多边形铝型材热挤压模三维热力耦合分析

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多边形铝型材热挤压模三维热力耦合分析发布：2009-11-17 9:48:10  来源:转载  浏览 343 次  编辑：佚名
* `6 p3 W8 ~1 n; u/ W: x摘要：以某多边形铝型材热挤压模为研究对象进行三维热力耦合分析，找出了导致热挤压模分流桥产生裂纹的原因，选取热挤压模主要结构参数作为优化对象进行了优化，经过59次迭代计算，获得最优结构参数，节点最大等效力值下降了33．5％。几何参数优化后的模具经生产检验，模具寿命得到了提高，节约了成本。
关键词：铝型材；热挤压模；热力耦合分析；优化设计
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1引言    ．
+ m' |' d9 c) d# p) J$ Q) M/ N) m; |/ I  挤压铝型材由于重量轻、强度高、耐腐蚀、造型美观等优点，在建筑、机械、电器、日用五金、交通运输、航空航天等领域日益得到广泛的应用。作为其成型装备之一的热挤压模具的使用寿命是影响挤压铝型材生产成本至关重要的因素。如何提高模具的使用寿命是各大铝型材生产厂家和科研机构的重要课题。模具结构及其强度是影响模具使用寿命的最重要的因素。因此，对铝型材热挤压模进行三维热力耦合强度分析，在模具加工之前就能预测其可能产生的缺陷，进而进行优化设计，代替传统的试模、修模工序，对于提高模具质量、减少材料消耗、提高生产效率和降低生产成本具有重要意义。以下以某铝型材加工厂的多边形铝型材热挤压模为研究对象，基于有限变形理论建立热挤压模工作过程中的热力耦合应力场数学模型，利用大型有限元分析软件栅对热挤压过程中模具的热力耦合应力场进行数值模拟和分析，并对模具主要结构进行优化设计。
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2热挤压模三维参数化几何模型的建立
  三维参数化几何模型是对其进行热力耦合分析及优化设计的基础。以有限元分析软件ANSYS为开发平台，结合其参数化设计语言APDL来建立多边形铝型材热挤压模上模的几何模型。
: `3 o! S- d7 `6 \    多边形铝型材热挤压模上模的结构如图1所示。上模结构比较复杂，尤其是分流孔的形状成为几何建模的关键。根据上模结构特点，采取由下而上的建模方法，沿模具的厚度方向，将分流孔分成n(取决于计算精度)等份，建立如图2所示的由每层截面线框构成的线框模型，再通过蒙皮技术和自上而下、自下而上相结合的方法以及布尔运算，建立如图3所示的三维参数化几何模型眨。
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+ i3 z, ?( ^5 r! N2 Q3 R2 r6 k3铝型材热挤压过程温度场及热应力场分析
  铝型材热挤压过程的传热过程十分复杂，热对流、热传导和热辐射均存在。分析时设置如下边界条件：①热挤压模具的初始温度分布均匀；②坯料与模具之间、上下模之间、模具与模套之间为无间隙接触，它们之间只有热传导而无对流和辐射；③由于坯料移动距离较短，不考虑热迁移；④由于变形区流向未变形坯料的热流动与坯料以挤压速度向变形区移动引起的热流动有相互抵消作用，热挤压模上表面与坯锭的接触面为恒温面。
* y; G' z9 ^8 Z; V, ]0 V3．1热挤压模非稳态温度场微分方程
  在铝型材热挤压过程中，热挤压模具内的温度分布为空间坐标和导热时间的函数。根据边界条件和能量守恒定律可得各向同性材料的三维非稳态传热过程的平衡方程

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! R8 i- D# `1 L2 U- Z/ @$ ?3．2热挤压模热应力场的数学模型
! g% u) `2 i  M+ c/ d4 F5 ]$ e9 ^  利用应力与应变增量关系建立起来的增量理论能够真实地反映材料的弹塑性行为，可用来求解材料的弹塑性问题。对于每一个温度载荷步，结构平衡方程为：

