挤出成型是聚合物材料最基本的加工成型方法之一，而口模的设计又是挤出加工成型的一个重要关键环节。在传统的挤出加工成型中，薄膜、圆管和杆棒等具有规则形状的产品成型比较容易实现。由于聚合物挤出的离模膨胀，使得一些截面不规则聚合物挤出件的成型相当困难。早期，只能凭借经验试凑的反复试验修模设计口模来达到所需制品的形状，新产品的测试周期增长，试制的成本也很高。从20世纪80年代中期开始，国外一些型材挤出口模制造公司依据自身模具设计制造经验和技术，逐步研制开发一些型材挤出模CAD系统，使用数值模拟方法研究口模中流体的离模膨胀，理论、实验和数值研究结合研究设计聚合物口模尺寸和优化加工工艺条件。
进入21世纪后，聚合物加工成型工艺迅速发展，高效率、自动化、高精度成为挤出口模设计的主要发展方向，口模设计制造水平直接影响着聚合物制品品质。在聚合物口模挤出成型过程中，要保证口模内熔体流速足够高，产生的推力足够克服壁面阻力，使聚合物熔体滑移向前运动离开口模，否则黏附在口模壁面的熔体将过塑变性，影响制品品质。在口模内熔体流速又不能太高，否则制品受到的预应力太大，导致制品离模变形大，影响制品品质。因此，挤出口模成型的聚合物制品品质与口模结构、工艺条件、壁面条件和聚合物性质密切相关。研究口模挤出机理对提高聚合物制品品质，进而提高行业的核心竞争力具有重要意义。
2001年，陈晋南课题组在国内首次使用Polyflow软件，数值模拟研究聚合物材料模具挤出成形过程，研究口模内聚合物熔体的流变行为，根据制品截面尺寸反向挤出数字设计橡胶、热敏材料等不同类型的口模，数值模拟聚合物挤出口模的挤出过程，计算口模内熔体的流场和聚合物的离模变形，将数值计算与理论和实验方法相结合，用流变理论分析研究聚合物熔体的离模膨胀行为，优化设计挤出口模结构，优化成型工艺条件，缩短挤出口模的研发周期，提高挤出口模品质，最终提高材料利用率和产品质量。下面综述陈晋南课题组师生数值研究聚合物螺杆口模挤出成型过程的研究工作[59-73]。
2001年，彭炯和陈晋南[59,60]数字设计了矩形和十字型口模，用Carreau模型描述聚丙烯材料的性能，数值模拟矩形和十字型口模挤出聚丙烯的过程，由于物料的挤出胀大，口模与最终挤出物的形状和尺寸完全不同。2001年，胡冬冬和陈晋南[61]数值研究线缆包覆口模的三维等温挤出过程，计算了口模中的速度、压力分布，讨论了包覆层厚度随体积流量、芯线牵引速度和Carreau模型指数n的变化规律。研究结果表明，当芯线的移动速度较小，熔体压力流动占优势，在环隙间，熔体存在最大速度；当芯线的牵引速度较大，拖曳流动占优势，在环隙间熔体无最大速度。压力流与拖曳流的比值是影响包覆层厚度的主要因素之一。在绝大多数情况下，随着该比值的增大，无量纲包覆层厚度也增大。2002年，吕静和陈晋南等[62]用Carreau模型，数值研究两种熔体零剪切黏度、非牛顿指数比对等温共挤出的流动、界面形状和挤出胀大的影响。
2003年，吕静和胡冬冬等[63]用Carreau模型描述熔体的物性，数值模拟两种熔体的二维等温共挤出过程，重点讨论了两种熔体的流率比和牵引速度对共挤出流动情况、界面形状和挤出胀大的影响。同年，朱敏和陈晋南等[64]数字设计了橡胶异型材直流道和非直流道口模，数值模拟分析了熔体速度场和压力场，将模拟挤出的产品截面形状与实际产品相对照，非直流道的结果更为合理，相对误差小于7 %。
2004年，在不同壁面滑移的边界条件下，吕静和陈晋南等[65]用Carreau模型数值模拟两种熔体二维等温共挤出过程，分别计算共挤出熔体流动的速度场、压力场、黏度场和剪切速率场，讨论了壁面滑移对共挤出流场、界面形状和挤出胀大的影响。
2006年，秦贞明和陈晋南等[66]用Carreau模型描述熔体的黏度特征，数值模拟了异向旋转双螺杆挤出机模具过渡和稳流段的三维等温流场。在不同螺杆转速和流量的工艺参数下，分析比较了模具过渡和稳流段内的速度场、压强场、剪切速率场、剪切应力场和黏度场。研究结果表明，在模具过渡和稳流段内，螺杆的旋转是该聚合物熔体流变性能的最大影响因素，螺杆头对高黏度熔体的影响范围不大，只限于螺杆头的周围进入稳流段后，在稳流段作用下熔体的流动逐渐变得稳定均匀。
2007年，李頔和陈晋南[67]用幂律模型研究不同转速下单螺杆挤出圆锥形口模内低密度聚乙烯(LDPE)熔体的三堆等温流场，数值求解口模内LDPE熔体的速度场、压力场、剪切应力场和黏度场，讨论转速对充模流动的影响。随着螺杆转速的提高，口模内LDPE熔体的挤出压力、流动速度和剪切应力都相应增大，黏度减小，有利于LDPE熔体挤出成型。对比数值计算的结果和实验测试的数据，最大相对误差为3.95%。(www.xing528.com)
