铝型材挤压过程的计算机模拟仿真 优秀毕业论文.doc

聊城大学本科毕业论文（设计） 本科生毕业论文（设计）题 目：铝型材挤压过程的计算机模拟仿真 专业代码： 机械设计制造及其自动化(080301) 作者姓名： 赵龙甲 学 号： 2008204279 单 位： 汽车与交通工程学院 指导教师： 朱颜 2012年5月25日2聊城大学本科毕业论文（设计）原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的相应责任。学位论文作者签名：日期指 导 教 师 签 名： 日期26 摘 要采用有限元法，在ANSYS有限元软件上实现了对铝型材挤压过程的模拟仿真，获得铝型材挤压后的铝材应力场、应变场分布图，模具的应力场、应变场分布图，以及铝材和模具不同部位的变化曲线图。铝型材挤压的高温，高压，封闭等特征给物理和实验研究带来了很多不便，薄壁和复杂的大挤压比等特征也给挤压工艺和模具的设计带来了很多困境。本课题通过仿真技术对铝型材挤压过程进行计算机的模拟仿真，优化了铝型材挤压工艺和模具结构，也检验了挤压工艺和模具结构设计的合理性。关键词：挤压；有限元；铝型材；应力AbstractDepend on the finite element, the finite element software ANSYS can realize the aluminum extrusion process simulation and obtain the stress field and strain field distribution of aluminum, stress field and strain field distribution of mould, as well as the change curve of the different parts of the aluminum and mould. High temperature, high pressure, closed characteristics of aluminum extrusion has brought much inconvenience to physical and the experimental research. The characteristics such as thin-wall and complex high extrusion ratio has brought a lot of trouble to the design of extrusion technology and mould. This topic uses the computer simulation for the process of aluminum extrusion by emulation technique, optimizes aluminum extrusion technology and the structure of mould.,and also inspection the extrusion technology and the design rationality of the structure of the mould. Keywords: Extrusion; Finite element; Aluminum; Stress field聊城大学本科毕业论文（设计）目录引言11有关铝型材挤压的基本问题11.1铝型材挤压的研究历史和发展11.2国内外关于铝型材挤压的分析22铝型材挤压有限元分析的理论基础32.1有限元法介绍32.2 ANSYS软件介绍42.2.1 ANSYS的特点52.2.2 ANSYS软件的结构52.3 ANSYS静力分析的基本步骤62.4 非线性有限元理论62.5 接触分析介绍82.6 挤压变形时的应力与应变83铝型材挤压数值模拟仿真过程103.1 铝型材挤压的材料特性参数和形状参数103.2 确定单元类型、实常数及几何模型的建立113.3 划分网格及创建组元123.4 设置载荷和求解步骤133.4.1 loads施加载荷和约束条件133.4.2 分析类型的选择和求解器的设置143.4.3 求解计算154铝型材挤压过程模拟结果及分析154.1 铝型材挤压过程的应力应变分布164.2 挤压过程模具的应力应变分布图174.3 铝材和模具不同部位应力变化结果分析185 存在问题及发展趋势196 结论21参考文献22附录23致谢26铝型材挤压过程的计算机模拟仿真引言挤压作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。