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国家重点基础研究发展计划
（973计划）
课题任务书
项目名称：高聚物成型模拟及模具设计制造中的关键问题研究
课题编号：2012CB025903
课题名称：高聚物成型过程和“成性”的准确预测和控制。
预期达到以下主要目标：
完善高聚物成型过程粘弹性流动传热过程宏观模拟理论与方法，实现高聚物成型中复杂流变行为和缺陷的精确模拟；
发展高聚物多尺度结构演化的可计算动力学模型和流变本构关系，构建基于局部应力计算和耦合高聚物结构演化过程的跨尺度计算模型，并建立相应的高性能计算方法；
构建多场条件下高聚物成型过程中，模拟分子缠结、纤维取向、结晶形态、以及自由界面精细演化特征的数值计算方法，为跨接高聚物成型过程与制品性能预测的一体化研究奠定基础；
建立高聚物成型过程跨尺度耦合计算平台；
在国际重要学术刊物上发表高水平论文40篇以上，申请专利或软件版权2项以上；
培养高水平、能承担高聚物成型过程多尺度分析前沿研究任务的人才，培养研究生15名以上,其中博士不少于10名。
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三、研究方案及技术路线
研究方案：
选择适当的聚合物研究体系，结合实验制备-分析、理论推导与模型化、数值模拟、实验比对技术，主要研究方案包括：
形态结构演化的机理与建模。通过课题1和课题2的研究，结合实验和模型计算建立聚合物形态结构与剪切场、温度场梯度的关系，联系流变模型探讨成型中形态结构的演化机理，并实现模型化。
成型过程宏观模拟。发展具有数值稳定和空间离散收敛性的有限元-无网格，有限元和有限体积的耦合或杂交，任意Lagrange-Eulerian等高精度和高效率模拟算法，有效地模拟高聚物流体一些特殊的流变学行为。
成型过程中流场与形态演化的耦合计算。一是利用局部应力的计算来实现跨尺度耦合。采用Lagrangian流体动力学算法计算流体单元的对流，追踪流体单元的变形“历史”和“记忆”，包括分子链构型的“记忆”，计算过程中放弃本构模型，局部应力直接采用粗粒化近似来计算。二是通过构建耦合质量、动量、能量三大守恒方程与结构演化过程动力学方程的一体化跨尺度关联模型，来实现跨尺度计算。
模拟结果的实验验证。对成型试样切片进行热分析与光学分析，测定结晶度、皮层厚度、晶粒大小、取向度、分散相、弹性模量、翘曲度和收缩率等沿不同方位的变化，并与模拟结果进行比对。
技术路线：
本课题将从宏、介、微观三个层次出发，基于微观分子动力学的经典统计力学、介观过程动力学热力学和宏观流体动力学连续介质力学理论基础
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，从双尺度模型与算法研究开始，逐步实现宏、介、微观多尺度贯通。主要技术路线见下图，
研究微、介观结构形成、演化的物理、力学机理
建立热、力耦合作用下微观大分子构型演化的数学模型及相应的计算方法
建立各相异性条件下介观纤维取向演化的数学模型及相应的计算方法
建立介观球晶、串晶等结晶形态演化的数学模型及相应的计算方法
研究面向黏弹性复杂流体宏观模拟的数学模型及高性能计算方法
建立宏观流动与微观大分子构型演化相耦合的宏、微观双尺度模型及相应的计算方法
建立宏观流动与介观纤维取向演化相耦合的宏、介观双尺度模型及相应的计算方法
建立流动诱导结晶的宏、介观双尺度模型及相应的计算方法
建立耦合宏观流场、介观纤维取向和结晶、微观大分子构型的跨尺度关联模型及相应的计算方法
建立面向高聚物成型过程中非平衡热力学、动力学问题求解，且集成熔体充模、保压、冷却过程为一体的宏、介、微观耦合的跨尺度关联模型、高性能计算方法及其相关软件
基于所建立的跨尺度关联模型和相关的计算方法，探索高聚物成型过程中微、介观演化形态与最终制品宏观力学性能间的科学定量关系
创新性：
本课题将针对高聚物复杂流体非平衡热力学、动力学问题的求解，建立宏、介、微观耦合的跨尺度关联模型及高性能计算方法。因此，从理论上推进高聚物成型过程模拟研究的深度，使其数学模型及相应计算方法的建立具有宏观、介观、微观相互耦合、相互关联的多尺度特征是本项目的特色之一。
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本课题的研究，不仅关注制品的“成型”问题，更是致力于解决制品的“成性”问题，并为制品最终的“服役性”问题解决提供理论支撑，是“构建从成型到产品性能定量预测全过程的模型和计算理论”的关键。
将十分重视吸纳化学工程（高分子流变学）、力学（流体力学、材料力学）、物理（统计物理）、数学（计算数学、应用数学）等学科的先进研究成果。因此，在基础理论研究与实际工程应用相结合的基础上，具有明显的学科交叉与融合特征。
可行性分析：
（1）前期研究工作为本课题的顺利完成奠定了学术基础
“十五”和