（材料加工工程专业论文）铝型材挤压过程数值模拟及模具优化设计.pdf

沈阳丁业大学硕士学位论文 摘要 目前，铝合金型材在日常生活及生产领域应用越来越广泛，用挤压的方法生产大型 工业用铝型材，既节约金属又具有很高的生产效率。在铝型材挤压工艺生产中，经常凭 借经验和反复试模、修模来调整模具结构，造成人力与物力的耗费；由于挤压模具内部 是封闭的，因此材料的流动、应力与应变场的分布以及模具载荷情况都很难监测与控制。 为了解决这些问题，本文以平面分流组合模挤压a 1 6 0 6 1 圆管型材为研究对象，通 过刚塑性模拟软件d e f o r m 3 d 对6 0 6 1 铝合金挤压过程进行了模拟，从而成功地实现 了模具结构的优化。 本文首先论述了平面分流组合模的模具设计原则，以及刚塑性有限元理论；然后应 用大型体积塑性成形模拟软件d e f o r m 一3 d 对a 1 6 0 6 1 圆管型材挤压工艺过程进行了模 拟，找到实际模具失效的原因是由于应力集中造成的。 基于此原因，提出了优化方案，改变分流比、焊合角以及焊合室的高度。为了达到 合理的优化方案，系统地研究焊合角和焊合室高度对分流模的影响，分别研究焊合角为 2 5 。、3 0 。和4 5 。以及焊合室高度为4 5 i m 、6 0 m m 和7 0 衄时对模具受力的影响，从 中找出规律。 利用研究得出的规律，对模具进行结构优化。其中包括改变模孔数量，增大分流比， 改变焊合角和焊合室高度。另外，在实际工作中模具由于受力还会发生变形，产生挠度， 所以针对此套模具的受力情况还计算出了其最大挠度值，这对于实际加工模具提供了理 论依据。通过以上改进，使模具寿命有了明显的提高。 在实际挤压中发现，分流孔面积相同时离中心越近的基础速度越大，所以为了确保 各部分流速相近，本研究创新性地利用数值分析，对在挤压筒半径为1 2 5 m m 时的挤压 出口速度和分流孔面积以及其在模具中的位置建立了数学关系式。通过此关系式，可以 在已知其中一项的条件下，计算出其它两项，从而达到控制挤压出口高度和出口流速的 目的，为模具设计提供了理论依据。 关键词：分流组合模，挤压，a 1 6 0 6 1 合金，数值模拟，优化设计 铝型材挤压过程数值模拟及模具优化设计 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o ra 1 u m i n u mt u b ee x t m s i o np r o c e s s a n do p t i m u md e s i g no fd i e a b s t r a c t f o rt b ep r c s t t l l e 砸eo fa l 啪i n u ma 1 1 0 yp r o f i l eb e c o m e sm o r ea i l dm o r ep o p u l a r e x n u d i n gm e t l l o di sc o m m o i l l yu s e di nt h ep r o d l l c t i o n ，b e c 孤l s ei tc a nn o to n l ys a v er a w m a t e r i a l ，b u ta l s oh 鹊1 1 i g hp r o d u c t i v i t y s oi ti st a k e ni i l t oa c c o u n ti 1 1 c r c a s j n g l y h o 、 ，e v e r ，d i e d e s i 印o f t 饥d 印饥d so nt h ee x p e r i 锄c ea i l d 仃i a l a n d - r0 v e ra 1 1 do v c ri np r o d u c t i o n h l a d d i t i o n ，m ep a t t e r no f m e t a ln o w ，s 订e s sd i s 啊b u t i o l l ，s 删nd i s t r i b u t i o na i l ds 仃e s so f d i ea 舱 l l i l c l e a rb e c a u s em ee x 协l s i o np m c e s si sa c c o m p l i s h e di nac l o s e dc h 锄b c r h lo r d e rt os o l v et h e s ep m b l e i n s ，a 1 6 0 6 1a l l o yp m f i l eo fc i r c u l a rt u b ei sa i l a l y z e d t h e c 】( 缸u s i o ni ss i m u l a t e db ym e a l l so fr i 百d p l a s t i cf e ms o f h v a r cd e f 0 衄- 3 d a n di ti s i m p l e m e n t e dt h e 叩t i m 吼d e s i g n f i r s t l y ，“i si n 仃o d i l c e dd e s i g np r i n