挤压是用冲头或凸模对放置在凹模中的坯料加压，使之产生塑性流动，从而获得相应于模具的型孔或凹凸模形状的制件的锻压方法。铝型材因具有重量轻、强度高、导电导热性好、耐腐蚀、外形美观等优点、广泛用于建筑、车辆、飞机、通讯设备、机械制造、运动机械等各个领域。挤压成形作为铝型材生产的主导技术和核心环节，其工艺方法、模具结构、工装设备等都直接影响最终产品的质量。铝型材挤压工艺和模具设计是保障产品质量的重要环节。传统的铝型材挤压工艺分析和模具设计主要是依靠工程类比和设计经验、经反复试模和修模、调整工艺以消除挤压成形过程中的产品缺陷，显然，这已无法满足高速发展的铝型材加工业的要求，表明建立适当的“过程模拟”非常重要。借助ANSYS数值模拟系统，能够在计算机上描述整个挤压成形过程，获得变形体的应力图，应变图等，并可预测实际挤压过程中可能出现的缺陷，及早优化设计模具结构，调整挤压工艺参数指明技术解决方案。1有关铝型材挤压的基本问题1.1铝型材挤压的研究历史和发展数值模拟仿真是研究挤压成形过程的先进技术。随着计算机硬件和软件技术的飞速发展，基于有限元法与有限体积法的数值模拟在金属挤压成形中得到了广泛的应用。文献（大挤压比铝型材挤压过程的数值模拟）介绍，Yang等对曲线凹模三维非圆截面棒料稳态挤压过程进行了有限元分析。韩国的Shin等在1993年采用简化的三维有限元法获得了由圆形坯料挤压成方形、正六边形、“T”形截面的网格变形图。Park等采用刚塑性有限元法对非扭曲截面的三维螺旋稳态挤压过程进行了模拟，获得了变形网格图和等效应变、流动速度分布和模具表面上的压力分布。文献（铝型材挤压成形过程数值模拟仿真的研究现状及发展）介绍，周飞等采用三维刚粘塑性有限元方法，对一典型的铝型材非等温成形过程进行了数值模拟，给出了成形各阶段的应力、应变和温度分布情况。于沪平等2采用塑性成型模拟软件DEFORM，结合刚粘塑性有限元函数法对平面分流模的挤压成形过程进行了二位模拟，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和变化。刘汉武等3利用ANSYS软件对分流组合模挤压铝型材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。闫洪等4利用ANSYS软件作为平台，对型材挤压过程进行了三维有限元模拟和分析，获得了型材挤压过程的位移场、应变场、应力场，提出了变形体内存在一个涡流场。周飞等5还采用有限体积法对一复杂铝型材进行了数值模拟，成功获得了挤压比为=38.19铝型材挤压模具载荷历史图以及挤压金属的应力、应变、温度以及流动速度等分布图。1.2国内外关于铝型材挤压的研究现状从20实际60年代开始，国内外研究人员采用各种理论分析、物理和数值模拟方法对铝型材成形过程中的金属流动、力能关系、应力应变分布、温度场、摩擦与润滑等问题进行了深入研究。理论分析法作为最为古老的金属塑性加工理论分析方法，常被各国学者用来分析铝型材挤压成形的变形力能规律。1997年，Yermanok M Z6应用理论解析法，导出了计算铝型材挤压的变形力、坯料的尺寸、挤压模具模腔的尺寸以及金属的流动速率等参数的计算方程，并进行了实验验证。总结学者们的研究可知，应用理论解析法可以近似求出铝型材挤压的力能关系。物理模拟是采用物理模型进行实验模拟的方法，包括网格法、软材料实物模拟法、密栅云纹法和光弹光塑性等。近年来，日本研究人员7对0.6.1.0mm 的6063合金薄壁型材的导流模挤压进行了物理模拟研究，得出了型材前段形状齐平时导流模孔形状的经验设计数据。物理模拟法作为一种有效的实验分析手段，对模拟铝型材挤压成形过程有着不可替代的作用，既可用于指导模具和工艺设计，又可用于验证理论解析和数值模拟等方法的研究成果。随着计算机技术和数值计算方法的迅速发展，以有限元法为代表的数值模拟法已被广泛应用于铝型材挤压的变形模拟、温度场模拟以及摩擦与润滑分析。在变形模拟中，国外，科普、道森等8人用有限元法，采用不同网格尺寸，对各种铝型材热挤压过程进行了不同层次的模拟，获得了力、功、能、平均压力和平均温度、金属流动、应力、应变、应变速率、温度等信息。同时在国内，刘汉武等应用ANSYS软件对分流组合模挤压铝型材进行了有限元分析与计算。