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正文內(nèi)容

國(guó)家自然科學(xué)重大基金申請(qǐng)報(bào)告-聚合物反應(yīng)加工過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬與仿真(編輯修改稿)

2024-07-09 08:29 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 擬的結(jié)果相對(duì)照,驗(yàn)證和完善本構(gòu)模型。 ? 缺陷判據(jù)建立:預(yù)測(cè)特定加工條件(高溫和高拉伸速率等)下,不發(fā)生缺陷應(yīng)具備的自身分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和流體流變特性;預(yù)測(cè)給定反應(yīng)加工制備的聚合物材料,無(wú)缺陷的極限加工條件(溫度和拉伸或吹塑速率極限等)及拉伸與吹塑成型產(chǎn)品合理的厚度分布。 ? 成型過(guò)程數(shù)值模擬普適性方法:針對(duì)模型體系實(shí)施上述研究方案 ,并實(shí)施進(jìn)一步優(yōu)化,給出聚合物材料拉伸和吹塑成型數(shù)值模擬的普適性模擬與仿真方法。 可行性分析: 上述實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算機(jī)模擬方法,在文獻(xiàn)中均有過(guò)類(lèi)似研究的文獻(xiàn) 報(bào)道,證明對(duì)反應(yīng)加工方法制備的聚合物材料是可行的。 3. 本項(xiàng)目的創(chuàng)新之處 項(xiàng)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(yīng)加工過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)(均聚、共聚、交聯(lián)和降解反應(yīng))分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程和反應(yīng)機(jī)理、伴隨化學(xué)反應(yīng)的多相聚合物形態(tài)生成過(guò)程和動(dòng)力學(xué)機(jī)理、耦合化學(xué)反應(yīng)的聚合物流體流動(dòng)行為以及拉伸與吹塑成型過(guò)程。實(shí)現(xiàn)聚合物反應(yīng)加工過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)控制、形態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、流體流動(dòng)過(guò)程調(diào)控和拉伸與吹塑成型條件的遴選與極限加工條件的預(yù)測(cè)。 創(chuàng)新之處: (1) 借助 Monte Carlo 和分子動(dòng)力學(xué)方法,模擬復(fù)雜物理?xiàng)l件下( 高溫、高壓、高剪切和高粘度等),均聚與共聚反應(yīng)的分子鏈生成過(guò)程;闡明其分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程和反應(yīng)機(jī)理,明確與通常條件下聚合反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)機(jī)理的區(qū)別;達(dá)到控制反應(yīng)加工過(guò)程中聚合反應(yīng)的目的。 (2) 運(yùn)用 GinzburgLandau方程、流體力學(xué)理論和化學(xué)反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)理論,模擬伴隨聚合、交聯(lián)和降解反應(yīng)的多相聚合物形態(tài)生成過(guò)程和流體流動(dòng)過(guò)程;建立耦合聚合、交聯(lián)和降解反應(yīng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和流體流動(dòng)行為優(yōu)化和調(diào)控的理論準(zhǔn)則。 (3) 應(yīng)用大變形有限元數(shù)值模擬方法,引入應(yīng)變率、應(yīng)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(guò)程;理 論上,確立反應(yīng)加工方法制備的聚合物材料的最佳加工條件范圍和無(wú)缺陷的極限加工條件,實(shí)現(xiàn)拉伸和吹塑加工成型過(guò)程的控制。 4. 年度研究計(jì)劃及預(yù)測(cè)進(jìn)展 20xx 年: ? 復(fù)雜外場(chǎng)條件下(高溫、高壓、高剪切和高粘度等),針對(duì)模型體系,完成建立 熔融接枝或嵌段聚合和降解反應(yīng) 的分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程模擬,初步確立擠出均聚和共聚反應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)模型。 ? 完成建立伴隨簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)的多相聚合物體系形態(tài)生成與演變的計(jì)算機(jī)模擬方法和基本程序;結(jié)合 GinzburgLandau方程,初步確 立伴隨聚合(均聚、接枝和嵌段共聚)和降解反應(yīng)的形態(tài)形 成 理論模型;進(jìn)行優(yōu)化數(shù)值離散方法篩選,編制計(jì)算程序與演示程序,嘗試給出多相聚合物體系形態(tài)生成與演變過(guò)程的模擬計(jì)算結(jié)果。 ? 完成耦合簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)情況下,聚合物流體本構(gòu)模型建立,進(jìn)行耦合化學(xué)反應(yīng)的聚合物流體流動(dòng)行為模擬程序的編寫(xiě),實(shí)施相應(yīng)的模擬計(jì)算。 ? 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(yīng)變硬化、應(yīng)變速率敏感、硬化指數(shù)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(gòu)模型。 20xx 年: ? 完成擠出均聚和共聚反應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)模型建立;針對(duì)模型體系,初步 模擬均聚反應(yīng)、嵌段和接枝共聚反應(yīng)、自身降解反 應(yīng)等的 分子鏈生成過(guò)程、分子量分布及其它分子參數(shù) 。 ? 完成建 立伴隨聚合和降解反應(yīng)的形態(tài)生成 理論模型;初步模擬不同類(lèi)型聚合、降解反應(yīng)和不同反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)形態(tài)生成的影響,嘗試建立熔融擠出接枝或嵌段共聚反應(yīng)和降解反應(yīng)過(guò)程形態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)控的規(guī)律性;嘗試建立“剪切激光光散射儀”在線觀察準(zhǔn)反應(yīng)加工條件下,多相聚合物體系形態(tài)結(jié)構(gòu)生成過(guò)程的實(shí)驗(yàn)方法。 ? 基本完成聚合、降解或交聯(lián)反應(yīng)的數(shù)學(xué)和物理表述,嘗試建立耦合聚合、降解或交聯(lián)反應(yīng)的流體本構(gòu)方程,并進(jìn)行流體流動(dòng)行為的模擬計(jì)算;初步歸納聚合、降解或交聯(lián)反應(yīng)類(lèi)型以及反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)參 數(shù)對(duì)聚合物流體流動(dòng)行為影響的規(guī)律性。 ? 完成反應(yīng)加工制備的聚合物材料本構(gòu)方程的建立;應(yīng)用大變形有限元方法和其它數(shù)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(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變和厚度分布及變化,認(rèn)識(shí)導(dǎo)致缺陷發(fā)生的主要因素。 20xx 年: ? 借助 Monte Carlo 和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,在復(fù)雜外場(chǎng)(溫度、壓力、剪切和高粘度)下,初步建立體系熔融擠出反應(yīng)混合過(guò)程中體系微觀形態(tài)、界面結(jié)構(gòu)和聚合物分子鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演變的模擬方法,嘗試歸納增容劑分子結(jié)構(gòu)和添加量以及反應(yīng)程度等對(duì)體系微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)形成影 響的規(guī)律性。 ? 完成構(gòu)建復(fù)雜外場(chǎng)情況下,多相聚合物體系的形態(tài)形成理論模型;初步模擬反應(yīng)加工條件下,各種反應(yīng)類(lèi)型、反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)參數(shù)及其外場(chǎng)條件對(duì)形態(tài)生成與演變的影響,嘗試給出控制介觀形態(tài)結(jié)構(gòu)的理論準(zhǔn)則。 ? 反應(yīng)加工過(guò)程模擬:結(jié)合反應(yīng)加工過(guò)程中聚合和降解反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)機(jī)理方面的研究結(jié)果,構(gòu)造復(fù)雜化學(xué)和物理?xiàng)l件下,聚合物流體本構(gòu)方程。模仿反應(yīng)加工條件,揭示不同化學(xué)反應(yīng)和物理環(huán)境對(duì)復(fù)雜流體流動(dòng)行為的影響規(guī)律。 