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# ?, p6 O7 ?, V4 |- C3 E9 H3．3数值模拟的实现及模拟结果分析
) h9 h; U, F) S, l% V' M, p# @  在三维几何模型的基础上进行数值模拟，必须将其转化为有限元模型。根据图1所示多边形热挤压模上模几何对称的特点，为减少计算工作量，取其1／2进行网格划分。为施加与分流孔表面、模芯表面和工作带表面相切的摩擦力载荷，以便为随后的热力耦合分析做准备，使用三维结构表面效应单元~JRl54对这些表面进行网格划分。该单元能够附着在任何三维元素的表面上，使得各种载荷与表面效应同时存在。模具实体采用三维耦合场的10节点、6自由度、四面体二次单元(~LID98)进行网格划分。该单元具有二次位移特性，能够直接进行磁、热、电、压电以及结构的耦合场分析。表面效应单元采用映射网格划分，结构实体采用智能网格划分，得到多边形铝型材热挤压模上模的有限元模型如图4所示，共生成44910个单元，63 164个节点。
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: H( F3 s" v. B" K模具材料为H13钢(4Cr5MoSiVl)，材料性能参数见表1。根据模具实际工作的物理环境，进行模具热弹塑性的热应力场分析，施加如下约束：①与下模接触表面上的节点沿Z方向的位移为0；(参剖分面施加对称约束；③根据变形协调条件求出的变形作为模具外表面约束。
+ |# A8 u3 ?8 C, Y2 i    根据以上理论推导及有限元数值模拟，得到如图5所示的热挤压模的vorl Mises热应力分布。从图5可看出，热应力分布不均，模桥上标有MX处的热应力最大。
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, P# _* T- @* H4热力耦合应力场分析
4．1热力耦合应力场数学模型的建立
8 i7 }8 @3 c& L2 I0 e  在热挤压过程中，挤压模既承受机械载荷又承受热载荷。机械载荷以及由此产生的摩擦、变形热会引起温度的变化，温度的变化又会影响模具的结构变形和材料的性质发生变化，而结构变形又会引起机械载荷以及热边界条件的变化。所以要得到热挤压模的应力应变分布，就要对其进行热力耦合应力场分析。
, A( |' D$ e0 R  在有限变形条件下，基于更新的拉格朗日法弹塑性有限元理论的平衡方程为

  
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4．2热力耦合应力场数值模拟的实现与模拟结果分析
    在热挤压过程中，模具所承受载荷有：①与坯锭接触面上的挤压力；②分流孔表面、模芯表面、工作带表面的挤压力以及这些面与金属流之间的摩擦力；③热载荷，包括预热、摩擦生热以及变形热。
/ `& a6 ?$ m, \1 `0 m. c* \    模具材料为H13钢，挤压材料为6063铝合金。热挤压模具的工作温度为450～550℃。铝合金在27 000KN液压挤压机上被挤压成型，根据别尔林公式计算挤压力有

6 X. E$ K: x0 y4 A7 G$ a1 l2 F( i约束条件如前所述。施加所有载荷和约束后的有限元模型如图6所示。图7为热挤压模的等效应力图(von Mises Stress)。从图7可以看出，分流桥与模芯相结合部分(MX处)应力最大，应力集中明显，最大节点等效应力达到1 072．34MPa，超过了H13钢在550℃时的屈服强度极限，容易产生裂纹，这与实际生产中分流桥开裂的情况相吻合。

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* z; X) p! `) |1 D3 M' [" ]' {5结构优化设计
; O  w4 t: j: E9 a. y5 g  铝型材热挤压模的工作环境非常恶劣，工作时长时间承受高温、高压：热应力、反复循环应力、高温高压下的摩擦力及局部应力等，如果模具结构不合理，很容易发生热疲劳、失稳、磨损、局部变形、分流桥断裂、塌陷、模芯偏移或断裂等形式的失效。多边形铝型材热挤压模主要失效形式为：上模分流桥因受弯曲应力而被破坏和分流孔处在危险断面被剪断。以上热应力分析和热力耦合分析也都表明，模桥的应力集中严重。影响模桥强度的主要几何结构因素为分流桥厚度H、模角a1和a2、分流孔半径R1和R2(见图1)，因此，这些参数作为优化设计变量。
9 y6 L) I& d" _+ U6 ]% N    优化设计变量的初始值分别为H=85 mm，a1=a2=30°，R1=85mm,R2=90mm,节点最大等效应力值是1 072．34MPa。设计变量范围见表3。优化设计程序框图如图8所示。以H13钢在550℃时的屈服强度极限d。=902MPa为目标函数的最大值。经过59次迭代计算(迭代计算结果见表4)，得到第36次迭代结果为最优结果。此时，设计变量的值分别为：H=98．2 mm，a1=23．8°，a2=25．6°，R1=96．3mm,R2=104．7mm。节点最大等效应力值是713．1MPa。节点最大等效力值下降了33．5％。


0 [& Z( Z/ z1 y, t8 N, q3 a0 i    表3优化设计变量范围

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4 X4 a7 {  F3 m7 W' t" X5 ? 6结束语
: c7 E0 N, e6 t8 ^  在用参数化设计语言APDL建立起多边形铝型材热挤压模的三维参数化几何模型基础上，对其进行了基于有限变形理论的三维热力耦合分析，得到了其等效应力分布图，找出了引起模具分流桥产生裂纹的原因是应力分布不均和应力集中严重。以模具主要几何参数为优化设计变量进行优化设计，优化设计后，节点最大等效应力下降了33．5％。以优化后的模具几何参数加工的模具经工厂生产检验后，模具使用寿命得到了提高，节约了成本。

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