将各种方法综合运用，以求发挥不同方法的优点，获得最佳的研究效果。最近几年来，国内采用PVC作为模拟材料，以环氧树脂制作挤压模具，采用光弹应力冻结实验法和三维弹性有限元法对铝型材挤压模具进行了应力应变分析。清华大学等单位对导流模技术进行联合攻关，通过型材挤压过程变形流动状态的模拟实验，建立了导流模尺寸设计的数学模型和实验验证、并用三维刚粘塑性有限元法模拟铝型材挤压过程，研究查明了挤压过程中引起材料内部质点变形速度不均匀的主要原因是塑变区表面的摩擦阻力，弄清了导流模控制金属流速的机制，提出了导流模的设计要点。同时，在铝型材热挤压过程中，英国的塞拉德等，从20实际70年代起，采用有限差分析法等方法进行热加工的温度场模拟和显微组织变化模拟，国内也进行了铝合金挤压时温升的有限元分析。铝型材挤压过程中的高温、高压、高速等恶劣条件使其中的摩擦与润滑十分特殊，对变形过程中的变形力能消耗、工模具消耗、制品的表面与内在质量以及最终经济效益等均有很大影响。在这方面俄罗斯的Berezhony 于1997年提出了利用积极摩擦辅助直接或间接挤压成形高硬铝合金型材技术9。2铝型材挤压有限元分析的理论基础2.1有限元法介绍把物理结构分割成不同大小、不同类型的区域，这些区域就称为单元。根据不同分析科学，推导出每一个单元的作用力方程，组集成整个结构的系统方程，最后求解该系统方程，就是有限元法。在自然界的三大科学研究方法（理论分析、科学实验、科学计算）中，对于多数新型领域，因为科学理论和科学实验的局限性，科学计算成为一种最重要的研究手段，而有限元法是进行科学计算的重要方法之一。有限元方法的实质是将复杂的连续体分为有限多个简单的单元体，化无限自由度问题为有限自由度问题 ，将连续场函数的微分方程的求解问题转化成有限个参数的代数方程组的求解问题。用有限元方法分析工程结构问题时，将一个理想体离散后，如何保证其数值解的收敛性和稳定性是有限元理论讨论的主要内容，然而数值解的收敛性与单元划分和单元形状有关。有限元方法的基本思想是先化整为零、然后积零为整，也就是把一个连续体分为有限个单元。有限元方法的特性： 1.适应复杂几何形态构件。因为有限元方法的单元划分在空间上可以是不同维数、不同形状、以及各种单元可以有不同的连接形式。所以，实际应用中遇到的复杂结构可以划分为有限个单元。2.适应各种构型问题。该方法已从杆件结构问题发展到现在的粘弹性问题、动力问题、弹塑性问题，可用于多种学科，也可以解决复杂的非线性问题。 3.理论基础的可靠性。该方法的理论基础有变分原理、能量守恒定律，它们在数学和物理上得到了可靠的证明。 4.计算精度可信性以及计算的高效。 有限元分析的过程: 1.结构物的离散化。有限元法的基本思想是化整为零，分散研究，再积零为整。在离散时，要注意单元类型的选择、单元划分的规律性以及同一单元材料相同的原则。 2.进行单元分析。单元分析是将离散化后的每个单元作为一个研究目标，研究节点位移与节点力之间的关系，包括两个方面确定单元的位移模式，在位移型有限元方法中，单元的位移模式是将单元中任意一点的位移用单元的节点位移来计算，然而单元位移可以表示成节点位移的函数。分析单元特性，建立单元的位移函数后，可根据应力、应变、位移之间的关系，建立单元杆端力和杆端位移之间的关系，然后得到单元刚度矩阵。 3.整体分析。确定每个单元的刚度方程后，可以将各单元集合成整体结构进行分析，建立整体刚度方程。然后进入结构的边界条件，对方程组进行求解10。2.2 ANSYS软件介绍ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件。能够进行包括结构、热、声、流体、电磁场等科学的研究。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS包括100多个单元，提供了对各种物理场量的分析功能，该软件提供了一个不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、优化设计、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限转动功能和利用ANSYS参数设计语言的扩展宏命令功能。ANSYS的设计优化功能允许优化任何方面的设计变量和约束变量，如形状、应力、自然频率、重量、费用、温度、磁势、压力、速度或离散量等，可进行参数、形状、拓扑优化。2.2.1 ANSYS的特点该软件具有下面三个方面的特点：1.