鋁型材擠壓有限體積法數值模擬技術研究與系統(tǒng)開發(fā).pdf

1、隨著國民經濟的快速發(fā)展，鋁型材在各個領域得到了越來越廣泛的應用。但是由于鋁型材品種規(guī)格多種多樣，鋁型材擠壓過程材料的變形量大，流動規(guī)律復雜，擠壓模具承受載荷狀況惡劣，使得鋁型材擠壓產品開發(fā)和模具的設計成為決定擠壓件質量的關鍵環(huán)節(jié)。依賴經驗設計和試模返修的傳統(tǒng)生產模式已無法滿足鋁型材快速發(fā)展的需要。在效率就是生命，質量就是關鍵的市場經濟環(huán)境下，鋁型材企業(yè)最重視的就是模具設計加工成功率的提高，所以迫切需要可靠的科學理論來指導工藝及模具設計。

2、使用數值模擬方法能夠模擬鋁型材擠壓過程中金屬流動狀況，包括速度、應力、應變、壓力等各種物理場量的分布及變化情況，由此可以預測可能產生的缺陷，評價工藝及模具結構參數是否合理，并對其進行及時修改，從一定程度上避免了費時、費力、高成本的試模返修過程，從而能夠快速合理地進行工藝與模具設計，縮短生產周期。金屬塑性成形領域應用最為廣泛的數值模擬方法是拉格朗日有限元方法，但是由于鋁型材擠壓的變形劇烈，擠壓比通常比較大，用拉格朗日有限元法模擬鋁型材擠壓

3、，會遇到嚴重的網格畸變和頻繁的網格再劃分，帶來CPU計算時間增加、體積損失較大、誤差嚴重、模擬結果失真等問題，甚至當擠壓比達到一定數值時，模擬計算會最終因嚴重的網格畸變和體積損失而難以進行下去。 相對于拉格朗日有限元法，基于歐拉網格的有限體積數值模擬方法，因其網格的歐拉描述而能夠避免網格畸變和網格再劃分，在大變形的體積成形過程的模擬上顯示出其優(yōu)越性。商品化軟件Msc/SuperForge是目前唯一基于有限體積法，應用于金屬塑性成

4、形領域的數值模擬工具，國內外許多研究者利用其進行了鋁型材擠壓過程的模擬。但是SuperForge不是專門針對鋁型材擠壓的軟件，并且通過對該軟件的應用發(fā)現，與有限元軟件相比，Superforge在大變形比的鋁型材擠壓過程模擬方面具有優(yōu)越性，但計算的精度和模擬的效率之間的平衡問題是Msc/SuperForge軟件的瓶頸。 Msc/SuperForge使用類似于有限元網格的三角面片包裹金屬表面的方法來描述邊界，跟蹤自由表面，所以當網格

5、比較稀疏的時候，雖然計算速度較有限元方法快，但是模擬結果比較粗糙，三角面片帶來的毛刺現象比較嚴重。要使模擬的擠壓件表面質量提高，就要增加網格數量，但是由于Msc/SuperForge中歐拉背景網格尺寸是統(tǒng)一的，不能對用戶感興趣的關鍵區(qū)域進行局部加密，因此模擬質量的少許提高便會帶來網格數目的三次方增長，造成計算效率嚴重下降。 本文針對鋁型材擠壓這種大變形過程，旨在根據熱擠壓工藝條件下鋁合金材料的性質和成形過程的特點，研究鋁型材擠壓

6、有限體積法模擬的關鍵技術，尋找適合的途徑和方法，建立鋁型材擠壓有限體積法數值模擬模型，將適合大變形過程模擬的歐拉網格以及有限體積法靈活地引入鋁型材擠壓過程模擬中來，為鋁型材擠壓生產實際提供簡便高效的理論指導工具。 本文細致研究了熱擠壓工藝條件下金屬材料的性質，尤其是鋁合金的本構關系，認為，不考慮鋁型材擠壓中的彈性變形，可以將鋁合金視為剛塑性或粘塑性材料，并且鋁型材熱擠壓一般是在鋁合金的再結晶溫度以上進行，因此金屬的動力學粘度主要

7、取決于應變速率與溫度，所以將擠壓中的鋁合金視為非線性牛頓流體，可采用流體力學中簡單高效的SIMPLE算法迭代計算鋁型材擠壓中的速度場、壓力場，利用能量守恒方程求解溫度場，繼而根據鋁型材擠壓的本構方程，利用求解出的溫度和等效應變速率對鋁合金的動力學粘度進行更新。 鋁型材的擠壓一般根據材料性質、擠壓坯料高徑比的不同，分為穩(wěn)態(tài)擠壓和非穩(wěn)態(tài)擠壓。而實際的擠壓過程也分為穩(wěn)態(tài)擠壓階段和非穩(wěn)態(tài)擠壓階段，當坯料的高徑比比較大時，穩(wěn)態(tài)擠壓在整個擠