2008年，陈晋南和吴荣方[68]逆向挤出数字设计了汽车密封件橡胶口模，用Power模型和近似Arrhenius式的乘积描述橡胶表观黏度的非等温本构方程，数值计算口模内橡胶熔体的非等温流场，讨论了温度对口模结构尺寸和橡胶熔体流变行为的影响。研究结果表明，沿熔体流动的方向，非等温熔体的平均速度和平均压力比等温的大，平均剪切应力和平均黏度都低于等温。与实际产品截面比较，非等温模拟的口模截面形状比等温的更接近实际情况。相对误差仅为1.63 %。非等温的数值模拟更接近口模挤出的实际情况。
2008年，陈晋南和胡敏等[69]用幂率模型和近似Arrhenius式的乘积描述橡胶非等温的本构方程，逆向挤出数字设计了F01型汽车密封件橡胶口模，分别数值研究了口模内和离模后橡胶熔体非等温和等温的挤出过程，计算了口模内橡胶熔体的非等温和等温流场，讨论了温度对口模结构尺寸和橡胶熔体流变行为的影响。研究结果表明，在非等温条件下，熔体离模后，温度变化显著，沿着熔体的流动方向，橡胶熔体平均剪切应力逐渐减小，平均黏度增大。非等温条件下的数值模拟更接近口模挤出的实际情况。温度较大影响了熔体离模后的平均速度。与实际产品截面比较，非等温模拟的口模截面形状比等温的更接近实际情况。
2009年，胡敏和陈晋南等[70]数值研究Reifenhauser公司异向旋转双螺杆挤出机(BT65-16)挤出口模的性能。按照工程的要求，数字设计了双螺杆挤出扁口和圆口模具，计算域螺杆直径65mm、机筒长49mm，两种模具过渡段锥角选为28°，总长度相等。扁口模具过渡段长63mm，平直段长70mm，矩形截面长49mm，宽9mm。为保证模具出口截面处熔体流速相等，两种模具出口截面积相等。圆口模具过渡段长87mm，平直段长46mm，圆截面直径24mm。硬质聚氯乙烯(RPVC)本构方程为Cross模型和近似Arrhenius式的乘积，数值计算了两种模具内熔体的非等温流场。研究结果表明，与圆口模具相比，扁口模具过渡段压力小，熔体各物理量沿轴向变化较剧烈在出口截面上，扁口模具内熔体速度和黏性热梯度小，速度均匀性高于圆口模具，但是扁口模具内熔体压力、剪切应力、剪切速率和黏度梯度大，大的剪切应力引起大的离模膨胀。设计模具时应根据物料特性，综合考虑各方面因素来决定模具结构。在工作站上完成全部的计算，计算的收敛精度为10－3，最长一次运算机时为10h。
2010年，陈晋南和彭涛[71]数值研究壁面条件对单螺杆模具挤出成型丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)离模膨胀的影响。用广义Navier定律的壁面滑移系数Fslip确定不同壁面条件，用PTT微分黏弹性模型描述ABS熔体的流变性质，数值模拟了单螺杆模具成型段挤出ABS棒材的黏弹性流动，数值计算了成型段挤出ABS棒材的离模膨胀比。研究结果表明，壁面无滑移时，螺杆模具挤出ABS的离模膨胀现象明显。随着壁面滑移系数的减小，ABS熔体的离模膨胀比迅速降低，壁面全滑移条件下，ABS螺杆模具挤出时几乎不存在离模膨胀现象。壁面条件显著影响螺杆模具挤出ABS熔体的离模膨胀，数值模拟结果与挤出实验数据吻合良好。研究结果表明，ABS熔体模具挤出成型时，随着Fslip的减小，整个熔体流场的速度梯度、压力降、剪切速率和黏度的梯度都减小。壁面滑移模具出口截面熔体的均匀程度优于壁面无滑移。因此，壁面滑移有利于减小模具出口挤出制品的预应力，改善模具壁面条件有利于提高模具挤出成型制品的表面质量。
2011年，在不同壁面滑移和工艺条件下，王建和陶瑞涛等[72]用Cross模型数值模拟模具挤出ABS棒材的过程，正交分析滑移条件和熔体流量对ABS棒材挤出过程的影响。以模具出口处熔体平均剪切速率最小为优化指标，确定了ABS棒材挤出过程的影响因素的排序：滑移系数、熔体流量和模具温度。滑移系数是模具挤出成型过程的重要影响因素，减小壁面滑移系数可提高聚合物制品质量。
2012年，陈晋南和赵增华等[73]根据企业的要求，数字设计双螺杆平行4孔模具，用Herschel-Bulkley模型数值计算模具流道高黏度聚合物熔体的等温流场，分析模具压差对熔体流场的影响。研究结果表明，4孔模具与锥形双孔模具相比，模具4个孔道内的流场基本相同，物料挤出均匀。实验证明，研发的平行4孔模具挤出的产品质量达到标准要求。北京理工大学和企业研发的《一种双螺杆挤出机机头流道结构》2010年曾共同申请了国家实用新型专利[91]。从陈晋南课题组成功的案例可知，设计模具时应根据物料特性，综合考虑各方面因素来决定模具结构。
本节介绍陈晋南课题组模具挤出成型的数值模拟典型成功案例，分为4小节，包括流率和牵引速度对两种聚合物熔体共挤出影响的数值研究、数值模拟汽车密封圈口模内的非等温流动、数值模拟硬聚氯乙烯双螺杆模具挤出过程、数值研究双螺杆挤出平行孔模具内聚合物流场。
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