强大而广泛的分析功能：可广泛应用于求解结构、热、流体、电磁、声学等多物理场及耦合的线性、非线性问题。 2.一体化得处理技术：主要包括几何模型的建立、自动网格划分、求解、后处理、优化设计等许多功能及实用工具。3.丰富的产品系列和完整的开放体系：不同的产品配套可应用于各种工业领域，如航空、航天、船舶、汽车、兵器、铁道、机械、电子、核、能源、建筑、医疗等11。2.2.2 ANSYS软件的结构软件主要包括三个部分:前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的藕合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。1.前处理模块PREP7中包含实体建模和网格划分。ANSYS程序提供了两种实体建模方法:自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即:用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。关于网格划分，ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。2.求解模块SOLUTION前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。求解阶段是计算机在内部完成矩阵计算求出计算结果的过程。一般用户不能干预这一过程。但是当结构模型有严重错误，计算机会提示相应的错误信息，并停止计算。用户可以根据提示对模型做出相应的修改。 3.通用后处理模块POSTI。这个模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。4.时间历程响应后处理模块POST26。这个模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力或支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。2.3 ANSYS静力分析的基本步骤1.确定结构的分析方案（线、面、体），桁架、壳、实体等；注意线性单元和高次单元的使用；对称性等简化方法的运用。2.根据分析的类型确定单元类型、实常量等，特别是单元类型的某些选项，对于某些分析十分重要。3.设定材料模型。4.采用各种方法建立模型。在进行布尔运算时特别注意运算对以后分析的影响，尤其是在某些情况下有些网格较难生成，因此对于布尔运算要慎重考虑，为解决该问题应尽量采用几何体素直接建模。5.将材料、实常量等参数赋给模型，在某些情况下可以同时指定方向点。6.按情况划分网格：自由网格或自由网格，设置合适的网格密度等，尤其注意网格设置。7.在生成节点和单元后，根据实际情况定义接触单元、自由度的耦合及约束方程等。8.施加力和约束等。9.求解：注意设置合适的求解选项。10.进入后处理菜单获得计算结果等。11.评价分析结果。2.4 非线性有限元理论有限元法已经是一种强有力的数值解法用来解决工程中遇到的大量问题，它的应用范围已经从静力到动力，从力学问题到非力学问题。在现实生活中，绝大多数问题属于非线性问题，根据非线性产生的原因，非线性问题有三种主要的类型：1.材料非线性（物理非线性）其特点是应力与应变之间为非线性关系，一般与加载历史有关，其物理方程： 中的弹性矩阵D是应变的函数。但材料非线性问题还是属于小变形问题，位移和应变是微量，它的几何方程是线性的。 2.几何非线性该非线性属于大变形问题，应变和位移或者它们中一个是有限量，可能会有三种情况：大位移（线位移和角位移）、小位移、小应变、大应变和大位移、大应变。这时候反映应变和位移关系的几何方程是非线性方程，例如，正应变可表示为 剪应变表示为如果应力和应变之间的关系也是非线性的，则变成了更复杂的双重非线性问题。但是，在几何非线性问题中一般都认为应力在弹性范围内，应力与应变呈线性关系。工程中板壳结构和实体结构都存在非线性问题。3.接触非线性因为接触体的变形和接触边界的摩擦作用，致使部分边界条件随加载过程变化而变化，并且不可恢复。这种因为边界条件的可变性以及不可逆性产生的非线性问题，称为接触非线性。在工程中，有很多非线性问题，例如混凝土坝纵缝和横缝缝面的接触，面板堆石中钢筋混凝土面板与垫层之间的接触。现在，研究工程非线性问题比较有效的工具便是非线性有限元方法。如果要使用此方法，务必解决两个问题。第一：因为非线性问题的数值计算工作大大增加，需要有相当大计算能力的工具。