8、壓過程中所占比重很高。在工業(yè)生產中，鋁型材的生產一般都是連續(xù)擠壓，有效的擠壓件都是在擠壓的穩(wěn)態(tài)階段成型的，因此對鋁型材擠壓穩(wěn)態(tài)過程或狀態(tài)進行模擬非常必要。所以，本文首先進行了鋁型材擠壓穩(wěn)態(tài)流動過程的有限體積數值模擬。結合鋁型材擠壓材料的本構方程及材料的特性，研究了鋁型材擠壓穩(wěn)態(tài)流動過程有限體積法數值模擬的關鍵技術，推導建立了鋁型材擠壓過程中動量守恒方程、連續(xù)性方程、能量守恒方程的三維離散格式，得到了穩(wěn)態(tài)SIMPLE算法的三維公式和求解流

9、程，提出了鋁型材擠壓過程中材料粘度的迭代更新方法。給出了迭代收斂的判據，并且實現了網格的局部加密，不僅提高了計算效率，而且保證了模擬質量。在此基礎上，利用Virual C++程序平臺，編制了程序，建立了鋁型材擠壓穩(wěn)態(tài)過程有限體積法數值模擬模型，利用該模型進行了穩(wěn)態(tài)算例模擬，并且與有限元軟件DEFORM-3D、CASFORM，有限體積軟件SuperForge的模擬結果進行對比驗證，證明了本文建立的鋁型材擠壓三維穩(wěn)態(tài)過程有限體積數值模擬模型

10、的正確性和高效性。 擠壓過程進行到穩(wěn)態(tài)之前的階段從一定程度上會影響穩(wěn)態(tài)階段金屬的流動，并且決定著擠壓制品的前端形狀、應變的積累等，而這些都是制品是否發(fā)生翹曲、開裂等缺陷的重要因素；為了使數值模擬能夠真實反映鋁型材擠壓的實際過程，增強鋁型材擠壓數值模擬軟件對實際生產的指導作用，有必要對鋁型材擠壓由非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)整個變化的過程進行研究，得到擠壓中重要物理場量隨時間的變化規(guī)律。因此本文在穩(wěn)態(tài)研究的基礎上，拓展建立了鋁型材非穩(wěn)態(tài)擠壓過程中

11、動量守恒方程、連續(xù)性方程、能量守恒方程的三維離散格式，得到了三維非穩(wěn)態(tài)SIMPLE算法的公式和算法流程。針對材料的非穩(wěn)態(tài)流動，將計算流體領域廣泛應用的VOF方法引入鋁型材擠壓過程中的金屬流動前沿的動態(tài)捕捉中來，真實地模擬了金屬前沿流動趨勢，得到了良好的表面質量?；赩OF方法，提出根據自由表面位置，自動識別金屬流體區(qū)域，流場計算采用局部計算方法，即：用控制方程求解金屬單元變量，在自由表面單元施加動力學以及運動學條件，空氣單元跳過不參與計

12、算，提高了計算效率。提出局部采用“動網格技術”的方法，既解決了擠壓墊片移動引起的計算區(qū)域變化問題，又避免了全局網格變化帶來的計算時間的浪費。根據計算的穩(wěn)定性條件，提出用時間步長的自動調節(jié)方法來進一步提高模擬計算的效率。利用以上關鍵技術，建立了鋁型材擠壓三維非穩(wěn)態(tài)過程有限體積數值模擬模型，自主開發(fā)了鋁型材擠壓三維非穩(wěn)態(tài)過程有限體積數值模擬軟件，并且利用典型的鋁型材擠壓非穩(wěn)態(tài)實例驗證了鋁型材擠壓三維非穩(wěn)態(tài)過程有限體積法數值模擬模型是正確、高

13、效的。 以上穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)模型均是在三維笛卡爾正交網格上建立的，笛卡爾正交網格雖然能夠模擬任何形狀區(qū)域的流動，程序適應性強，但是正交網格對復雜邊界或曲線邊界采用“階梯狀”近似逼近，在網格較粗的情況下會帶來計算誤差和邊界施加的困難。為了使計算網格邊界與流體區(qū)域邊界更加吻合，使邊界條件的施加更加方便、科學，計算更加貼合實際擠壓過程，本文研究了適體網格的生成技術，在此基礎上著重研究了網格的非正交性對鋁型材擠壓控制方程中對流項、擴散項的影

14、響，推導建立了三維適體網格下各控制方程的離散公式，基于正交網格下的VOF方法和移動網格技術，充分考慮網格非正交性的影響，拓展建立了適體網格下的VOF方法和移動網格技術。非正交邊界上采用剪切摩擦模型，并在此基礎上提出了適體網格下邊界條件的施加方法。以上述關鍵技術為依托，建立了更加貼合擠壓實際，更加適應復雜區(qū)域擠壓過程模擬的適體網格下的鋁型材擠壓有限體積法數值模擬數學模型，對三維鋁型材擠壓過程有限體積法數值模擬軟件進行了網格適體性優(yōu)化，對典