【正文】 國 家 自 然 科 學 基 金 委 員 會 一九九七年制 重大項目 項目名稱： 聚合物材料 加工過程的 數值模擬 研究 研 究 內 容 和 意 義 摘 要 借 助 MC 方 法 、 含 時 GL 方 程 、 本 構 方 程 及 數 值 分 析 方 法 ， 模 擬 反 應 加 工 中 分 子 反 應 動 力 學 、 伴 隨 反 應 的 形 態(tài) 生 成 、 耦 合 反 應 的 流 體 流 動 及 拉 伸 與 吹 塑 成 型 等 過 程 。 中文 聚 合 物 反 應 加 工 計 算 機 模 擬 與 仿 真 英文 Polymer / Reactive Processing / Computer Simulation and Emulation 二、立論依據 （包括項目的研究意義、國內外研究現狀分析，并附主要參考文獻及出處） 對基礎研究，著重結合國際科學發(fā)展趨勢，論述項目的科學意義； 對應用基礎研究 ， 著重結合學科前沿、圍繞國民經濟和社會發(fā)展中的重要科技問題 ， 論述其應用情景。 隨著計算機科學與技術的飛速發(fā)展，人們自然而然就想到是否可以通過有限有價值的在線檢測實驗數據，建立適當的數理模型與方程，并把化學反應過程用恰當的數學與物理語言在模型中表述，從而借助數值模擬的方法在計算機上實現復雜化 學與物理條件下，反應加工過程中化學反應（聚合反應和降解）動力學與機理、（伴隨化學反應）形態(tài)生成與演變、（耦合化學反應）復雜流體的流動以及后加工與成型過程的計算機模擬與仿真。 借助自洽場方法與含時 GinzburgLandau 方程研究相分離過程中，多相聚合物體系的形態(tài)生成過程是目前高分子物理學研究的熱點之一，國內外許多學者在該領域的研究 興趣，導致了一些開創(chuàng)性研究工作的產生 [25]。我們知道，復雜外場下，聚合和降解反應對多相聚合物體系形態(tài)生成和演變的影響，正是聚合物反應加工所特 定的條件，所以，也正是本申請項目的第二個研究內容。國內外相繼開發(fā)了一些非常有實 用價值的軟件。這也正是本申請項目的第三個主要研究內容。據我們了解的情況，目前開發(fā)的商品化計算機輔助成型軟件，很少考慮大應變率和應變硬化對本構關系的影響，且相關文獻報導也并不多見 [11, 12]。 參考文獻： 1. J. Zhou and J. Sheng, “Small Angle Light Backscattering of Polymer Blends: 1. Multiple Scattering”, Polymer, 38, 3727(1997). 2. 楊玉良，“ 多組份高分子體系中的圖樣形成、演化與選擇 ”，《 高分子科學的近代論題 》，復旦大學出版社， 1998。 4) 揭示反應加工制備的聚合物材料的本構關系，模擬其拉伸與吹塑成型過程，確立應力、應變、應變率和應變硬化的分布，達到優(yōu)化拉伸與吹塑成型條件及控制材料性能的目的。 ? 總結反應加工過程中，聚合與降解反應動力學和反應機理的規(guī)律性，并與進一步的反應動力學實驗數據比較，完善復雜外場條件下，均聚、共聚（接枝和嵌段）和降解反應數理模型、分子動力學理論與 反應機理。 ? 在上面研究的基礎上，結合研究內容 (1)中獲得的聚合或降解反應動力學方程和反應機理，模擬復雜外場情況下，多相聚合物體系的形態(tài)生成與演變過程。 (3) 耦合化學反應的聚合物流體流動行為的計算機模擬與仿真（與 04和 05課題合作） ? 在流體力學和聚合或降解反應分子動力學理論的基礎上，把化學反應（均聚、共聚、交聯(lián)以及降解反應等）用數學和物理的語言進行表述，建立耦合化學反應的流體力學理論模型和相應的本構關系。 ? 與在線觀測和化學流變學研究結果進行比較，完善已建立的耦合化學反應的流體力學模型、本構方程及其復雜化學與物理條件下聚合物流體流動過程的計算機模擬方法。 ? 將加工條件和材料本構方程代入大變形有限元程序，進行模擬運算，得到可視化的拉伸和吹塑運算結果（應力分布、應變分布、 厚度分布、缺陷點位置）。 (2) 建立復雜外場條件下，伴隨聚合反應（均聚、共聚和降解反應等）的形態(tài)生成與演變的數理模型；離散聚合或降解反應動力學方程與含時 GinzburgLandau 方程組成的方程組，確立最優(yōu)數值模擬方法；揭示聚合反應對形態(tài)演變與形成的影響規(guī)律。 