有限元分析在擠壓模具優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

　　1　前言

　　鋁型材因具有質(zhì)量輕、比強度（詞條“強度”由行業(yè)大百科提供）高、蘊藏量大、外形美觀、耐腐蝕性、耐候性好等特點，被建筑、交通、航天、通訊設(shè)備、運動器械、家居裝飾等行業(yè)廣泛采用。同時鋁合金（詞條“鋁合金”由行業(yè)大百科提供）產(chǎn)業(yè)是世界各國的重點發(fā)展領(lǐng)域，其發(fā)展速度僅次于鋼鐵且遠(yuǎn)高于其他金屬材料。鋁型材（詞條“型材”由行業(yè)大百科提供）制品質(zhì)量的高低取決于擠壓設(shè)備、擠壓模具的質(zhì)量。模具設(shè)計制造作為鋁型材生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，它的優(yōu)劣直接影響擠壓型材的性能、外觀甚至生產(chǎn)的成敗。然而，傳統(tǒng)的擠壓模具設(shè)計主要依靠經(jīng)驗和類比設(shè)計的方法，其參數(shù)的采用往往與模具設(shè)計者的工作經(jīng)驗以及技術(shù)水平密切關(guān)聯(lián)。同時，鋁型材截面（詞條“截面”由行業(yè)大百科提供）復(fù)雜多樣，難以保證設(shè)計的模具能均勻擠出坯料。往往生產(chǎn)出來的坯料出現(xiàn)扭曲、波浪、裂紋等現(xiàn)象，導(dǎo)致模具反復(fù)返工，試模。傳統(tǒng)設(shè)計流程一般按照“設(shè)計、制造、試模、反復(fù)修模、改模、調(diào)整擠壓工藝參數(shù)”的流程重復(fù)進(jìn)行才能達(dá)到理想的效果。這樣不僅嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率，而且會造成人員、物料的大量浪費。

　　計算機技術(shù)的應(yīng)用，可有效減少試模次數(shù)，縮短設(shè)計開發(fā)周期。隨著有限元數(shù)值模擬技術(shù)在擠壓鋁型材制造的應(yīng)用，將把擠壓模具的設(shè)計制造領(lǐng)進(jìn)了一個新的發(fā)展階段。這種基于有限元模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上的技術(shù)，具有多方面的優(yōu)勢：在模具初始設(shè)計后，可以在計算機上進(jìn)行仿真試模代替現(xiàn)實試模，降低模具設(shè)計開發(fā)成本;大幅度縮短設(shè)計開發(fā)周期;為設(shè)計人員提供可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，給設(shè)計者優(yōu)化設(shè)計模具提供系統(tǒng)的數(shù)據(jù)依據(jù);更有利于設(shè)計知識的積累。近年來，許多國家都對鋁型材擠壓力學(xué)理論和數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了研究，在設(shè)計模具提供科學(xué)性依據(jù)和指導(dǎo)模具生產(chǎn)方面，取得了一定的成果。

　　2　國內(nèi)外擠壓模具仿真模擬的情況

　　對鋁型材擠壓進(jìn)行仿真模擬，可以預(yù)先得出擠壓模具實際擠壓過程中出現(xiàn)的問題，及早優(yōu)化設(shè)計擠壓模具結(jié)構(gòu)，調(diào)整有關(guān)工藝參數(shù)等解決方案。國內(nèi)外學(xué)者都在此方面做了很多研究，取得了顯著的成果。韓國學(xué)者HyunWooShin等早在1993年對非軸對稱擠壓進(jìn)行了有限元分析，利用二維剛塑性有限元方法結(jié)合厚板理論將三維問題進(jìn)行了簡化，對整個擠壓過程進(jìn)行了不失準(zhǔn)確的數(shù)值模擬，同時也減少了計算量[1]。

