橡胶混炼是橡胶加工过程的关键环节,混炼胶质量的好坏不仅影响着后续加工工序,而且更会影响橡胶制品的性能和使用寿命。混炼过程中存在着分布混炼和分散混炼,这两种混炼的效果决定着混炼胶的质量、生产效率以及单位能耗。因此对橡胶混炼过程和机理开展深入地研究,无论是对于完善橡胶混炼理论的研究还是对橡胶加工装备的应用都具有非常重要的意义。研究密炼机混炼过程主要是研究密炼室内部胶料流动机理及变化情况,然而工作状态下的密炼室为密闭的不透明结构,在混炼的过程中难以对密炼室中胶料的流动情况进行直观的观察,因此,数值模拟与可视化技术对混炼过程和机理的分析都具有重要的作用,应用该技术可直观地分析密炼室内部胶料受转子剪切-挤压-拉伸形成的流动状态,更好地分析转子结构对混炼过程的影响,为转子的优化设计以及实现混炼工艺的优化提供了理论支撑。本文采用有限元和离散元共同分析的方法对密炼机混炼过程进行了动态模拟,并通过自主研制的可视化密炼机实验平台对混炼过程中胶料流动机理和变化情况进行了观察和分析,同时通过相关实验进行了验证,证明了数值模拟技术与可视化研究能有效地反映出混炼过程中胶料的流动状况。本文完成的主要工作如下:1.动态模拟了密炼机混炼过程的流动特性。利用同一个物理模型,应用有限元和离散元两种数值模拟分析手段,进行了数值模拟的动态研究,结合混炼过程的特点实现对橡胶混炼过程更真实的动态模拟表征,建立了相应的瞬态计算模型;通过转子转动的各个时刻入手,从压力场、速度场以及剪切粘度场等方面研究了物料在密炼室内的连续化流动形式;再通过对各个时刻离散化模型的分散状态进行观察,了解各个时刻下混炼胶的速度分布以及分布分散混合情况,最终达到计算机数值模拟对混炼过程动态表征的目的。2.研制出了可视化的密炼机实验平台。应用3D打印技术实现转子模型的快速成型,建立了一套可应用于可视化平台上的转子库;在可视化密炼机实验平台中加入带有颜色粒子的胶体,可动态地展现出胶料在混炼室中的轴向以及环向流动情况;直观地反映出胶料在密炼室中的受到剪切与混合状态;通过可视化平台的实验研究进一步验证了数值模拟的准确性。3.开发了密炼机转子参数化设计研发平台,可实现切线型转子的参数化设计、数值模拟优化以及转子的3D打印,再通过可视化密炼机实验平台进行转子效果的验证,继而进行密炼机实验机台转子的开发以及中试机台转子的放大,最终实现优化后密炼机转子的产业化应用。4.实验研究了异步/同步四棱转子以及不同初始相位角的四棱同步转子的混炼效果,对混炼过程的胶料流动情况进行了对比,研究了不同构型转子作用下混炼胶制品的性能差异,间接地表征密炼室内部的混炼情况。同时将可视化实验平台观察到的结果和计算机数值模拟以及混炼实验的结果进行对比,结果一致并表现出:同步转子胶料的流场与混合情况优于异步转子,另外同步转子相位角中0°相位角反映出的吃料能力强且混炼胶炭黑分散均匀性最佳。