c i p l eo f t l l ep o r t h o l ed i ea n dt h et h e o r yo f r i 百d p l a s t i c s e c o n d l y ，m ep a r 锄e t e r sa n dp r o c e s so fc x n u s i o nc m ro fa 1 6 0 6 1a l l o ya r ec a l c u l a t e db y d e f o i m s u b s e q u e m l y ，i ti sf o l l n dm a tt 1 1 er e a s o no f d i ed 锄a g ei ss 仃e s sc o n c e n 仃a t i o n b a s eo nt l l i sr e a s o n ，t h em e t h o do fo p t i m u md e s i g ni se s t a b l i s h e d f o ro b t a i n i n gt h e r a t i o n a lm e t l l o d ，t h ee 仃e c to nw e l d i n g o na n g l ea i l dw e l d i n g o nh e i g h ti ss t u d i e d ，i n c l u d e d 2 5 。，3 0 。，4 5 0 a 1 1 d4 5 m m ，6 0 m m ，7 0 m m ，卸dm em l ei sf b u n d t h cs t u d yu s e dt l l ei a wt od i ef o rs 仇l c t l l r a lo p t i m i z a t i o n t h e s e 疵1 u d ec h a i l g e si nt h e n 姗b e ro fd i e ，i n c r c 嬲i i l gd i v e r s i o nr a t i o ，c h a n 西n gw e l d i n ga n g l ea n dw e l d i i l gr o o ml l i g h 1 1 1 甜d i t i o n i nt l l ea c t i l a lw o r kd i ew i l lb ed i s t o r t e dd u et oh a v ed e n c c t i o n s of o rm e s ed i e si ti s c a l c u l a t e dt h em a x i m u md e n e c t i o n np m v i d e sat h e o r c t i c a lb a s i sf o rm ea c t i l a lm o l d b yt 1 1 i s i m p m v e m 饥t ，d i el i f eh 勰b e e nn o t i c e a b l yi m p m v e d s q u e e z ei ti sf o i l n dm a tf o rt l l es 踟ea r e ao fc c n t r a l “e m 锄t h ef a n h c r 丘d mt h ec e m e r ， m es p e e di sg r e a t c r t h eh e i g h ti sg r e a t e ri nt h es a n l et i m e h lo r d c rt oc n s u r et h es i m i l a rn o w r a t e ，m em a t h e m a t i c a lr e l a t i o no f e x t n i s i o nr a t ea n dt h ea r c aa i l dp o s i t i o no f p o n h 0 1 eh o l e sa r e c r e a t e di l le ) 【t m s i o n d m mm d i l l s1 2 5 m m ，i ti sn e w l y b yu s eo ft h er e l a t i o n a le 】( p r e s s i o n ，i t c a i lb ec a l c u l a t e dt h eo t l l e rp a r a m e t e r si ft h eo n ei sl m o w n t h u s ，i tc a i lb ea c h i e v e d 沈阳工业大学硕士学位论文 c o n t m l l i n ge x p o nh e i g h ta 1 1 de x t n i s i o nn o w ，w l l i c hp r o v i d e sa t l l e o r e t i c a lb 髂i sf o rm ed e s i g n o f t h ed i e s k e yw o r d s ：p o r t h o l ed i e ，e x t 邝s i o n ，a 1 6 0 6 la u o y ，n u m e r i c a is i m u l a t j o n ，o p t i m u m d e s 蟾n 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：i 习鱼日期：2 z ：! ! ：堑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：【习篮 导师签名：主tc 己 沈阳工业大学硕十学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源、依据及研究目的和意义 挤压技术开始于1 8 世纪末，经历了2 0 0 余年的发展变化。