空心异型铝型材挤压过程数值分析及模具工作带优化研究

摘要

人们正在寻求新的可持续发展途径，而轻量化作为一种能有效降低能源的消耗的方法，越来越受到人们的关注，具有强度高、耐腐蚀、密度小、导热性能好的铝合金是轻量化首选的金属材料，目前已被广泛应用于交通、建筑、汽车、船舶等领域。挤压加工是铝合金材料加工生产的一种重要方法，而挤压模具的结构与工艺参数对生产的型材制品质量有很大的影响，这些参数的确定要求工程人员拥有丰富的实践经验，还要经过反复的“试修”，才能保证型材制品的质量，这严重制约着我国铝型材领域的发展。随着数值模拟技术的应用，人们可提前发现设计中的缺陷，从而有针对性的改正，获得合理的设计方案。　　本文首先阐述了任意拉格朗日-欧拉方法的基本原理，介绍了基于该算法的HyperXtrude，叙述了其功能、边界条件、计算流程、稳态假设等，并以某难挤压的空心异型铝型材为例，模拟分析了其挤压过程，并针对型材速度分布不均匀与变形大等问题，采用增设阻流台与调整工作带的方式，调节坯料的流速，降低型材的变形量。　　设定模拟方案，研究了挤压速度、坯料预热温度、模具预热温度对挤压成型过程的影响规律。结果表明：降低挤压速度与提高模具与坯料的预热温度有有效的减小挤压力和金属的流动应力；过高的挤压速度将导致坯料流速不均匀性加大，模具承受的最大等效应力增加，易造成模具的失效；模具与坯料预热温度较高时，坯料的流动均匀性提高；坯料的预热温度对型材与模具温度的影响较小，而模具预热温度的升高，型材与模具的最高温度降低且温度分布更加均匀。　　最后探讨了焊合室深度与焊合角度对挤压成型过程的影响规律，发现随着焊合室深度的加大，挤压力、模具承受的最大等效应力和模芯的偏移量也随着增大，且存在着一个使坯料流速最均匀的焊合室深度值；焊合角的改变影响着模芯的稳定性和挤压力的大小，并以工作带长度为设计变量，采用自适应响应面法，基于HyperStudy平台优化了工作带长度，将优化后型材的速度与变形分布与初始设计方案相比，型材的速度分布变得更加均匀，型材变形量降低。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1引言

1.2 铝型材挤压及模具技术

1.3挤压时金属的流动特性和影响因素

1.4铝型材挤压过程中产生的主要缺陷和原因

1.5 国内外铝型材挤压数值模拟研究现状

1.6 铝型材挤压数值模拟的主要方法

1.7 课题研究目的及主要内容

第二章 有限元基本理论及Hyperxtrude软件

2.1引言

2.2 任意Lagrangian-Eulerian方法

2.3 不可压缩流体稳态流动的ALE描述

2.4 HyperXtrude简介

2.5 铝型材挤压数值模拟分析算例

2.6 本章小结

第三章 工艺参数对型材挤压成型过程的影响

3.1 引言

3.2挤压速度对挤压过程的影响

3.3坯料预热温度对挤压过程的影响

3.4模具预热温度对挤压过程的影响

3.5 本章小结

第四章 模具结构参数对挤压过程的影响

4.1 引言

4.2 焊合室深度对挤压成型过程的影响

4.3 焊合角对挤压成型过程的影响

4.4本章小结

第五章 挤压模具工作带优化设计

5.1引言

5.2 挤压过程中金属流速与变形问题

5.3 优化设计的数学模型与优化方法

5.4 工作带长度的优化设计

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要成果