最近10年，高速计算机的发展已基本上满足了这一需要，与此同时计算费用也在减少。第二：非线性求解方程的精度和收敛性必须被验证。因为发展和改进了多种类型的单元，更好的模拟结构的工作，找到更有效的非线性求解方法，且积累了很多经验应用于实际工程问题，此时已经能够有把握地完成非线性有限元分析。非线性有限元方法正在成为一种强有力的计算工具被人们所使用。2.5 接触分析介绍接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题的特性和建立健全的模型是很重要的。接触问题存在两个较大的难点：第一：在求解问题之前，不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的，突然变化的，这些都随材料、载荷、边界条件和其它因素而定；第二：大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。接触问题分为两种基本类型：刚体柔体的接触，半柔体柔体的接触，在刚体柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当做刚体，（与它接触的变形体相比，有大的多的刚度），一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可假设为刚体柔体的接触，另一类，柔体和柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体。ANSYS支持三种接触方式：点点，点面，面面，不同的接触方式使用的接触单元适用于不同的接触问题。为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中哪些部分可能会接触，如果相互作用的其中之一是一点，模型对应的组元是一个节点，如果相互作用的是一个面，模型的对应组元是单元，有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触匹对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元。在本文中，属于面面的接触分析，在本文的接触问题中，很自然把铝材的接触边界作为“接触面”，把模具的接触边界作为“目标面”12。2.6 挤压变形时的应力与应变实际生产中发现挤压铝质零件端部出现很深的缩孔，然而挤压产品质量的问题之一便是缩孔，以提高产品质量为出发点，应当分析这些事实，找出消除和防止的办法。目前，研究金属应力和应变的方法有很多，例如坐标网格法、光塑性法、密栅云纹法等。坐标网格法是一种应用广泛的方法，模拟试验法是用望趔整进行模拟试验来研究金属的流动情况。硬度试验法是在冷变形时，金属的硬度是随变形程度的增加而增加的，所以只要知道变形种部分硬度的变化，就可以大体上了解变形的数值以及变形不均匀分布的情况。凸模作用在金属材料上给面坯料以压制，凹模阻止金属坯料向四周流动，同时也给金属坯料一个压力。毛坯在凸模的作用下只有向凹模孔口（图2.1）流出，或沿凸、凹模之间的间隙流动（图2.1）。而且，因为金属流动与凹模有相对运动，产生阻止金属流动的摩擦力。在这种情况下，金属要从凹模孔口或沿凸、凹模间隙流动，凸模必须要施加更大的压力，用来克服摩擦力和金属抗力。当挤压时，变形区内任意一点的应力状态和应变状态，都可用主应力图和主应变图来表示。从上面分析可知，挤压变形区内的基本应力状态都是三压应力，然而在变形区的不同区域，应力和应变的顺序是不同的。下面分区进行讨论。对于实心件正挤和杯形件反挤时，假设摩擦小，毛坯高径比较小，根据变形力学可以把变形区分为两个截然不同的区域，如图2.1所示。实心件正挤时（图2.1），区域1是直接受压缩区，它的变形和环形毛坯在封闭模腔中镦粗相似，受三向不等的压应力，应变为两向压应变一向拉应变。而区域2的变形仍受三向压应力，轴向为拉应变，切向、径向为压应变。杯形件反挤时（图2.1），区域1是直接受压缩区，与圆形毛坯在两平板间镦粗相似，受三向不等的压应力，应变为两向拉应变一向压应变。区域3是间接受压缩区，它受三向压应力，应变为两向压应变一向拉应变。这样的应力与应变状态有利于提高金属的机械性能，金属在挤压时处于强烈的三向压应力状态，可以充分发挥它的塑性，获得大变形量。改善金属材料的组织，提高其力学性能，特别是对于一些具有挤压效应的铝合金，降低由于材料内部缺陷引起的破坏。