铝型材挤压有限体积法数值模拟技术研究与系统开发

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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，铝型材在各个领域得到了越来越广泛的应用。但是由于铝型材品种规格多种多样，铝型材挤压过程材料的变形量大，流动规律复杂，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决定挤压件质量的关键环节。依赖经验设计和试模返修的传统生产模式已无法满足铝型材快速发展的需要。在效率就是生命，质量就是关键的市场经济环境下，铝型材企业最重视的就是模具设计加工成功率的提高，所以迫切需要可靠的科学理论来指导工艺及模具设计．使用数值模拟方法能够模拟铝型材挤压过程中金属流动状况，包括速度、应力、应变、压力等各种物理场量的分布及变化情况，由此可

2、以预测可能产生的缺陷，评价工艺及模具结构参数是否合理，并对其进行及时修改，从一定程度上避免了费时、费力、高成本的试模返修过程，从而能够快速合理地进行工艺与模具设计，缩短生产周期。金属塑性成形领域应用最为广泛的数值模拟方法是拉格朗日有限元方法，但是由于铝型材挤压的交形剧烈，挤压比通常比较大，用拉格朗日有限元法模拟铝型材挤压，会遇到严重的网格畸变和频繁的网格再划分，带来CPU计算时间增加、体积损失较大、误差严重、模拟结果失真等问题，甚至当挤压比达到一定数值时，模拟计算会最终因严重的网格畸变和体积损失而难以进行下去．相对于拉格朗日有限元法，基于欧拉网格的有限体积数值模拟方法，因其网

3、格的欧拉描述而能够避免网格畸变和网格再划分，在大变形的体积成形过程的模拟上显示出其优越性。商品化软件Msc／SuperForge是目前唯一基于有限体积法，应用于金属塑性成形领域的数值模拟工具，国内外许多研究者利用其进行了铝型材挤压过程的模拟．但是SuperForge不是专门针对铝型材挤压的软件，并且通过对该软件的应用发现，与有限元软件相比，Supcrforgc在大变形比的铝型材挤压过程模拟方面具有优越性，但计算的精度和模拟的效率之间的平衡问题是Msc／SuperForge软件的瓶颈。Mse／SuperForge使用类似于有限元网格的三角面片包裹金属表面的方法来描述边界，跟踪自

4、由表面，所以当网格比较稀疏的时候，虽然计算速度较有限元方法快，但是模拟结果比较粗糙，三角面片带来的毛刺现象比较严重。要使模拟的挤压件表面质量提高，就要增加网格数量，但是由于Msc／SuperForge中欧拉背景网格尺寸是统一的，不能对用户感兴趣的关键区域进行局部加密，因此模拟质量的少许提高便会带来网格数目的三次方增长，造成计算效率严重下降。本文针对铝型材挤压这种大变形过程，旨在根据热挤压工艺条件下铝合金材摘要料的性质和成形过程的特点，研究铝型材挤压有限体积法模拟的关键技术，寻找适合的途径和方法，建立铝型材挤压有限体积法数值模拟模型，将适合大变形过程模拟的欧拉网格以及有限体积法

5、灵活地引入铝型材挤压过程模拟中来，为铝型材挤压生产实际提供简便高效的理论指导工具。本文细致研究了热挤压工艺条件下金属材料的性质，尤其是铝合金的本构关系，认为，不考虑铝型材挤压中的弹性变形，可以将铝合金视为刚塑性或粘塑性材料，并且铝型材热挤压一般是在铝合金的再结晶温度以上进行，因此金属的动力学粘度主要取决于应变速率与温度，所以将挤压中的铝合金视为非线性牛顿流体，可采用流体力学中简单高效的SIMPLE算法迭代计算铝型材挤压中的速度场、压力场，利用能量守恒方程求解温度场，继而根据铝型材挤压的本构方程，利用求解出的温度和等效应变速率对铝合金的动力学粘度进行更新。铝型材的挤压～般根据材

6、料性质、挤压坯料高径比的不同，分为稳态挤压和非稳态挤压。而实际的挤压过程也分为稳态挤压阶段和非稳态挤压阶段，当坯料的高径比比较大时，稳态挤压在整个挤压过程中所占比重很高。在工业生产中，铝型材的生产一般都是连续挤压，有效的挤压件都是在挤压的稳态阶段成型的，因此对铝型材挤压稳态过程或状态进行模拟非常必要。所以，本文首先进行了铝型材挤压稳态流动过程的有限体积数值模拟。结合铝型材挤压材料的本构方程及材料的特性，研究了铝型材挤压稳态流动过程有限体积法数值模拟的关键技术，推导建立了铝型材挤压过程中动量守恒方程、连续性方程、能量守恒方程的三维离散格式，得到了稳态SIMPLE算法的三维公式和

7、求解流程，提出了铝型材挤压过程中材料粘度的迭代更新方法。给出了迭代收敛的判据，并且实现了网格的局部加密，不仅提高了计算效率，而且保证了模拟质量。在此基础上，利用Vimalc++程序平台，编制了程序，建立了铝型材挤压稳态过程有限体积法数值模拟模型，利用该模型进行了稳态算例模拟，并且与有限元软件DEFORM．3D、CAsFORM，有限体积软件SupcrForge的模拟结果进行对比验证，证明了本文建立的铝型材挤压三维稳态过程有限体积数值模拟模型的正确性和高效性。挤压过程进行到稳态之前的阶段从一定程度上会影响稳