挤压分为冷挤压、温挤压 和热挤压【”。铝型材挤压属于热挤压，是指将铝合金高温铸坯置于专用模具( 机头) 内， 在挤压机提供的强大压力作用下，按给定的速度，将铝合金从模具型腔中挤出，从而获 得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的铝合金挤压型材。铝型材挤压成形过程非常 复杂，除了圆形截面铝型材的挤压属于二维轴对称问题外，一般而言，其它形状的铝型 材挤压属于三维流动大变形问题。因此，挤压模具的设计制作质量和其使用寿命就成了 挤压过程是否经济可行的关键之一。 挤压模具是挤压工艺过程的基础，不仅决定挤压产品的形状、尺寸精度和表面状态， 而且还影响挤压成形力及产品的组织和性能。因此，挤压模具是挤压技术的关键，对挤 压过程起着特殊重要的作用。而挤压模具的优化设计又是获得经济而合理的模具的重要 手段。 现有的挤压过程与模具设计主要依赖于挤压操作者和设计者的经验与知识，挤压过 程与模具设计大部分采用经验数据、试模与修正的方法。因此，现有的挤压技术是经验 与技巧的积累，需要科学研究来指导，这主要是由于挤压过程固有的复杂性，即材料流 动预测的困难性、材料组织性能的变化、挤压过程中压力与速度的不恒定以及材料工具 表面摩擦生热同时进行热量传递的不稳定性等造成的【2 翔。 据不完全统计，由于挤压模具的早期失效或使用寿命低每年造成上百亿美元的损失 ( 我国的初步调查，全国由于模具寿命低而带来的直接或间接的经济浪费，估计每年不 下亿元) 。因此，世界各国十分重视和关注，纷纷拨出专款，组织专家对挤压模具的失 效问题进行跟踪观察、调查分析、统计归类；研究各种失效形式产生的具体原因和理论 机制：而寻求防止出现早期失效的技术措施和提高模具使用寿命的途径。这方面的研究 工作，美国、只本和原苏联等国走在前面。早在8 0 年代，日本的家田诏夫、安保满夫等 人以及原苏联的ca 多夫拉尔等人就对铝挤压模具的失效、使用寿命、裂纹与磨损、破 坏的热力学、失效机理、提高模具寿命的途径等问题进行了广泛的研究，并发表了不少 铝型材挤压过程数值模拟及模具优化设计 很有价值的论文或专著。各国科学家利用现代科学的巨大成就，如二电子计算机技术、 有限元等数值模拟与物理模拟技术、电子显微镜技术、断裂力学、热磨损热疲劳模拟技 术、现代表面技术等方面的研究成果与先进技术对铝挤压的失效和寿命问题进行了更深 入广泛更有实用价值的研究，并取得了长足的进步1 4 】。 目前，我国型材挤压模具设计基本上还停留在传统的依靠工程类比和设计经验的积 累上，所设计制作的模具需经反复试模和调整才能保证其成功地投入使用，从而造成企 业不时停工待模，影响正常生产；同时也导致挤压产品质量不高，模具使用寿命较短等诸 多缺陷。因此，随着铝型材产品不断向大型化、扁宽化、薄壁化、高精化、复杂化和多 用途、多功能、多品种、长寿命方向发展，改进传统的模具设计方法已成为当前铝型材 工业发展的迫切需求。 本课题针对山东丛林集团具体的模具使用情况，通过利用d e f o r m 软件对铝型材挤 压成形过程进行数值模拟，在模拟过程中对挤压工艺参数进行改进，希望得到更合理的 工艺参数，同时对模具进行优化设计，以便有利于工件进行挤压，将合理的工艺参数及 模具结构用于实际生产中，以此提高模具的使用寿命减少试模次数提高生产效率获得良 好的经济效益。 1 2 国内外课题研究现状及概况 1 2 1 国内外铝型材挤压成形工艺现状及发展趋势 铝合金型材挤压技术在汽车、船舶、铁路、航空、航天等工业领域以及建筑等民用 领域越来越显示出其重要地位。目前，国际上铝合金型材挤压技术发展迅速，世界各发 达国家已装备了各种形式、各种结构、不同吨位的铝型材挤压机，铝型材挤压正在向大 型化、复杂化、精密化、多品种、多规格、多用途方向发展，挤压生产也日趋连续化、 自动化和专业化。目前，不仅发展了一些先进的特殊结构的大型挤压机，而且研制了多 种类型的挤压结构的模具以及新的挤压工艺，并能挤压出各种外形复杂的实心、空心制 品。我国的铝型材挤压技术起步较晚，尽管目前已有1 0 0 0 多家生产铝型材的国有企业， 拥有2 0 0 0 多台挤压机，但无论从挤压产品的质量还是从挤压生产的效率和标准化程度来 看，都与世界先进水平存在较大差距【5 】。 沈阳工业大学硕士学位论文 日本自2 0 世纪7 0 年代以来，就开始研究了各种各样的挤压加工方法，如静水挤压、 连续挤压等技术早已进入实用阶段。目前也在不断地开发研制出新的特殊挤压技术，如 连续挤压拉拔技术、可变断面挤压技术、新材料新功能挤压技术、弯曲挤压技术以及精 密挤压技术等。