此外可用低塑性、低强度金属代替高强度金属。图 2.1 挤压时的应力与应变3铝型材挤压数值模拟仿真过程在查看结果之前，必须经过前处理阶段，前处理是指创建实体模型及有限元模型。它包括创建实体模型、定义单元属性、划分网格、模型修正等几项内容。现今大部分的有限元分析模型都用实体模型建模。ANSYS用数学的方式表达结构的几何形状，用于在里面划分节点和单元，还可以在几何模型边界上方便地施加载荷，然而有限元分析并没有实体模型的参与。所有施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型进行求解13。3.1 铝型材挤压的材料特性参数和形状参数如图3.1所示是金属铝坯料和挤压模具结构示意图，铝的应力应变关系如图3.2所示，坯料与模具之间的摩擦系数为0.1，坯料材料参数：弹性模量：69GPa；泊松比：0.26。模具材料参数：弹性模量：360GPa；泊松比：0.3。 . . 图 3.1模拟模型 图3.2应力应变关系曲线材料属性是与几何模型无关的本构关系，例如杨氏模量、密度等。虽然材料属性并不与单元类型联系在一起，但由于计算单元矩阵时需要材料属性，ANSYS为了用户使用方便，还对每种单元类型列出了相应的材料类型，根据不同的应用，材料属性可以是线性或非线性的。与单元类型及实常数类似，一个分析中可以定义多种材料，每种材料设定一个材料编号定义1号材料为铝，2号材料为模具，按照上述的数据定义材料属性参数，结果如图3.3所示。图 3.3 材料属性设置3.2 确定单元类型、实常数及几何模型的建立有限元法的第一步就是将一个连续体简化为由有限个单元组成的离散化模型，也就是有限元模型，它由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷，而节点是空间中的坐标位置，具有一定自由度并存在相互物理作用，有限元分析就是求解节点处的自由度值。在挤压模拟过程中，是一种接触非线性问题。在有限元模型中，每个单元的特性是通过一些线性方程式即形函数来描述的。作为一个整体，单元形成了整体结构的数学模型。单元形函数是一种数学函数，规定了从节点自由度值到单元内所有点处自由度值的计算方法，提供出一种描述单元内部结果的“形状”，它与真实工作特性吻合好坏程度直接影响求解精度。在ANSYS单元库中有一百多种不同的单元类型，每一个单元类型有一个唯一的编号和一个标识单元类别的前缀。单元类型决定了单元的自由度以及单元是在二维空间还是三维空间。本文属于挤压变形问题，该问题属于状态非线性大变形接触问题，在分析过程中根据轴对称性，选择挤压式样和模具纵截面的1/2建立几何模型：选择CONTACT172接触单元和TARGET169目标单元以及PLANE182结构单元进行求解，几何模型如图3.4所示。那个在定义了单元类型之后，需要选择正确的实常数的设置，每一对接触单元和目标单元必须有相同的实常数号。3.3 划分网格及创建组元在ANSYS中网格可分为自由网格和映射网格。在对模型进行网格划分之前，要确定采用自由网格还是映射网格，这是非常重要的。自由网格对实体模型无特殊要求，对任何几何模型，规则的或不规则的，都可以进行网格划分，并且没有特定的准则。自由面网格可以只由四边形单元组成，也可以只由三角形单元组成。映射网格划分要求面或体是有规则的形状，而且必须遵循一定的准则。与自由网格相比，映射面网格只包含四边形或三角形单元。在ANSYS中提供了MeshTool（网格划分工具）和GUI方式划分网格，由于本文中的挤压变形几何模型较简单，所以采用GUI方式划分网格。 图 3.4 模拟模型 图 3.5 网格划分在有限元分析中，网格划分的合适与否与计算结果的精度和计算效率息息相关。网格划分得越细，计算精度越高，所花费的计算时间越长；反之，计算精度变低，所花费的时间越短。而且，网格的划分细到一定得程度，计算精度变化较小甚至不发生变化。网格划分结果如图3.5所示。由于挤压过程存在接触摩擦，需要对接触表面进行选择，所以要选择实体，把部分实体组合成元件和部件。因此把铝的接触面定义成组元CONTACT(接触组元)，把模具接触面定义成组元TARGET（目标组元）。建立几何模型、网格划分及生成表面单元的ADPL的程序见附录。3.4 设置载荷和求解步骤加载和求解过程是ANSYS有限元分析中一个非常重要的部分，它主要包括确定分析类型和分析选项、施加载荷到几何模型、确定载荷步选项、选择求解的方式和开始求解分析运算。