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铝合金型材挤压的数值模拟及模具结构优化研究

潘健怡  
【摘要】:铝合金型材挤压是一项高效精密的塑性成形技术,随着中国经济的腾飞,铝合金型材的生产、应用和消费得到迅猛的发展。铝合金挤压成形的核心环节在于挤压模具的设计、制造与使用。在我国铝材挤压行业中,挤压模具的设计仍普遍处于经验类比的设计阶段,模具的一次上机成功率只有50%左右,严重制约了我国铝挤压行业的发展。而又由于铝合金型材的挤压成形工艺相比其他塑性成形方法具有品种多样,生产周期短等特点,因此,在保证计算精度和正确性的情况下,如何加快现有分析和建模的速度,缩短分析时间,提高计算的效率,对引入数值模拟的设计手段具有重要的意义。 本文主要研究了铝合金型材挤压的数值建模方法,利用任意拉格朗日欧拉法通过权函数的设置,采用欧拉描述表征金属在模腔内部的流动过程;而采用拉格朗日描述表征金属挤出模孔后的自由变形过程。通过这样的处理,可以比较理想的分析复杂的铝合金型材件的挤压稳态成形过程。通过并且将分析结果与实验结果对比,证明了模拟分析的可行性和准确性。 在F. Halvorsen和T. Aukrust对挤压成形屈曲产生机理的研究上进行了更深一步的研究,结合了出口速度场标准速度场偏差(SDV)的评价方法,提出了以相对标准速度场偏差(RSDV)的出口速度场评价函数代替原来标准速度场偏差(SDV)的方法,作为评价型材挤出是否能够稳定成形的判定依据。并针对挤压成形金属挤出的实际情况,在瞬态分析中采用与时间相关的动态评价依据。并通过数值算例,对挤压出材的稳定性进行判定。最后通过正交设计方法,对一款双T形截面型材的挤压工艺参数进行优化,探讨了一种挤压行业工艺和模具尺寸标准化的方法,并通过实验验证,证明了经过优化后的工艺合理,实验结果与数值模拟结果相吻合。通过出口速度场判据作为优化的目标,可以作为建立挤压行业标准化的方法之一。 提出了一种面向大型空心截面型材结构的圆弧形入料口模具设计方法,与两种常规设计方法的受力和金属流动情况对比,发现圆弧形入料口模具设计方法在分流孔的分布,焊合室形状、深度等主要结构参数一致的前提下,挤压过程形成的挤压静水压力和材料的流动均匀性基本一致;而模具的受力情况大大改善。经过计算比较,圆弧形入料口模具方案承受的最大von Mises等效应力只有水平入料口方案的75.0%和沉桥入料口方案的72.3%;整体的应力负载也下降了10%~20%,并且分布更趋于均匀。 提出了一种通过数值方法模拟模具在工作条件下的弹性变形,对模具的弹性变形做出定量的判断和设计的方法,对一款典型的非对称多模芯的型材截面的模具弹性变形对型材壁厚的影响进行了详细的分析,通过有限元模拟和实验进行对比,证明了数值模拟手段在复杂模具的壁厚精确设计上的可行性和准确性,可为模具的设计制造与使用提供依据,提高设计的成功率,降低生产成本。 提出了一种基于刚粘塑性有限元稳态分析的铝合金型材挤压数值建模方法,对铝合金型材挤压成形过程进行数值模拟,计算结果与实验比较吻合良好。针对挤压成形过程的流动变形机理及特点,采用适当的简化和假设,避免了有限元方法大变形成形时产生的网格畸变和网格重划分,以及网格流动可能造成的累积误差,保证了计算的准确性。并对该方法的计算结果进行了详细的分析,总结出判定计算结果是否可靠的判定标准,以及误差产生的原因。经过多次实际的工程应用,证明了本建模方法在模拟复杂型材件的挤压成形过程上的可行性,为优化模具设计和提高模具试模的成功率,提供了能够满足于铝合金型材挤压模具的响应周期的有效的预测分析手段。


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