確立在線觀察準(zhǔn)反應(yīng)加工條件下,模型體系態(tài)結(jié)構(gòu)生成過(guò)程的實(shí)驗(yàn)方法。 ? 觀測(cè)不同溫度和變形速率下,厚度分布情況及缺陷 點(diǎn)發(fā)生等,完善反應(yīng)加工方法制備的聚合物材料的本構(gòu)模型。 20xx 年: ? 借助 0 0 03 課題在擠出聚合和擠出接枝或嵌段共聚及降解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),完善復(fù)雜外場(chǎng)條件下,普適性熔融擠出接枝或嵌段聚合反應(yīng)與降解反應(yīng)及其擠出聚合反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模型、反應(yīng)機(jī)理及其模擬方法,建立反應(yīng)加工過(guò)程中,化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控規(guī)律和方法。 ? 結(jié)合“剪切激光光散射儀”觀察準(zhǔn)反應(yīng)加工條件下,伴隨聚合和降解反應(yīng)發(fā)生的模型體系形態(tài)形成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和 04 課題組可視化在線檢測(cè)結(jié)果,完善計(jì)算機(jī)模擬方法,確立和發(fā)展伴隨聚合和降解反應(yīng)的 形態(tài)生成動(dòng)力學(xué)理論。 ? 結(jié)合 0 05 課題的實(shí)驗(yàn)和理論研究結(jié)果,發(fā)展和完善耦合聚合、降解或交聯(lián)反應(yīng)的聚合物流體本構(gòu)模型,給出調(diào)控聚合物反應(yīng)加工過(guò)程中流體流動(dòng)行為的方法和規(guī)律。 ? 完成模擬極限或特定加工條件(高溫和高拉伸速率等)下,拉伸和吹塑成型過(guò)程,建立無(wú)缺陷制品或制件與自身分子結(jié)構(gòu)和流變特性之間的規(guī)律性;對(duì)于反應(yīng)加工制備的聚合物材料,初步確定制品或制件無(wú)缺陷的極限加工條件(溫度和拉伸或吹塑速率極限等)及拉伸與吹塑成型產(chǎn)品合理的厚度分布?;就瓿删酆衔锊牧侠旌痛邓艹尚蛿?shù)值模擬普適性模擬與仿真方法的建立。 5. 預(yù)期研究成果 (1) 建立復(fù)雜外場(chǎng)條件下,聚合(均聚、接枝和嵌段共聚)和降解反應(yīng)的 Monte Carlo和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法;模擬反應(yīng)加工過(guò)程中,化學(xué)反應(yīng)(聚合和降解反應(yīng))的分子生成動(dòng)力學(xué)過(guò)程,闡明反應(yīng)加工過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)機(jī)理;認(rèn)識(shí)反應(yīng)加工過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)機(jī)理與通常聚合反應(yīng)的區(qū)別;提出控制反應(yīng)加工工程中化學(xué)反應(yīng)的基本規(guī)律。 (2) 建立復(fù)雜外場(chǎng)條件下,伴隨化學(xué)反應(yīng)(聚合和降解反應(yīng))的多相聚合物形態(tài)生成與演變的介觀計(jì)算機(jī)模擬方法;模擬反應(yīng)加工過(guò)程中,不同反應(yīng)類(lèi)型(均聚、接枝、嵌段、交聯(lián)和降解反應(yīng))、反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)參數(shù)和加工 條件對(duì)多相聚合物形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律;發(fā)現(xiàn)反應(yīng)加工過(guò)程中,形態(tài)結(jié)構(gòu)形成的調(diào)控規(guī)律;達(dá)到控制反應(yīng)加工過(guò)程中多相聚合物相態(tài)結(jié)構(gòu)的目的。 (3) 建立復(fù)雜物理環(huán)境下(高溫、高壓、高剪切和高粘度等),耦合化學(xué)反應(yīng)(聚合和降解反應(yīng))的聚合物流體流動(dòng)行為計(jì)算機(jī)模擬方法;模擬反應(yīng)加工過(guò)程中,復(fù)雜流體的流動(dòng)行為對(duì)化學(xué)反應(yīng)類(lèi)型(均聚、接枝、嵌段、交聯(lián)和降解反應(yīng))、反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)參數(shù)和加工條件的定性與半定量依賴(lài)關(guān)系;確立優(yōu)化反應(yīng)加工過(guò)程中多相聚合物流體流動(dòng)行為的規(guī)律性;為擠出型反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和反應(yīng)加工制備的聚合物材料性能的提高提供科學(xué)依據(jù) 。 (4) 建立反應(yīng)加工方法制備的聚合物材料的拉伸和吹塑成型過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬與仿真方法;模擬反應(yīng)加工方法制備的聚合物材料在不同加工條件下,拉伸和吹塑過(guò)程中,應(yīng)力分布、應(yīng)變分布、應(yīng)變率分布和厚度分布的演變過(guò)程;揭示加工條件與制品或制件性能以及厚度分布等的定性與半定量關(guān)系的規(guī)律性;提出判斷制品或制件缺陷的理論準(zhǔn)則和無(wú)缺陷制品或制件的極限加工條件;開(kāi)發(fā)拉伸和吹塑成型過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬的軟件系統(tǒng)。 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(shù)不低于三分之一。 四、研究基礎(chǔ) 1. 與本項(xiàng)目有關(guān)的研究工作積累和已取得的研究工作成績(jī) 課題負(fù)責(zé)人安立佳研究員攻讀博士學(xué)位至今, 一直致力于高分子物理與高分子加工方面的基礎(chǔ)理論研究工作,在 聚合物及其混合物體系的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、聚合物混合體系相分離行為的計(jì)算機(jī)模擬、多相聚合物薄膜相分離行為、相容性聚合物混合物玻璃化轉(zhuǎn)變行為和聚合物混合物的結(jié)晶與受限結(jié)晶行為等 5 個(gè)方面取得創(chuàng)新性研究成果。在Macromolecules、 J. Chem. Langmuir 等國(guó)內(nèi)外著名期刊上共發(fā)表研究論文 70 余篇(其中 SCI 收錄國(guó)外核心期刊 42篇);撰寫(xiě)專(zhuān)論 2 章;提交國(guó)際、國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議論文40 余篇(邀請(qǐng)報(bào)告 5篇)。曾主持國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)科學(xué)基金青年基金和面上基金、國(guó)家自然科學(xué)基金專(zhuān)項(xiàng)基金、中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)基金和青年基金和吉林省青年基金等;承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目子課題。 1998 年獲得國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助, 20xx年獲國(guó)務(wù)院政府特殊津貼, 20xx年吉林省第二批省管優(yōu)秀專(zhuān)家。1998 年后,開(kāi)展了聚合物及其混合物薄膜相分離等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)和理論研究工作,在Langmuir 和 Macromol. Theory 4篇;近年來(lái),與吉林大學(xué)數(shù)學(xué)系(黃明游教授研究組)合作正在開(kāi)展復(fù)雜流體力學(xué)本構(gòu)方程數(shù)值解方面的研究工作,取得了很好的進(jìn)展,并應(yīng)用于聚合物復(fù)雜流體。目前,又涉足多相聚合物體系形態(tài)生成與演變計(jì)算機(jī)模擬方面的研究工作,獲得了一些令人滿意的結(jié)果。研究工作發(fā)表后,被多次引用,得到了國(guó)內(nèi)外同行的認(rèn)可與承認(rèn)。 課題主要參加者黃漢雄教授,多年來(lái)一直從事聚合物材料的機(jī)械設(shè)計(jì)與加工成型的理論和應(yīng)用的科研與教學(xué)工作。研究方向主要有“基于模擬仿真的機(jī)械模具 創(chuàng)新設(shè)計(jì)”和“聚合物加工過(guò)程的建模與仿真”。主持國(guó)家和廣東省自然科學(xué)基金、高校博士點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金、廣東省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目、廣東省教育廳“千百十工程”優(yōu)秀人才培養(yǎng)基金等項(xiàng)目,涉及流變學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、高分子材料以及計(jì)算機(jī)模擬與仿真和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科與新理論,實(shí)現(xiàn)了學(xué)科交叉,特色是以機(jī)理研究為基礎(chǔ),促進(jìn)成型機(jī)械的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和新型高性能材料的制備。