2. 擬采 取的研究方法、技術路線、實驗方案及可行性分析 研究方法： (1) 理論方法： ? 聚合和降解反應分子動力學理論和聚合反應統(tǒng)計理論； ? 自洽場理論； ? 流體力學、固體力學理論和數值彈塑性力學理論； ? 大變形有限元理論和數值分析理論。 B. 熔融擠出接枝或嵌段聚合和降解反應：聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等與功能化單體生成的接枝或嵌段共聚物 （ 0 03 課題研究的體系） 。 ? 控制方法：在有限的擠出聚合和擠出接枝或嵌段共聚及降解反應動力學實驗數據的基礎上，發(fā)展復雜外場條件下，普適性熔融擠出接枝或嵌段聚合反應與降解反應及其擠出聚合反應的動力學模型，建立動力學方程組，確定反應的分子機理；建立反應加工過程中，聚合和降解反應的調控規(guī)律和方法。 ? 影響規(guī)律：在對不同類型聚合與降解反應和不同反應動力學參數體系的模擬基礎上，揭示上述因素對形態(tài)形成的影響規(guī)律，建立熔融擠出接枝或嵌段共聚反應和降解反應過程形態(tài)結構調控的理論預測規(guī)則。比較實驗（包括 04 課題組可視化 在線檢測結果）與計算機 模擬與仿真結果，發(fā)展和完善伴隨聚合和降解反應的 形態(tài)生成動力學理論。 ? 反應加工過程模擬：結合反應加工過程中聚合和降解反應分子動力學機理方面的研究結果，構造復雜化學和物理條件下，聚合物流體本構方程。與實驗結果（紅外測溫儀和薄膜厚度測量儀）比較，完善上述理論模型，優(yōu)選型坯的起始溫度分布、厚度分布及其對應的加熱條件。 ? 本構模型完善：借助雙向拉伸薄膜成型機及吹塑成型設備和總體工藝自動監(jiān)控 系統(tǒng)、薄膜厚度自動測量儀，觀測溫度和變形速度不斷改變的狀態(tài)下，制品或制件厚度分布情況及缺陷點 發(fā)生等，并與借助大變形有限元方法模擬的結果相對照，驗證和完善本構模型。 3. 本項目的創(chuàng)新之處 項目特色： 從微觀（分子水平）、介觀和宏觀全方位模擬聚合物反應加工過程的化學反應（均聚、共聚、交聯(lián)和降解反應）分子動力學過程和反應機理、伴隨化學反應的多相聚合物形態(tài)生成過程和動力學機理、耦合化學反應的聚合物流體流動行為以及拉伸與吹塑成型過程。 (3) 應用大變形有限元數值模擬方法，引入應變率、應變硬化和聚合物粘塑性的影響，模擬快速拉伸和吹塑成型過程；理 論上，確立反應加工方法制備的聚合物材料的最佳加工條件范圍和無缺陷的極限加工條件，實現拉伸和吹塑加工成型過程的控制。 ? 完成優(yōu)選型坯的起始溫度分布、厚度分布和加熱條件；綜合應變硬化、應變速率敏感、硬化指數及溫度的影響，在大變形情況下，初步確立聚合物材料的本構模型。 ? 完成反應加工制備的聚合物材料本構方程的建立；應用大變形有限元方法和其它數值分析方法，初步模擬不同溫度、不同拉伸或吹塑速率條件下，制件或制品各點的應力、應變和厚度分布及變化，認識導致缺陷發(fā)生的主要因素。模仿反應加工條件，揭示不同化學反應和物理環(huán)境對復雜流體流動行為的影響規(guī)律。 ? 結合“剪切激光光散射儀”觀察準反應加工條件下，伴隨聚合和降解反應發(fā)生的模型體系形態(tài)形成的實驗結果和 04 課題組可視化在線檢測結果，完善計算機模擬方法，確立和發(fā)展伴隨聚合和降解反應的 形態(tài)生成動力學理論。 5. 預期研究成果 (1) 建立復雜外場條件下，聚合（均聚、接枝和嵌段共聚）和降解反應的 Monte Carlo和分子動力學模擬方法；模擬反應加工過程中，化學反應（聚合和降解反應）的分子生成動力學過程，闡明反應加工過程中化學反應機理；認識反應加工過程中化學反應的分子動力學和反應機理與通常聚合反應的區(qū)別；提出控制反應加工工程中化學反應的基本規(guī)律。 每年平均發(fā)表高水平研究論文 1012篇，其中 Macromolecules、 J. Chem. Phys.、 J. Phys. Chem. B 和 Langmuir 等雜志發(fā)表的研究論文數不低于三分之一。 