其挤压产品已大量应用到建筑、家电、汽车、船舶以及高速列车等行业 中。在挤压领域，美国从基础理论到生产实践都走在世界的前列。俄罗斯在铝合金型材 挤压方面也占据十分重要的地位，自1 9 5 6 年就开始了铝合金壁板的生产，我国有很多挤 压技术到现在还仍然沿用前苏联的技术。英国、意大利、法国、挪威、瑞典、加拿大以 及澳大利亚等国的铝合金型材挤压技术也发展到了相当高的程度。 我国的铝型材挤压技术的研究主要内容为改进现有模具结构、开发各种新的结构以 及进行冷却系统和润滑系统的研究，以提高模具的寿命和产品的质量，研究金属流动规 律以及模具和挤压加工过程的温度场、速度场、应力应变场及其变化规律；在计算机上 用f e m 对挤压过程进行数值模拟，以指导设计模具和制订工艺规程工作。 1 2 2 铝合金挤压型材分类及常用合金 目前，比较典型的挤压铝合金包括以下几种：1 0 3 5 、3 a 2 1 、6 0 6 1 、6 0 6 3 、6 a 0 2 、 5 a 0 6 、2 a 7 0 、2 a 1 2 、2 a 0 6 和7 a 0 4 。铝合金的成分不同，其挤压性能也就不同。变形铝 合金的可挤压性是定性地评价铝合金挤压能力的一项综合指标。可挤压性的含义是指合 金以高的流出速度、变形程度和低的挤压压力进行挤压加工的相对能力，其影响因素主 要包括合金的特性和断面形状复杂程度【”。 1 3 国内外挤压模具优化设计研究现状及概况 1 3 1 挤压模具优化设计研究现状 挤压模具设计和制造技术是铝合金型材挤压技术的核心，是保证产品形状、尺寸和 精度内外表面质量的最为重要的因素。目前，挤压模具材料经历了一个由碳素工具钢一 低合金工具钢一高合金工具钢一高级合金模具材料的发展过程1 7 1 。一般说来，挤压铝合 金制品时，模具要承受长时间的高温挤压、激冷激热、反复循环应力的作用；承受偏心 载荷和冲击载荷作用；承受高温高压下的摩擦作用。选择铝挤压模具材料时，应考虑到 以下因素：被挤压的铝合金的性能；产品品种、形状和规格；挤压方法、工艺条件和设 备结构；挤压模具的结构形状与尺寸；材料的价格等。 铝型材挤压过程数值模拟及模具优化设计 近年来，美国已经用h 1 3 ，而日本则采用s k d 6 1 代替了原来的模具钢，采用电渣重 熔炉外在线精炼，冶金质量可靠，并开始研制陶瓷、高温和粉末合金等新型模具材料， 而我国的模具钢仍在相当大的程度上依靠3 c r 2 w 8 v 钢。目前，我国铝型材行业热挤压模 的选材，从3 c r 2 w 8 v 钢过渡到4 c r 5 m o s i v l 钢，用量之大，十分惊人，珠江三角洲的铝 材生产发展较快 8 】o 近年来，世界各国投入了大量人力、物力和财力致力于挤压模具优化问题的研究。 由于大型计算机的开发和应用，c a d c a m 技术的迅速发展，有限元分析理论和实用技 术的不断完善以及各种数值模拟和物理模拟方法进一步实用化，为挤压模具优化设计的 理论与技术的发展开辟了道路，例如英国b n f 金属技术研究中心和美国哥伦布实验室研 制的c a d c a m 系o 】可以提供模型进行设计。 目前，许多大型的、复杂的、重要的挤压工模具( 如大型圆挤压筒、多层组装式扁 挤压筒、多孔舌型模、大型空心壁板用平面分流组合模、异形空心型材的穿孔系统、流 线模角等) 的优化设计已获得了满意的结果。挤压模具优化设计的理论研究与实用技术 获得了重大的突破，取得了一大批成果，有的已规范化和系统化。 当然，在热处理和表面处理技术方面，我国与技术先进国家也存在着较大的差距。 铝型材挤压模具设计合理的模具结构能够在一定程度上控制产品的内部组织和力学性 能。合理的模具设计和制造能大大提高模具的寿命，因而对于提高生产率、降低成本和 能耗有重要意义。新型的模具结构，对于发展新品种、新工艺，不断提高挤压技术水平 起着重要的作用。 1 3 2 金属塑性成型模拟技术的研究状况 有限元模拟技术( f e a ) 最早应用于金属塑性加工成形领域始于上个世纪7 0 年代，经 过3 0 多年的发展，有限元法( f e m ) 已经发展成为种类较为齐全、软件功能较为丰富、工 程应用较为广泛的一种有效的分析工具。有限元分析方法通用性强，适用于任意速度边 界条件，能够模拟整个会属成形过程的流动规律，获得变形过程任意时刻的力学信息和 流动信息，如应力场、速度场、温度场以及预测缺陷的形成和扩展；可以方便地分析处 理模具形状、工件与模具之问的摩擦、材料硬化效应和温度等多种因素对塑性加工过程 的影响。 沈阳工业大学硕士学位论文 何德林等人】利用d e f o 方法开发出能对平面模和分流模进行优化设计c a d c p 心讧 系统；王孟君等人【”】以a u t o c a d 为图形支撑环境，4 o 为开发工具，开发的c a d 系统， 可以有效地针对平模挤压的各项计算，从而对设计结果进行优化；闫洪等人【1 3 】将c a e 概念引入模具设计过程，指出了优化设计的方向；刘汉武等人1 1 4 】提出智能c a d 概念，为 模具设计智能化提供了一些思路。此外，国内外科研人员运用理论解析、物理模拟和数 值模拟等方法，对铝型材挤压的变形过程、应力场和温度场分布及变化、摩擦与润滑等 问题进行了大量的分析和实验，并根据其研究成果对挤压模具进行了优化。