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铝型材热挤压模具三维热力耦合分析与优化设计研究

陈乐恒  
【摘要】:挤压铝型材由于其重量轻、强度高、耐腐蚀、造型美观等优点,在建筑、机电产品、交通运输、航空航天等领域得到了广泛的应用。作为其最重要的成形设备之一的热挤压模具,不仅决定着型材的产品质量,而且还是决定挤压生产能否顺利进行的关键因素之一。同时,热挤压模具的使用寿命直接影响到生产成本的高低。我国是铝型材生产和消费大国,但铝型材热挤压模具的使用寿命和发达国家相比还很低。因此,对提高铝型材热挤压模具使用寿命的方法和措施进行研究,将具有巨大的经济效益和社会效益。 大量的生产实践和理论研究表明,热挤压模具的失效与模具结构、工作时的受力状况、温度分布和内应力分布等因素密切相关。因此,对热挤压模具进行热力耦合分析,有助于在对模具加工之前发现其不足,进而对模具结构进行优化设计,代替传统的工程类比设计方法和“试模”、“修模”工序,将有助于提高模具质量和生产率、减少材料消耗和降低生产成本。 本文以典型的热挤压模具----多边形铝型材热挤压模具为研究对象,对其主要做了以下几个方面的研究: 1.在充分分析热挤压模具结构的基础上,以大型有限元分析软件ANSYS为开发平台,结合其参数化设计语言APDL,建立起热挤压模具的三维参数化几何模型,为后面的热力耦合分析做准备; 2.以弹塑性理论和传热学为基础,建立了热挤压模具材料的热弹塑性本构方程、温度场数学模型、热应力场数学模型以及热力耦合应力场数学模型; 3.以有限元法为基础,对模具的温度场、热应力场以及热力耦合应力场进行了数值模拟,找出了引起模具分流桥与模芯结合处产生裂纹的原因是:模具体内的应力分布不均,分流桥与模芯结合处应力高度集中; 4.选取模具主要结构参数,计算分析了其与模具体内最大等效应力之间的关系,并以这些参数为优化设计变量,对模具结构进行优化设计计算,得出最优解。优化后,模具体内的最大等效应力下降了33.5%; 5.采用相同的理论和方法,对方管铝型材热挤压模具进行了热力耦合分析和优化设计,计算分析结果和模具实体在分流桥与模芯结合处产生裂纹的实际失效形式相符,验证了所用方法和理论的有效性,为这些方法和理论的推广应用奠定了基础。


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