　　在二次開發(fā)方面，國內(nèi)的一些研究也值得關(guān)注。深圳大學(xué)的李積彬[2]用C語言編寫了鋁型材擠壓模具參數(shù)設(shè)計的程序，以流程圖的形式引導(dǎo)擠壓模具的設(shè)計過程;以人機交互的形式實現(xiàn)擠壓模具參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。江蘇戚墅堰機車車輛工藝研究所的盛偉[3]等用Ansys軟件進(jìn)行金屬塑性成形過程模擬軟件的二次開發(fā)，并應(yīng)用該軟件對鍛件塑性成形過程進(jìn)行了模擬，為提高鍛件質(zhì)量、預(yù)測金屬成形中的缺陷、制定合理工藝提供了理論依據(jù)。

　　對于變形模擬的研究，國內(nèi)專家取得了不少的成果。于滬平、彭穎紅[4]等在《平流分流焊合模成型過程的數(shù)值模擬》一文中采用塑性模擬軟件Deform，對平面分流模具進(jìn)行了仿真分析，從而得出應(yīng)力（詞條“應(yīng)力”由行業(yè)大百科提供）、溫度和流速的分布和變化。劉漢武、于樺[5]等在《鋁型材擠壓分流組合模有限元分析和計算》中利用Ansys有限元分析軟件進(jìn)行有限元分析計算，得出原模具設(shè)計中不易發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)缺陷。

　　近年來，越來越多企業(yè)投身于擠壓模具數(shù)字模擬技術(shù)的研究應(yīng)用。采用HyperXtrude等的仿真模擬軟件進(jìn)行模具仿真模擬。HyperXtrude作為專業(yè)的鋁型材仿真軟件，是Altair公司旗下Hyperworks下的一個模塊。HyperXtrude能夠?qū)崿F(xiàn)鋁型材擠壓過程中的穩(wěn)態(tài)變形分析、瞬態(tài)變形分析、壓余長度預(yù)測、焊合長度預(yù)測、正反向擠壓模擬、擠壓模具優(yōu)化等多種分析。

　　3　利用有限元仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的過程

　　進(jìn)行有限元仿真模擬是利用基于流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的有限元分析軟件，對設(shè)計出來的模具三維模型進(jìn)行有限元分析，研究金屬流動規(guī)律以及模具和擠壓加工過程中各質(zhì)點各時刻的應(yīng)力場、應(yīng)變場、流變速度場等的動態(tài)數(shù)據(jù)，而且可對擠壓模具的受力和溫度變化進(jìn)行動態(tài)分析，由此可為擠壓工藝的制定和擠壓模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效優(yōu)化。以下將以HyperXtrude軟件為例介紹有限元仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的過程。

　　3.1　分析結(jié)果

　　根據(jù)模具初步設(shè)計方案，模具設(shè)計二維圖如圖1所示，在三維建模軟件Solidworks中建立三維模型。將其導(dǎo)入有限元分析軟件HyperXtrude中，如圖2所示，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并加入具體的擠壓工藝參數(shù)：材料為6061鋁合金圓棒;擠壓筒直徑258mm;鋁錠預(yù)熱溫度490℃;擠壓筒溫度35℃;模具溫度490℃;擠壓機推頭流速10mm/s，提交計算，可得到如下結(jié)果，結(jié)果顯示：

　　圖1 模具設(shè)計二維圖

　　圖3 型材擠出圖

　　(2)工作帶位置型材流速和變形分析：圖4是工作帶位置的型材流速情況。結(jié)果顯示, 型材右邊比左邊快，且差距較大，上邊比下邊稍稍快。這將導(dǎo)致料頭擠出時，分別向慢的兩個方向彎曲。

　　圖4 工作帶部分材料流速分析圖

　　(3)分流孔流速分析：如圖5所示上、下兩個分流孔流速較快。其中，上面分流孔流速最快，中間橋位處流速非常慢。圖6所示的料頭顯示，上下分流孔對應(yīng)的部分流速較快，兩個分流孔之間的橋位流速較慢。模擬分析結(jié)構(gòu)與料頭結(jié)構(gòu)一致。

　　圖5 分流孔部分材料流速分析圖

　　圖6 料頭示意圖

　　(4)型材流速和實際變形分析對照：圖8試模料頭顯示型材向左側(cè)彎曲，其彎曲變形趨勢與模擬結(jié)果圖7一致。

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