例如，赵云 路和刘静安【15 】对各类挤压模具的优化设计进行了系统论述。国内还有部分科研人员用有 限元法结合实验方法对挤压模具最佳轮廓前线及模具结构进行了分析和优化。 上海交通大学于沪平等【1 6 噪用塑性成型模拟软件d e f o i u 订。结合刚粘塑性有限元 罚函数法对平而分流模的挤压变形过程进行了一维模拟，得出了挤压过程中铝合金的应 力、应变、温度以及流动速度等的分布特点和变化规律。中南大学倪正顺等【1 7 】基于热 弹塑性力学和有限应变理论，建立了二维热力藕合有限元方程，用a n s y s 有限元软件 对平而分流组合模进行了热力藕合二维数值分析，计算了模具在挤压过程中的温度场和 应力场。通过分析模具应力，说明应力集中是模具桥裂的主要原因之一。东北大学刘汉 武等【18 】用a n s y s 软件对中空方管铝型材的分流组合模的凸模进行了有限元分析和计 算，找出了原模具设计中不易发现的结构缺陷。北京有色金属研究总院田晓风【1 9 0 0 1 利用 有限元方法对空心型材挤压时，分流组合模模芯的受力进行了分析研究，获得了模芯在 各方向的位移量。通过改变模具的结构和受力状况，利用有限元分析得出了模芯受力变 形的一般规律，为模具设计提供了依据。 国外也有很多对分流组合模的研究，例如，韩国的d y y a n g 等【2 1 】利用刚( 黏) 塑性 有限元方法对热挤压复杂铝合金型材生产工具进行了模拟，获得了模具设计参数。另外 韩国的h y u n w o os h i n 等【2 2 】在1 9 9 3 年对非轴对称挤压过程进行了有限元分析，他们利用 二维刚塑性有限元方法结合厚板理论将三维问题进行了简化，对整个挤压过程进行了准 确的数值模拟，同时也减少了计算量。 铝型材挤压过程数值模拟及模具优化设计 荷兰的j l o f 等2 3 1 对复杂薄壁铝型材挤压进行了有限元模拟，在前处理阶段，通过 使用一种等效载荷模型来代替真实载荷，从而减少了单元的数量和运算时间，使得设计 的模具与实际结果一致。 1 9 9 7 年，俄罗斯的v a d i ml b e r e z l l i l o y 等【2 4 l 对摩擦辅助在直接和间接挤压成形硬质铝 合金中的技术进行了研究。该技术的发展和应用使生产效率和质量都得到了大大提高。 美国的p r 甜i pk s a h a 闭在1 9 9 8 年对铝型材挤压成形中热动力学和摩擦学进行了研究。他 采用热力学数值模拟法构造了3 种不同的实验模型，分析了模具工作带和流动金属接触 面上的摩擦特性，还对坯料温度和挤压过程中产生的热量对模具工作带所产生的温升的 影响、并进行了实际测量验证；研究表明，挤压过程中的摩擦对型材的精度和表面质量 有直接影响，模具工作带的磨损过程取决于挤压过程中的热动力学性能，而挤压热动力 学性能又与挤压变量有关。上述研究者所做的工作说明，数值模拟技术正在成为铝型材 挤压模具设计优化的重要手段之一。 1 4d e f o r m 软件介绍及模具优化设计 1 4 1d e f 0 洲软件 1 9 7 9 年，美国b a t t e l l ec o l u m b u s 实验室在美国空军基金的资助下开发了有限元计算 成形程序a l p d ( a n a l y s i so f l a r g ep l 勰t i ch l c r e m e n t a ld e f o m a t i o n ) 。随后几年中，a l p d 的开发人员针对用户提出的种种要求，逐渐将程序完善，并采用m o t i f 界面设计工具，将 计算程序发展为商品化分析软件d e f o r m ( d e s i 印e n v i r o n m e n tf o rf o m i n 曲，由美国s f t c 公司推广应用。d e f o r m 2 d 于2 0 0 2 年发布7 2 版，1 9 9 8 年推出了三维系统d e f o r m 一3 d ， 2 0 0 3 年末发布5 o 版本。 d e f o r m 软件是一套基于过程模拟系统的面向金属塑性加工及相关行业的有限元 分析软件，可以进行成形分析：( a ) 冷、温、热锻的成形和热传导藕合分析，提供材料 流动、模具充填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成和韧性破裂等信息；( b ) 丰 富的材料数据库，包括各种钢、铝合金、钦合金等，用户还可自行输入材料数据；( c ) 刚性、弹性和热粘塑性材料模型，特别适用于大变形成形分析，弹塑性材料模型适用于 分析残余应力和回弹问题，烧结体材料模型适用于分析粉末冶金成形；( d ) 完整的成形 6 沈阳_ t 业大学硕士学位论文 设备模型可以分析液压成形、锤上成形、螺旋压力成形和机械压力成形；( e ) 温度、应 力、应变、损伤及其他场变量等值线的绘制，使后处理简单明了。 d e f o r m 软件主要由前处理、有限元分析、后处理三大模块组成。 ( 1 ) 前处理模块，主要用于模拟模型的建立，具体有： 1 ) s i m u l a t i o nc o m r o l s 子模块，用于变形条件的输入，包括模拟类型和模拟模式 的选取、增量步长的设置，以及变形终止条件迭代控制和其他工艺参数的输 入。 