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空心铝合金型材挤压过程数值模拟及模具优化方法研究

陈浩  
【摘要】:能源、环保、安全是关系到人类生存和发展的三大难题。由于铝合金型材产品具有重量轻、强度高、外形美观、易于回收等优点,因此,推广应用铝型材产品是缓解上述三大难题的重要途径之一。目前铝型材的品种规格不断增多,应用范围不断拓展,已由20世纪50~60年代民用建筑为主体,扩展到了机械制造、车辆、船舶、飞机、通讯等各个领域。 挤压成形工艺是实现铝型材生产的关键技术,其工艺水平决定着型材制品的质量和模具的使用寿命。然而在实际生产中,挤压模具的设计和工艺参数的确定更多依赖设计师的经验,模具质量难以保证,需要多次试模和修模才能生产出合格产品。而采用数值仿真技术模拟实际的挤压过程,可以实时跟踪描述金属的流动行为,揭示金属的真实流动规律,获得速度、温度、应力、应变等实验现场难以测量的物理量,预测型材在挤压过程中可能出现的缺陷,并及时对模具结构及工艺参数进行调整,有效减少了试模修模次数,不仅能够提高挤压型材质量,同时也可降低生产成本,缩短模具生产周期。 铝型材挤压成形是一个处在大变形、高温、高压、复杂摩擦条件下的非线性成形过程,涉及力学中的几何非线性和物理非线性,难以采用传统的测量和分析方法研究挤压模具型腔内材料的流动规律和变形机理。本文围绕空心铝型材挤压成形问题,采用数值仿真方法,对铝型材挤压成形工艺进行系统研究,总结模具结构参数和工艺参数对挤压成形过程的影响规律,建立挤压模具的多目标优化模型,开发挤压模具分流孔自动优化系统,探讨复杂大断面型材挤压模具的设计方法,并实验研究大断面型材的机械性能、内部组织缺陷及断裂机理。论文的主要研究工作和成果如下: (1)建立了空心铝型材稳态挤压过程的有限元模型,研究了挤压模具型腔内材料的流动规律及变形机理,获得了挤压模具结构(如焊合室级数、分流孔数量及布局等)和挤压工艺参数(如挤压比、挤压温度和挤压速度等)对材料流动、温度分布情况、焊缝质量、挤压力、模具磨损行为、模具受力状态及变形情况的影响规律。 (2)建立了两种集成有限元模拟技术和人工智能算法为一体的挤压模具优化设计模型。在第一种优化模型中,以获得均匀的型材截面速度分布、最小的模具应力和模芯变形为目标,采用拉丁超立方法进行实验设计,并结合Kriging代理模型和基于Pareto法的多目标遗传算法对一异形空心型材挤压模具进行了优化设计。在第二种优化模型中,选取分流孔形状作为设计变量,结合Box-Behnken实验设计和响应曲面法,分别建立了以型材截面速度均方差、最大挤压力和型材截面最高温度为目标的预测模型,并利用粒子群算法实现了一多腔壁板型材挤压模具分流孔结构的优化设计。 (3)基于各个分流孔通量与其所填充型材面积比的一致性原则,并结合稳态挤压过程的有限体积法,建立了挤压模具分流孔自动优化模型,开发了相应的计算程序。采用上述系统对模具型腔内的金属流动规律进行了模拟分析,并自动修改分流孔形状和位置,实现了模腔内金属的流动平衡。 (4)建立了高速列车车体用材料AA6N01铝合金的本构方程,针对高速列车壁板型材,提出了一种数字化模具设计方法,解决了型材截面速度分布不均的问题,同时提高了型材的焊缝质量。通过测试发现,型材的尺寸精度、机械性能及内部组织均满足工程应用的要求。


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