3.4.1 loads施加载荷和约束条件有限元分析的主要目的是检查结构或构件对一定载荷条件的响应。所以在分析中指定合适的载荷条件是关键的一步。在ANSYS软件中，可以用各种方式对模型加载，而且可以借助于载荷步选项，控制在求解中载荷如何使用。在ANSYS中，loads包括边界条件和外部或内部作用力函数，在不同的学科中，载荷的定义也不同，本文中主要的是结构分析。同时ANSYS提供了六大类的载荷:即DOF约束（自由度约束）、力、表面载荷、体载荷、惯性力及耦合场载荷，在本文中只需考虑自由度约束即可。因为在挤压过程中需要对铝材的上表面施加位移，此处施加位移0.025由于模具和铝的x方向需要固定，因此在模具的右侧和下侧以及铝的左侧施加约束条件，在这里约束条件都是位移都为0。3.4.2 分析类型的选择和求解器的设置在开始进行求解分析之前，用户必须根据载荷条件和要计算的响应指定一种分析类型。在ANSYS软件中，可以进行下列类型的分析：静态分析（Ststic）、瞬态分析（Transient）、谐分析（Harmonic）、模态分析（Model）、谱分析(Spectrum)、屈曲分析(Eigen bucking)和子结构分析(Substructuring)等。ANSYS软件的默认分析类型是静态分析，本文可以设置为静态分析。如果用户要完成一个静态分析或完全瞬态分析，用户可以使用求解控制对话框。它由5个“标签页面”组成，其中每一都容纳着与求解控制相关的内容，这5个标签从左到右的顺序依次是：基本设置、瞬态、求解选项、非线性以及高级非线性。在求解器控制的设置中，由于铝材挤压属于大变形问题，因此，在basic基本标签对话框中分析选项中选择Large Displacement Static（静态大位移），在Time at end of loadstep中设置为10，这是ANSYS软件指定一个与在载荷步末端的边界条件相一致的时间值。要把Auomatic time stepping（自动时间跟踪）中选择on，使用自动时间跟踪。同时，在Number of substeps（子步数设置为20，也就说指定了在载荷步内将要进行20的子步数）。由于本文采用静态分析，其它标签的设置可采用默认设置。求解过程基本属性对话框如3.6图所示14。图 3.6 求解器的设置3.4.3 求解计算在ANSYS软件中，计算机能够求解出由有限元方法建立的联立方程，求解的结果为：节点的自由度值：ANSYS的基本解；导出值：ANSYS的单元解（单元解通常是在单元的积分点上计算出来的）。由于本文只有一个载荷步，所以可直接对当前载荷步进行求解。其操作命令是SOLVE，执行该命令后，会弹出求解设置的信息框，用户对信息框中显示的信息确认无误后，便可进行计算，软件开始进行有限元分析，具体分析时间的长短取决于问题的大小，问题大，时间相对要长一些。当屏幕上显示“solution is done”信息框时，如图3.7所示，则有限元分析结束。图 3.7 求解运算对话框4铝型材挤压过程模拟结果及分析在ANSYS软件中，通过建模、加载、求解后，已经完成了有限元的基本分析，为了要显示出有限元的分析结果，必须要进入后处理。在这一部分我们可以看到以彩色云图方式、等值线方式或以列表的形式表示分析结果。在本文中通过GUI命令：Main MenuGeneral PostProcPlot Results 来查看模拟结果。利用ANSYS软件生成动画的功能，或通过ANSYS中POSTI通用后处理程序，我们可以清楚地看到整个挤压过程的动态变化过程。同时，我们通过ANSYS的select功能可以分别显示铝型材和模具，以便分析研究。4.1 铝型材挤压过程的应力应变分布从求解器的设置中，我们定义了10s的铝材挤压运动过程，从整个运动过程中，我们选取了第0.5s，4.9s，10s的应力应变分布图，如下图所示。 图 4.1 应力等值线图t=0.5s 图 4.2 应力等值线图t=4.9s 图 4.3 应力等值线图t=10s 图 4.4 应变等值线图t=0.5s 图 4.5 应变等值线图t=4.9s 图 4.6 应变等值线图t=10s图中显示的是第0.5s、4.9s、10s的应力等值线图和应变等值线图，其中第0.5s是铝材前部首先与模具接触，并且与模具最先接触的部位应力为360MPa，应变为0.0058。当运动到4.9s时，从应力等值线图中，我们可以看出，与模具接触过的铝材应力值达到713MPa，未与模具接触过的铝材应力值也达到了400MPa，同时，中部应变达到了0.218。