2 ) m a t 嘶a l d a t a 子模块，它提供常用金属材料及性能数据库，可以直接使用， 也可以输入材料实验数据和有关的性能参数，定义新材料。 3 ) h l t e r m a l 西a 1 子模块，主要用于相变过程参数的输入和控制，该相只有在选择 相变模拟模式后才有效。 4 ) o b j e c td e 觚t i o n 子模块，该模块用于模拟模型的建立，包括工模具几何图形 的建立，工模具网格的划分和重分参数的设置，工模具类型的定义、材料的 选择、初始条件、边界条件的设置。 5 ) h l t e ro b i e c td e f i n i t i o n 子模块，用于模具工艺参数的输入和控制。 ( 2 ) 有限元分析模块，该模块是此软件的核心组成部分。它集中了k d b a y o s h i 和s i o h 等人多年的研究成果，在刚塑性有限元中具有代表性。 ( 3 ) 后处理模块，该模块用于模拟结果的图形处理，其功能包括：变形的几何图形， 彩色线条和云图显示状态参数，速度矢量图显示节点位移或速度的大小和方向，点跟踪 和网格跟踪功能。 d e f o r m 系列软件主要包括以下几种： ( 1 ) d e f o i t m 2 d ( 二维) ，适用于各种常见的u n i x 工作站平台( h p ，s g i ，s u n ， d e c ，m m ) 和w i n d o w s n t 微机平台。可以分析平面应变和轴对称等二维模型。它包 含了最新的有限元分析技术，既适用于生产设计，又方便科学研究。 ( 2 ) d e f o r m 3 d ( 三维) ，适用于各种常见的u n i x 工作站平台( h p ，s g i ，s u n ， d e c ，m m ) 和w i n d o w s n t 微机平台。可以分析复杂的三维材料流动模型。用它来分 析那些不能简化为二维模型的问题尤为理想。 铝型材挤压过程数值模拟及模具优化设计 ( 3 ) d e f o r m p c ( 微机版) ，适用于运行w i n d o w s9 5 、9 8 和n t 的微机平台。可 以分析平面应变问题和轴对称问题。适用于有限元技术刚起步的中小企业。 ( 4 ) d e f o r m p cp r o ( p r o 版) ，适用于运行w i n d o w s9 5 、9 8 和n t 的微机平台。 比d e f o r m p c 功能强大，它包含了d e f o r m - 2 d 的绝大部分功能。 ( 5 ) d e f o i t m h t ( 热处理) ，附加在d e f 0 砌订2 d 和d e f o r m 3 d 之上。除了成 形分析之外，d e f o i u v i h t 还能分析热处理过程，包括：硬度、晶相组织分布、扭曲、 残余应力、含碳量等。 d e f o r m 软件的功能十分强大，具体包括下面两种： ( 1 ) 成形分析。冷、温、热锻的成形和热传导耦合分析( d e f o i t m 所有产品) 。丰 富的材料数据库，包括各种钢、铝合金、钛合金和超合金( d e f o r m 所有产品) 。用 户自定义材料数据库允许用户自行输入材料数据库中没有的材料( d e f o r m 所有产 品) 。提供材料流动、模具充填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成和韧性破 裂等信息( d e f 0 l t m 所有产品) 。刚性、弹性和热粘塑性材料模型，特别适用于大变 形成形分析( d e f o r m 所有产品) 。弹塑性材料模型适用于分析残余应力和回弹问题 ( d e f o r m p r o ，2 d ，3 d ) 。烧结体材料模型适用于分析粉末冶金成形( d e f o r m p r o ，2 d ， 3 d ) 。完整的成形设备模型可以分析液压成形、锤上成形、螺旋压力成形和机械压力成 形( d e f o r m 所有产品) 。用户自定义子函数允许用户定义自己的材料模型、压力模 型、破裂准则和其他函数( d e f o r m 2 d ，3 d ) 。网格划线( d e f o r m 2 d ，p c ，p r 0 ) 和质点跟踪( d e f o r m 所有产品) 。可以分析材料内部的流动信息及各种场量分布、 温度、应变、应力、损伤及其他场变量等值线的绘制，使后处理简单明了( d e f o r m 所有产品) 。自我接触条件及完美的网格再划分使得在成形过程中即使形成了缺陷，模 拟也可以进行到底( d e f o r m 2 d ，p r o ) 。多变形体模型允许分析多个成形工件或耦合 分析模具应力( d e f o r m 一2 d ，p r o ，3 d ) 。基于损伤因子的裂纹萌生及扩展模型可以 分析剪切、冲裁和机加工过程( d e f o r m 一2 d ) 。 ( 2 ) 热处理。模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程、预测硬度、晶粒组 织成分、扭曲和含碳量。专门的材料模型用于蠕变、相变、硬度和扩散。可以输入顶端 淬火数据来预测最终产品的硬度分布。