基于数值模拟的等温挤压研究

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1、金属热挤压过程的模拟仿真研究摘要在常规金属热挤压过程中，由于坯料的变形和温度的不均匀分布，导致产品的尺寸、形状、组织和性能等不均匀性，而等温挤压对于减小这些不均匀性，是一种理想的方法。根据现有对等温挤压技术的研究发现，闭环控制等温挤压技术目前已经成为国际上最先进的等温挤压技术。但由于现有测量和控制技术的原因，该方法难于在实际挤压过程中得以推广。所以本文提出了采用闭环控制理论中的增量式数字PID控制算法同有限元模拟挤压过程相结合的方法，根据测量的工件出口温度的变化实时改变挤压速度，以实现模拟等温挤压控制。将所得的挤压速度曲线应用到实际挤压过程中，实现等温挤压的目的。同时

2、本文还提出了利用DEFORM-3D软件的ALE有限元算法模拟计算一般Lagrangian算法无法解决的大截面型材的挤压模拟问题。本文首先对AZ31镁合金常规等速挤压过程进行了模拟仿真。通过挤压实验的验证，得出挤压力、模具温度的变化，模拟和实验结果吻合较好，模拟过程取得很高的精度。随后利用增量式PID控制算法同有限元模拟挤压相结合的方法，研究AZ31十字型材和方管的等温挤压过程，并与等同挤压速度的恒速挤压过程进行比较分析，结果发现：利用PI算法控制工件的温度，可以很好的实现不同型材的等温挤压过程模拟，控制误差为±2℃，同时可以得出实现等温挤压的挤压速度曲线；对于较大挤压

3、比的挤压过程，如本文的方管挤压，对温度的等温控制显得更加有必要，可以很明显地改善常规大挤压比挤压时高温升对挤压制品的影响；在相同挤压效率的情况下，等温挤压较常规等速挤压更有利于实现挤压制品截面质量的均一性，模具的温度变化更加均匀，有易于延长模具的使用寿命。最后利用DEFORM-3D的ALE算法模拟了大截面矩形管和圆管在挤压到达稳态时的过程，模拟结果得出：挤压过程中温度场和速度场的分布，真实的反映了实际挤压过程；通过对金属流出模口时速度的分析，对挤压模具的设计提出有效的建议；同时计算效率得到了很大的提高，减少了计算机资源的消耗。关键词：挤压；模拟；等温挤压；镁合金；PI

4、D；ALEII硕士学位论文AbstractIntheconventionalhotextrusionofmetallicmaterials,thetemperatureoftheworkpiecevariesduringthewholeextrusionprocess,leadingtothenon-uniformityoftheproductdimensions,shape,microstructure,propertiesandsoon.However,theisothermalextrusionisanefficientmethodwhichcanreducet

5、hiskindofnon-uniformity.Presently,theclosed-loopcontrolisothermalextrusiontechnologyhasalreadybecamethemostadvancedtechnologymethodforcontroloftheextrusionexittemperature.Butitisdifficulttopopularizeandapplyintheactualextrusionindustryduetotheinaccuracyofthetemperaturemeasuringequipment

6、andthelowefficientofthecontrolsystem.Therefore,thisarticleproposedthemethodwhichwasaFEMsimulationmodelbasedontheincreasingtypenumericalPIDalgorithm.Inthismodel,therealtimeextrusionramspeedwasadjustedaccordingtothesimulatedexittemperatureattherealtimeinordertoobtainthesimulationisotherma

7、lextrusion.Theramspeedcurvewhichobtainedfromthesimulationisothermalextrusioncouldbeappliedtorealizetherealisothermalextrusion.AtthesametimetheALEarithmeticFEMmethodinDEFORM-3Dsoftwarepackagewasusedtosimulatethesteadystateextrusionoflargesizedcrosssectionextrusion,tosavecomputat