第10s时，正与模具接触的铝材应力达到最大为736MPa，然而，已接触过的铝材应力值反而减小为200MPa。同时，正与模具接触的铝材应变达到了0.23。4.2 挤压过程模具的应力应变分布图从4.1中我们看到了铝材在挤压过程中的应力应变分布，为了优化模具结构，校验模具结构设计的合理性，我们还需知道在挤压过程中，模具的应力应变分布图，和查看铝材的应力应变分布图一样，我们也查看了第0.5s，4.9s，10s的应力等值线图和应变等值线图。 图 4.7 应力等值线图t=0.5s 图 4.8 应力等值线图t=4.9s 图 4.9 应力等值线图t=10s 图 4.10 应变等值线图t=0.5s图 4.11 应变等值线图t=4.9s 图 4.12 应变等值线图t=10s图中显示了第0.5s、4.9s、10s的模具应力等值线图和应变等值线图，其中第0.5s时，模具的接触部位应力值达到了184MPa，应变为0.00006。当运动进行到4.9s时，接触部位的应力达到了1070MPa，应变也达到了0.003，而且应力与应变变化的区域也在不断扩大。当铝材挤压运动到10s时，应力为1330MPa，应变为0.0034，此时模具的应力和应变是整个运动过程中最大的。4.3 铝材和模具不同部位应力变化结果分析实验中我们还在铝材上取的四个节点，模拟出四个节点的应力随时间变化的曲线。这四个节点分别是207,216,233,251，这四个节点分别位于铝材的前部，中部和尾部。通过模拟获得的数据绘制成图表如图4.13所示。图 4.13 铝材四个节点的应力.时间变化曲线从上面的图表中可以看出，B点和C点代表了铝材的前部，D点代表了铝材的中部，E点代表了铝材的尾部。在整个铝材挤压过程中，铝材前部首先受到模具的挤压，应力会率先达到峰值710MPa，然而，随着运动的进行，当前部与模具不接触后铝材的应力值会下降。紧接着铝材的中部与模具接触并受到挤压，接触部位的应力值也达到了700MPa，之后铝材中部的应力值也开始降低。当挤压过程进行到10s时，铝材的尾部也将要达到峰值700MPa。从图4.13的信息，我们可以得出，当铝材与模具接触挤压时应力值最大，然而当铝材与模具脱离接触后，铝材的应力值会下降。即只有在挤压时铝材的应力才能达到最大。从图4.14中我们可以看到，在整个挤压过程中，模具不同部位应力的变化。在图表中，B节点位于模具的接触表面，C,D,E依次远离接触表面。从图表中可以看到B节点的应力值随着挤压过程的进行逐渐变大，当过程进行到8s时，即模具和铝材完全接触时，模具的应力达到最大值1400MPa。通过B,C,D,E点的比较，可以看到距模具接触部位越远的位置，应力值就越小，但随着挤压过程的进行，B,C,D,E点的应力值都会增大。因此，我们可以得出结论，在模具接触的部位要使用高硬度的材料来优化模具的结构。图 4.14 模具四个节点的应力.时间变化曲线5 存在问题及发展趋势从很多文献资料中看到，有限元法解决铝型材成形过程数值模拟的优势在于对几何形状的适应性较好，可以精确地定义材料性质、状态变量和边界条件，能够处理复杂的问题。然而铝型材挤压的变形程度很大，挤压比一般在40.80之间，纯铝挤压时甚至可达到300，属于特大体积变形。由于有限元采用拉格朗日坐标，网格节点随着材料运动，变形程度很大时，导致网格单元严重变形，会使边界网格与模具表面出现交叉现象，影响计算精度，因此，必须重新划分网格才能将模拟进行下去。网格重划带来的问题是因为数据传递误差造成的计算精度的降低以及计算机资源的消耗。另外，因为网格重划以及挤压出口速度较快，有限元边界节点的接触与脱离对模拟结果具有较大影响，也就是说，挤压件的几何形状对于边界节点的接触和脱离条件十分敏感，也经常使模拟的挤压形状与实际形状存在偏差。所以，现今对铝型材挤压有限元数值模拟局限于相对简单的几何形状以及低挤压比的挤压。今后有限元法研究的重点一方面是在发展多维有限元网格的生成技术，再就是解决如何避免网格重划。6 结论1.利用ANSYS有限元分析软件，对铝型材挤压过程应力、应变场进行了模拟，结果对铝型材制备过程受力理论分析具有一定的指导意义。2.模拟结果同样对铝型材挤压模具的选择及应力分析具有较高的指导意义。3.模拟结果表明，铝型材与模具接触部位的铝型材应力达到最大值为736MPa，接触部位的模具应力达到最大值为1400MPa。参考文献1 YangDY, lee CM, Yoon JH. 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