1998 年獲得國家杰出青年科學基金資助， 20xx年獲國務院政府特殊津貼， 20xx年吉林省第二批省管優(yōu)秀專家。 課題主要參加者黃漢雄教授，多年來一直從事聚合物材料的機械設計與加工成型的理論和應用的科研與教學工作。首次提出并研究了“聚合物分散熔融機理”； 2) 研制出“多邊螺槽對流式螺桿”和“微米至納米復合材 料用擠出和吹塑機械”，已獲得和申請中國發(fā)明專利 3 項，并已被應用； 3) 成功制備熔體連續(xù)擠出自增強的聚烯烴（拉伸強度比普通制品提高 8 倍多）以及微米至納米復合材料，其中一篇論文被作為 J. Mater. Sci. Lett.雜志的封面論文發(fā)表。在理論上指出以聚合物基體自身的脆韌轉變溫度與測量溫度之差來衡量聚合物的脆韌轉變更具有普適性，并發(fā)現了與聚合物材料無關的脆韌轉變主曲線和聚合物混合體系脆韌轉變的溫度和基體層厚度等效性原理。 課題主要參加者吳淑芳副教授，分別獲得吉林大學數學系計算數學學士和碩士學位；自攻讀吉林工業(yè)大學塑性加工專業(yè)博士學位以來，一直致力于大變形有限元的數值分析和計算機模擬方面的研究工作，發(fā)表研究論文 10 余篇，在大變形有限元理論和數值計算方面較好基礎，在材料成型數值模擬中一些關鍵技術，如：網格自動生成、網格自適應重分等方面都有較深入的研究，親自研制了實 用的自適應彈塑性成型數值模擬軟件，此軟件在本項目中可作為研究數值模擬軟件的雛形，只需在其中引入粘性、應變率、速度等參數即可，近期主攻方向為“聚合物材料的加工成型的計算機模擬”。另附該已結題項目《研究工作總結摘要》（ 300 字）及已發(fā)表主要相關論文首頁復印件（限三篇）。 3. 實驗上首次發(fā)現聚己內酯（ PCL） /苯乙烯 丙烯氰共聚物（ SAN）混合物體系，徑向生長的環(huán)帶球晶亮帶和暗帶隨時間變化的周期性規(guī)律。在開展高分子本體混合物相分離研究的基礎上，本研究組開展了“高分子混合物薄膜的相分離行為”方面的探索性研究工作，并取得了相當的進展。該課題無論在基礎科學研究方面，還是在潛在的應用方面，都具有非常重要的意義。安立佳同志為人正派，科學態(tài)度嚴謹，是一名有很高水平的優(yōu)秀青年科技工作者。 長春應用化學研究所將在人力、物力上給予全面支持，以保證本項基金項目的順利完成。表達要明確、嚴謹，字跡要清晰易辨。第三頁起各欄空格不夠時，請自行加頁。 四、申請者和項目組中具有高級專業(yè)技術職務的主要成員申請（含參加）的項目數，連同在研的國家自然科學基金項目數（不含重點項目、重大項目），不得超過兩項。 七、國家自然科學基金委員會通迅地址：北京市海淀區(qū)花園北路35 號東門 郵政編碼： 100083 一、簡表 名 中 文 基 于模 模糊 糊 識 別 的 制了 冷 系 統(tǒng) 故 障 診 斷 研 究 研 稱 英 文 Research on trouble diagnosis of refrigeration system based on fuzzy identification 究 類別 A. 自由申請 B. 高技術探索 C. 青年 D. 地區(qū) E 重大 F. 重點 H. 專項 A 高技術探索 項目主題號 項 申報 名稱 1 工程熱物理與能源利用 名稱 2 A. 基礎研究 目 學科 代碼 1 E06 代碼 2 B. 應用基礎 A 申請金額 2 2 萬元 起止年月 20xx 年 1 月 至 20xx 年 12 月 所用實驗室 A. 國家重點 B. 部門開放 B 實驗室編號 姓 中文 谷波 性 A. 男 出生年月 1962 年 7 月 民 名稱 漢 名 拼音 Gu Bo 別 B. 女 A 身份證號 310105620721281 族 代碼 01 申 請 專業(yè) 技術職務 名稱代碼 教授 011 學位 A. 博士 B. 碩士 C. 學士 B 博士學位授予國別或地區(qū) 國 (地區(qū) )名代 碼 A. 院士 B. 博士生導師 C. 博士后 所 名稱 上海交通大學 系（所） 制冷與低溫工程研究 所 單位代碼 20xx3001 者 在單 性 質 A. 高等學校 B. 科研機構 C. 其它 A 郵政編碼 申請者電話 20xx30 (021)62933240 隸屬 關系 名 稱 代 碼 教育部 360 位 所在地 上海市 徐匯區(qū) 華山路 1954 號