取得的標(biāo)志性成果主要有: 1) 主要對(duì)聚合物擠出和吹塑機(jī)理及技術(shù)進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。首次提出并研究了“聚合物分散熔融機(jī)理”; 2) 研制出“多邊螺槽對(duì)流式螺桿”和“微米至納米復(fù)合材 料用擠出和吹塑機(jī)械”,已獲得和申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利 3 項(xiàng),并已被應(yīng)用; 3) 成功制備熔體連續(xù)擠出自增強(qiáng)的聚烯烴(拉伸強(qiáng)度比普通制品提高 8 倍多)以及微米至納米復(fù)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。已在國(guó)際與國(guó)內(nèi)核心刊物上發(fā)表論文 60 余篇,有 20 多篇次被國(guó)際三大索引收錄,有 40 多篇次被國(guó)內(nèi)外同行在公開(kāi)出版的論文、專(zhuān)著和手冊(cè)中引用。 課題主要參加者姜偉研究員,多年來(lái)一直從事多相多組分聚合物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、相轉(zhuǎn)變和宏觀性能的研究工作。曾將逾滲模型與 Eyring 理論相結(jié)合 研究了聚合物的屈服行為、脆韌轉(zhuǎn)變與體系的形態(tài)及溫度和形變速率的關(guān)系。在理論上指出以聚合物基體自身的脆韌轉(zhuǎn)變溫度與測(cè)量溫度之差來(lái)衡量聚合物的脆韌轉(zhuǎn)變更具有普適性,并發(fā)現(xiàn)了與聚合物材料無(wú)關(guān)的脆韌轉(zhuǎn)變主曲線和聚合物混合體系脆韌轉(zhuǎn)變的溫度和基體層厚度等效性原理。相關(guān)的研究成果被國(guó)內(nèi)外同行引用,并被權(quán)威綜述論文作為該領(lǐng)域的重要結(jié)果加以介紹( Perkins WG , Polym. Eng. Sci., 39, 2445)。曾用 Monte Carlo 模擬技術(shù)研究了分子間的特殊相互作用、鏈結(jié)構(gòu)等對(duì)多組分聚合物相行為、形態(tài)、 界面結(jié)構(gòu)的影響,有數(shù)篇研究論文發(fā)表在本學(xué)科的國(guó)際核心期刊上。已發(fā)表研究論文 40 余篇( SCI 收錄期刊論文 30 余篇);提交國(guó)際、國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議論文 10 余篇(邀請(qǐng)報(bào)告 1 次)。 課題主要參加者吳淑芳副教授,分別獲得吉林大學(xué)數(shù)學(xué)系計(jì)算數(shù)學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位;自攻讀吉林工業(yè)大學(xué)塑性加工專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位以來(lái),一直致力于大變形有限元的數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)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(shù)值計(jì)算方面較好基礎(chǔ),在材料成型數(shù)值模擬中一些關(guān)鍵技術(shù),如:網(wǎng)格自動(dòng)生成、網(wǎng)格自適應(yīng)重分等方面都有較深入的研究,親自研制了實(shí) 用的自適應(yīng)彈塑性成型數(shù)值模擬軟件,此軟件在本項(xiàng)目中可作為研究數(shù)值模擬軟件的雛形,只需在其中引入粘性、應(yīng)變率、速度等參數(shù)即可,近期主攻方向?yàn)椤熬酆衔锊牧系募庸こ尚偷挠?jì)算機(jī)模擬”。 綜上可以看出,研究組在所申請(qǐng)的基金課題研究方面有相當(dāng)?shù)幕A(chǔ),并取得了一些前期研究結(jié)果,完全有能力完成所申請(qǐng)的基金項(xiàng)目。 2. 已具備的實(shí)驗(yàn)條件,尚缺少的實(shí)驗(yàn)條件和擬解決的途徑(包括利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和部門(mén)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的計(jì)劃與落實(shí)情況) 已具備的實(shí)驗(yàn)條件: 有十臺(tái) PC計(jì)算機(jī)二十個(gè) CPU可用于計(jì)算機(jī)模擬研究,剪切激光光散射儀,掃描和透射電子 顯微鏡, X射線廣角衍射和 X射線小角散射儀,面探測(cè)器 X 射線衍射儀,差熱掃描量熱儀,旋轉(zhuǎn)流變儀,毛細(xì)管流變儀,動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀, PLASTI
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