铝型材挤压有限元有限体积复合数值模拟技术研究

《铝型材挤压有限元有限体积复合数值模拟技术研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、摘要tj＼／、{短周期、高质量、低成本是面向21世纪全球化制造业市场竞争的三大要素。而围现这三大竞争要素的产品创新能力的形成则是应对制造业市场竞争的关键所在。产品创新能力的形成依赖于有效的知识供应和高新技术的驱动，而其基础在于新的理论体系和相应关键技术的研究和开发。铝合金型材以其重量轻、强度高、加工性能好、耐腐蚀等良好的特性，在航空航天、铁道车辆、汽车和民用装饰材料中得到了非常广泛的应用。铝合金型材由于壁薄且截面形状十分复杂，在挤压成形过程中材料的流动极其不均匀从而易于导致挤压产品出王{jl翘曲、扭曲、褶皱等一系列质量问题。这是铝合金型材新产品丌

2、发的一大瓶颈。本文正是针对铝合金型材挤压这一大变形非线性的过程，综合运用材料科学、塑性力学、塑性成形工艺学和计算机技术，研究为铝合金型材挤压质量控制提供解决方案的新型复合数值模拟方法的理论体系和实施技术。有限元方法在分析复杂薄壁铝合金型材挤压这类大变形问题时，由于其理论体系所决定，在材料丌始流进工作带后必须频繁地进行网格系统的刷新以保证单元存有限元计算中的有效性。这种频繁的网格再划分将导致由于新旧网格系统的物理场量传递而产生的严重计算精度损失和计算时间的显著增加，从而使得用有限元方法难以完整地模拟这类复杂薄壁铝合金型材挤压的成形过程。为此，本文首

3、次提出采用有限元法和有限体积法相结合、基于统一求解模式的复合模拟方法，束解决复杂薄壁铝型材挤压的数值模拟问题。≮本文创造性地将用于流体分析的有限体积方法引入金属塑性成形过程中。根据材料在流动过程中所遵守的质量守恒、动能守恒和能量守恒原理和刚塑性材料的体积不可压缩条件，推导出了适用于金属材料塑性变形的质量方程、动量方程、能量方程、本构方程和状态方程。并给出了这～控制方稃组的有限体积求解列式，I_J州提出了速度场、应变速率场、应力场和温度场等物理场量的数值求解方法及其实现算法。本文钏对复杂薄壁铝型材挤压数值仿真的特殊性，对有限元数值模拟的网格划分、时

4、问增量步长的选取、变形体的动态识别等技术进行了详细的研究并提出了实现方法。伞面解决了有限体积法模拟铝型材挤压过程中初始值的获取、速度和摩擦边界条件的处理、变形体的跟踪描述、物理场量的动态表述等关键技术问题。同时，提出了有限元法和有限体积法在复合模拟铝型材挤压过程中各自的应谓范围和两种方法转换的界定方法，解决了从有限元模拟系统到有限体积模拟系统的数据传递和信息继承问题。建立了相应的有限元法／有限体积法统一求解模式的复合模拟系统。统一求解模式的复合模拟系统。本文首先分别利用有限元法和有限体积法，对窗户锁扣型材和门窗型材的挤压成形过程进行了对比模拟研究

5、，详细地分析了两种方法在模拟型材挤压过程中的优势和不足。进而提出有限元法模拟预成形、有限体积法模拟终成形的复合数值分析方法，对窗户锁扣型材的平模挤压和圆管型材的分流模挤压成形过程进行了数值模拟，模拟结果和实际生产证明了该复合模拟技术的高效性和实用性。本文研究的结果不但有效地解决了极度大变形的复杂薄壁铝型材挤压全过程的数值模拟问题，而且显示了有限元法和有限体积法相结合的复合模拟方法对于其他复杂薄壁件塑性成形过程的数值模拟具有一般性和推广价值。关键词：铝合金型材挤压，平蠡分流模，有限元法，有限体积法，控制方程，复合数值模拟，动态跟踪描述ABSTRAC

6、TShortertime，betterqualityandlowercostarethreemostimportantfactorsfacingonthe21“centuryglobemanufactureindustrycompetition．Itisakeysolutiontopromotingproductinnovationbasedonthethreefactors．Toestablishtheproductinnovationcapabilityisdependontheknowledgesupplyinganddrivenbyusi

7、nghightechnologies．Allofthemmustbeonthebasisofnewtheoreticalsystemandcorrespondingkeytechnologiesresearch．Aluminumparisarewidelyusedinaircraft，trains，motorsandbuildingsbecauseoftheirlightweight，highstrength，plasticdeformationabilityandlongtimeduration．Duetothecomplexprofilean

8、dverythinwalloftheextrudedsections，theflowofmaterialsiSnotunifonTlwi