可以分析各种材料晶相，每种晶相都有自己的弹 沈阳工业大学硕士学位论文 性、塑性、热和硬度属性。混合材料的特性取决于热处理模拟中每步各种金属相的百分 比【2 6 1 。 1 4 2 有限体积法在模具优化中的应用 有限体积法以前多用于模拟流体的流动过程2 7 08 1 。近年来，部分学者也逐渐将有 限体积法用于模拟金属的塑性成形问题【2 9 】。基于e u l e r 的有限体积法是将网格固定在空 间，材料在流动过程中e u l e r 网格不发生变化。因此，用有限体积法模拟大变形塑性成 形问题可以很好地避免网格再划分问题。有限体积法将材料流动所要经历的空间采用 e u l e r 网格进行离散。e u l e r 网格是一个固定在空间的参考框架，通常采用六面体单元。 e u l e r 单元的节点在空间固定不动，因此，e u l e r 单元的体积是不变的。材料只是从一个 单元流到另一个单元，并且材料的质量、动量和能量也随之从一个单元流到另一个单元。 在材料流动的过程中，必须满足质量守恒、动量守恒、能量守恒、本构方程、状态方程 和热平衡方程等控制方程【3 0 】。 ( 1 ) 质量守恒方程 ( 2 ) 动量守恒方程 ( 3 ) 能量守恒方程 塑+ 旦! 型：o 西 融f 塑+ 里些兰! 垒二型：o 西苏 a ( 胆) a ( f e ) 研v t ( s f p 岛) 】 巾= 一 a t 瓠 融i ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) 上述3 式中，p jv f ，s d ，p ，层分别为材料的密度、速度矢量、应力张量、静水压力和 内能。 ( 4 ) 本构方程 等= g c 等+ 詈，+ 旯薏岛 西 叙；觑。缸。” 务a 盖 式中，为塑性应变速率张量，a 为与应力、应变以及应变速率有关的系数， 各向同性材料的v o n m i s e s 屈服函数。因此：应力张量可由下式得到： o o = 一p 6 口+ s 口 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 为 ( 1 ，6 ) 铝嚣4 材挤压过程数值模拟及模具优化设计 ( 5 ) 状态方程 挈+ 掣= 。 ( 1 7 ) 式中，圣为任意状态变量，如体积、应力、压力等。式( 9 ) 在有限体积上相应的数 值积分方程为 丢f 加d 矿一f 眺硼 ( 1 8 ) ( 6 ) 热平衡方程 根据热力学第一定律，单元体内能量的变化率等于外力对单元体所做的功率和单 元与外界进行热交换率的总和。因此，材料单元的能量平衡方程为 一言( 唔= 。 ( 1 9 ) 班ic x i ”。 式中，七为材料的导热系数，功工件温度，o 为比热容。 若考虑工件与模具及环境之间的热交换，运用n e 叭o n 冷却法则，有 k 罢兰n ，= 一 ( r 一昂)( 1 1 0 ) ( z x 式中， 为工件与模具之间的热交换系数，7 w 为模具或环境的温度。 上述微分方程可以用对时间的龙格一库塔法( r 蚰g ek u t t at i m ei n t e g m t i o ns c h 锄e ) 来进行求解，从而得到有限体积内变形体的各种物理场量p ”。 1 4 3 模具优化分析的主要研究方向 对挤压模具进行数值模拟分析主要包括模具结构分析、负载分析和挤压模具成形过 程分析等，主要目的是解决变形回弹、结构不合理、应力集中和模具失效等问题。 ( 1 ) 控制变形回弹以提高尺寸精度。板料成形过程中由于有内应力的释放普遍存在 有回弹现象，特别是在弯曲和浅拉深过程中回弹现象更为严重。目前对回弹问题的控制 方法主要是基于f 酬仿真技术，对回弹现象进行定量的数值计算，通过迭代算法对模具 形状不断修正使得最后成形的零件在回弹后恰好满足设计形状要求，即模具补偿法，这 对有较大回弹量的弯曲件和有精度要求的制件特别重要。比较典型的如汽车覆盖件的回 弹，由于其形状和边界条件复杂，一般要采用数值模拟方法来进行叫弹分析才能取得较 满意的结果。此外，在一般的金属塑性加工分析中，较少考虑模具的变形，即将之视为 l o 沈阳工业大学硕士学位论文 刚性体。但实际上，在金属塑性加工中，模具也会发生变形，对成形件尺寸精度影响较 大。y o l l i l 哥s c o n 【3 2 0 3 】通过引入两种假设即认为模具分别是刚性体和弹性体，采用f e m 模 拟进行分析并与实验结果对比，得出采用模具弹性体方法对预测分析模具应力应变和材 料成形尺寸精度更为有效。文献【3 4 】中指出：在一般的金属塑性成形中，模具的变形可 以忽略；而在诸如精密成形中，模具的变形对成形件质量有较大影响，应选择有较大刚 度的模具材料。 ( 2 ) 优化模具结构设计。为了使模具结构更加合理，加工出符合品质要求的制件， 模具开发过程采用有限元模拟技术显得尤为重要。随着计算机性能的不断提高和数值模 拟技术的逐渐完善，近年来出现了许多功能强大的专业性强的分析软件，如采用有限元 分析的方法对模具组件在工作状态中的应力、应变等问题的详细分析已得到了越来越多 的注意【3 5 书1 通过板材成形数值模拟来指导冲压工艺参数的确定和模具设计在国内外已 经有大量文献报导，取得了很大的发展。