铝型材挤压过程有限体积数值模拟及软件开发技术的研究

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1、山东大学博士学位论文摘要随着国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，铝型材在铁路、航空航天、船舶、建筑、汽车、通讯设备、机械制造、运动器械、家具和装饰等各个领域得到了越来越广泛的应用，世界各国均将铝合金及其产业作为重点发展方向。由于铝型材品种规格多样，并且在挤压过程中材料流动状况复杂，挤压模具承受载荷状况恶劣，使得铝型材挤压产品开发和模具的设计成为一项艰巨的任务。依赖经验设计和试模返修的传统生产模式已不能满足现代化经济发展的需求。在效率就是生命，质量就是关键的市场经济环境下，铝型材挤压生产企业最重视的是提高模

2、具设计加工的成功率，迫切需要以可靠的科学理论指导工艺及模具设计。使用数值模拟技术能够仿真材料流动过程，得到速度、应力、应交，压力等各种物理场量的分布及变化情况，由此可以评价工艺及模具结构参数设计是否合理，从而进行及时修改，代替费时费力的试模返修过程。这无疑是科学指导挤压生产实践的有效理论手段。本文针对铝型材挤压过程进行有限体积数值模拟的建模方法与关键技术、铝型材挤压模CAD系统、空心铝型材分流组合模结构优化cAD／cAE／cAM集成系统等开展了研发，并进行铝型材挤压过程有限体积数值模拟软件关键技术研究及专用软

3、件的自主开发。首先对铝型材挤压工艺及模具结构的特点、铝型材挤压技术发展概况及铝型材挤压过程理论研究方法进行全面的调查研究及总结，综合比较各种铝型材挤压过程的理论研究方法，其中数值模拟技术随着计算机技术的发展而得到广泛应用。相对于广泛使用的有限元数值模拟技术，有限体积数值模拟技术因使用欧拉描述从而能够避免网格重划，显示出其优越性，尤其适用于大体积变形过程的分析，例如挤压和锻造。商品化软件Msc／SuperForge是目前唯一基于有限体积法的可以用于挤压或锻造等金属体积成形过程数值模拟的工具，在此背景下，本文采用

4、Msc／SuperForge对铝型材挤压过程进行数值模拟研究。根据铝型材及其挤压模具的特点，将所研究的型材及模具分为实心型材挤压平面模和空心型材挤压分流组合模并对它们进行系统研究。对实心型材平面模的研究包括挤压比、挤压速度和摩擦等工艺参数及模角、导流结构等结构参数对挤压过程的影响。研究结果表明：1)挤压比的增加使模具载荷增加，材料变形均匀性变差，且存在合适的挤压比使得材料在工作带出口的流速均匀性最好。2)通过使用不同的挤压速度曲线进行模拟发现，使用里线性由高到低变化的速度能显著降低挤压件温升，降低模具载荷及载

5、荷极值持续时间，降低挤压件及模具内应力，摘要从而显著提高挤压件质量，延长模具寿命，提高生产效率。3)对模角的研究发现，采用较小的模角有利于提高模具寿命，降低挤压件温升，而在45。时材料流速最均匀，其次是60。。4)使用导流结构可以大大降低挤压力，调整金属流动平衡，使流速及变形均匀，非常有利于保证型材质量；并且发现导流结构深度和宽度对材料变形均匀性有影响，对所用的实例采用不同的结构参数，分析结果表明导流室深度和宽度分别是料厚的3倍和2倍时材料应力应变分布最均匀。对空心型材挤压模主要研究使用最广泛的分流组合模，针

6、对分流比和焊合室结构参数对挤压过程的影响规律进行研究。研究过程中采取不同的工艺及模具结构参数分别进行数值模拟，比较在不同的参数下挤压力行程曲线、应力应变、温度以及速度分布的特点，结果发现：1)较大的分流比有利于降低挤压力，降低材料内部的应力应变值、挤压件温升，模具内应力及模具弹性变形，从而提高挤压件质量、提高生产效率，延长模具寿命。2)模具载荷受多种因素共同作用，并不单纯地随焊合室深度的增加而增加；焊合室深度越大，模芯弹性变形量越大。从模具寿命及产品质量综合考虑，应在保证焊合质量的前提下采用较小的焊合室深度。

7、且存在合适的焊合室深度使型材出口速度及应力分布最均匀。对铝型材挤压过程来说，产品的质量和模具寿命很大程度上取决于工作带出口处材料质点的速度分布均匀程度，为此本文首次提出了速度相对均差的评价标准对工作带出口截面处的速度均匀程度进行判断，结果表明，通过该参数能够很好地比较不同过程中速度均匀程度的高低，从而评价工艺及模具设计的优劣。分流组合模结构和材料流动状态的复杂性，使得分流组合模受力状况恶劣，并极易损坏。为了分析工艺及模具结构参数对模具受力及变形的影响，对挤压过程在Msc／SuperForge中进行流动分析后，

8、使用有限元软件DEFORM3D对分流组合模进行应力变形分析，得到模具内部应力、应变、温度等的分布及模具变形情况，充分发挥有限体积法和有限元法各自的优势，成功地分析材料流动和模具受力情况，证明是一种非常理想的分析模式．为了发挥计算机知识存储、高速计算以及三维造型等方面的优势，代替人工劳动并充分发掘设计人员的智慧，研制开发了铝型材挤压模具CAD系统，该系统能够根据型材信息对挤压工艺迸行设计并实现自动建模