铝型材挤压过程的计算机模拟仿真.docx

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铝型材挤压过程的计算机模拟仿真

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：

学号：

2008204279

单位：

汽车与交通工程学院

指导教师：

2012年5月25日

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　　　　　　　

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

Abstract

Dependonthefiniteelement,thefiniteelementsoftwareANSYScanrealizethealuminumextrusionprocesssimulationandobtainthestressfieldandstrainfielddistributionofaluminum,stressfieldandstrainfielddistributionofmould,aswellasthechangecurveofthedifferentpartsofthealuminumandmould.Hightemperature,highpressure,closedcharacteristicsofaluminumextrusionhasbroughtmuchinconveniencetophysicalandtheexperimentalresearch.Thecharacteristicssuchasthin-wallandcomplexhighextrusionratiohasbroughtalotoftroubletothedesignofextrusiontechnologyandmould.Thistopicusesthecomputersimulationfortheprocessofaluminumextrusionbyemulationtechnique,optimizesaluminumextrusiontechnologyandthestructureofmould.,andalsoinspectiontheextrusiontechnologyandthedesignrationalityofthestructureofthemould.

Keywords:

Extrusion;Finiteelement;Aluminum;Stressfield

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λ=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，YermanokMZ[6]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BerezhonyＶＬ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①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。

②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]。

2.2ANSYS软件介绍

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限