c o n o rm c c o 肋a c k 等借助d e f o r m 软件包，通 过改变冲裁凹模刃口倒角和孔倾角等参数进行模拟，并将结果进行对比分析得出了最佳 的参数设定方案；j s s u n 等用f e m 分析模具几何形状和倒角对模具应力分布的影响，指 出了最大主应力和最大剪应力在几何倒角区域的分布情况，这对模具设计的优化有很大 的指导意义。 j x x i e l z z 认为分流组合模具挤压管子时金属的焊合过程与多根坯料挤压的焊合 过程类似，因此将分流组合模挤压过程分为两部分，一部分为多孔分流模，完成分流工 作；另一部分为多坯料挤压模，完成焊合任务。试验材料为工业纯铝a 1 0 5 0 ，把坯料沿 轴对称面剖分，刻上网格，变形后观察网格，获得焊合面上的金属流动模式。认为在多 坯料挤压时3 根坯料与4 根坯料的流动速度模式几乎相同，只是前者的死区体积比后者 的死区体积略微大些。焊合只是发生在焊合腔出口处非常小的区域内。用工业纯铝为挤 压材料，采用3 个圆形分流孔和4 个圆形分流孔的分流组合模进行圆管挤压，获得了材 料流动的模式。 m 幻u c l l i 对用分流组合模的挤压进行了理论分析：r s h i v p u r i 为了研究l 截面型材 挤压时出现的扭曲和弯曲现象，将三维型面划分为有限的二维型条，采用有限元软件对 典型的二维型条进行了有限元模拟，综合各典型型条的模拟结果获得型材挤压时扭曲量 铝型材挤压过程数值模拟及模具优化设计 的大小；k i c t i i 采用刚粘塑性拉格朗日欧拉混合有限元法对l 截面型材挤压模具的 磨损分布进行了研究。 为了对分流组合模挤压时金属在焊合腔的流动模式有直观的了解，y 飚m 巧妙地 设计了一种坯料进行挤压试验。该坯料是圆柱体，分别由6 个a 1 0 5 0 和a 1 1 0 0 同心圆环交 替地组合在一起。在每个圆环上还分别嵌入直径为lm m 的a 1 1 0 0 的铝丝。模具有三个分 流孔，分流孔的形状为扇形，挤压温度为4 5 0 。挤压完成后，沿横截面把挤压坯料切 开许多片，并用n a o h 溶液腐蚀，由于两种材料在腐蚀后的颜色有差别，因此可以用照 相的方法记录不同断面的像，通过比较相邻断面嵌入铝丝的位置，就得到了金属在挤压 过程中的位移的大小和方向。通过观察发现在稳态挤压过程中焊接面上没有挤压坯料的 表面，这表明，在焊接面上的金属是在挤压过程中产生的新表面。这种实验方法确实很 巧妙，为我们进行数值模拟时的比较提供了很好的实验数据。 ( 3 ) 模具应力与模具失效分析。模具的失效很大程度上与模具应力水平直接相关， 在循环加载产生的交变应力、承受高负荷、高冲击力和应力集中等情况下都很容易产生 模具由于低周疲劳、磨损、变形和开裂而失效。由于模具应力是影响模具寿命的直接原 因，故国内外在这方面做了大量的研究工作【蛔。主要通过应力应变模拟方法来分析模具 的失效、改善模具结构和减少或消除应力集中，从而提高模具的使用寿命。 1 。5 本课题研究内容难点及解决方案 1 5 1 本课题研究内容难点 本课题将结合山东丛林集团铝型材加工企业的典型铝型材构件，对其非等温挤压成 形过程进行模拟分析，以提高其产品的质量和模具的使用寿命。本课题所采用的模具为 分流模，将铝型材挤压成圆管或方管及其它形状。在本课题的研究内容和能遇到的难点 主要有： ( 1 ) d e f o r m 一3 d 软件可以对变形体自动划分网格，但是网格划分时选取多少表面网 格数，这是一个非常棘手的问题，从理论上讲网格划分得越密越好，但是网格数量的增 加势必会造成节点和单元数的增加，这样就会造成计算量的骤增。 ( 2 ) 模具的寿命主要受模具形腔的受力情况影响，如何利用热处理工艺优化模具的 形腔使得模具受力均匀且受力最小提高模具的使用寿命也是本课题需要解决的难点。 沈阳1 = 业大学硕士学位论文 1 5 2 本课题解决方案 如何降低模具在挤压过程中的应力和避免应力集中对提高模具的使用寿命将具有 很重要的意义。从目前研究的情况来看，降低应力和应力集中主要采取的方法有：修改 挤压工艺参数；优化模具结构设计，改善模具热处理工艺。具体解决方案如下： ( 1 ) 使用d e f o r m 软件模拟挤压过程，根据材料的塑性变形理论结合实际生产设置 模拟中所需参数，通过模拟结果优化挤压工艺参数，来观察铝型材挤压过程中金属的流 动性以及成形后的形状是否达到预期要求，确定合理的工艺参数。目前，生产中模具设 计往往凭借经验和反复生产试制来完成，因此本论文使用三维建模软件s o l i d w o r k s 构建 了模型，然后使用三维模拟软件d e f 0 喂m 一3 d 进行了试验模拟，得到了模具载荷与行程 变化曲线、等效应力、应变场等。其主要思路如下图1 1 所示。 ( 2 ) 优化模具结构设计，对模具结构进行优化是本课题最大的难点也是最主要的部 分。在实际生产中，由于模具产生应力集中导致的模具失效相当严重，针对这一点，要 改进模具的几何形状，分流孔分流桥尺寸及形状、挤压比、模具钢的材料、模具的温度 等参数。利用挤压过程的模拟结果，进一步模拟模具的受力情况以及应力分布，找出在 挤压过程中模具容易失效的位置，对其进行优化设计，为实际生产提供帮助。 用金属体积成型三维有限元软件d e f o r m 一