng nhựa đơn chất và hỗn hợp nhựa.

Kết quả cho thấy mô hình mô phỏng phản ánh hợp lý phân bố dòng chảy, áp suất và ứng suất trên trục vít; lưới tính toán đạt hội tụ, đảm bảo độ tin cậy của kết quả. Trục vít tiêu chuẩn làm việc hiệu quả hơn với nhựa đơn chất, trong khi với hỗn hợp PC/PMMA xuất hiện sự phân bố dòng chảy kém đồng đều và tải cơ học tăng lên. Ứng suất và chuyển vị lớn nhất tập trung tại chân cánh vít nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép của vật liệu.

6.2 Hướng phát triển

Bên cạnh những kết quả đạt được, nhóm tiếp tục nghiên cứu và định hướng phát triển hơn như:

- Ứng dụng digital Twin vào theo dõi độ mòn của trục vít.

- Kết hợp mô phỏng số với thực nghiệm để kiểm chứng kết quả.

- Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ quay trục vít và nhiệt độ gia công.

- Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn PC+PMMA đến hiệu quả trộn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Hồ Lê Viên, Các máy gia công vật liệu rắn và dẻo - Tập 2, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2003

[2]. Nhữ Hoàng Giang - Đinh Bá Trụ - Lê Thụy Anh, Công nghệ và thiết bị gia công vật liệu Polyme, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2008.

[3]. Nguyễn Đình Đức, Vũ Thị Thùy Anh, Giáo trình Cơ học vật rắn biến dạng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2022

[4]. J. F. Carley, R. S. Mallouk, and J. M. McKelvey, "Simplified Flow Theory for Screw Extruders," Industrial & Engineering Chemistry, vol. 45, pp. 974-978, 1953.

[5]. Nguyễn Thông, Trần Thanh Thảo, Giáo trình Cơ học chất lỏng, NXB Xây Dựng ,2018

[6]. J. S. Sochacki, "Introduction to Compressible Computational Fluid Dynamics," Vols. 1-25

[7]. Đỗ Kiến Quốc, Giáo trình Sức bền vật liệu, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2007

[8]. Https://www.plasticpartsusa.com/resources/technical-material-data

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"