鋁型材擠壓有限體積法數(shù)值模擬技術(shù)研究與系統(tǒng)開發(fā).pdf

1、隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，鋁型材在各個領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)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(fù)雜，擠壓模具承受載荷狀況惡劣，使得鋁型材擠壓產(chǎn)品開發(fā)和模具的設(shè)計成為決定擠壓件質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。依賴經(jīng)驗設(shè)計和試模返修的傳統(tǒng)生產(chǎn)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(zhì)量就是關(guān)鍵的市場經(jīng)濟環(huán)境下，鋁型材企業(yè)最重視的就是模具設(shè)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(shè)計。

2、使用數(shù)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(yīng)力、應(yīng)變、壓力等各種物理場量的分布及變化情況，由此可以預(yù)測可能產(chǎn)生的缺陷，評價工藝及模具結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shè)計，縮短生產(chǎn)周期。金屬塑性成形領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的數(shù)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(wǎng)格畸變和頻繁的網(wǎng)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(jié)果失真等問題，甚至當擠壓比達到一定數(shù)值時，模擬計算會最終因嚴重的網(wǎng)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(wǎng)格的有限體積數(shù)值模擬方法，因其網(wǎng)格的歐拉描述而能夠避免網(wǎng)格畸變和網(wǎng)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(yīng)用于金屬塑性成

4、形領(lǐng)域的數(shù)值模擬工具，國內(nèi)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(yīng)用發(fā)現(xiàn)，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(wǎng)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(wǎng)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(jié)果比較粗糙，三角面片帶來的毛刺現(xiàn)象比較嚴重。要使模擬的擠壓件表面質(zhì)量提高，就要增加網(wǎng)格數(shù)量，但是由于Msc/SuperForge中歐拉背景網(wǎng)格尺寸是統(tǒng)一的，不能對用戶感興趣的關(guān)鍵區(qū)域進行局部加密，因此模擬質(zhì)量的少許提高便會帶來網(wǎng)格數(shù)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(jù)熱擠壓工藝條件下鋁合金材料的性質(zhì)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(guān)鍵技術(shù)，尋找適合的途徑和方法，建立鋁型材擠壓有限體積法數(shù)值模擬模型，將適合大變形過程模擬的歐拉網(wǎng)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(chǎn)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(zhì)，尤其是鋁合金的本構(gòu)關(guān)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(jié)晶溫度以上進行，因此金屬的動力學粘度主要

7、取決于應(yīng)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(jù)鋁型材擠壓的本構(gòu)方程，利用求解出的溫度和等效應(yīng)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(jù)材料性質(zhì)、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(chǎn)中，鋁型材的生產(chǎn)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(shù)值模擬。結(jié)合鋁型材擠壓材料的本構(gòu)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(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)，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(jù)，并且實現(xiàn)了網(wǎng)格的局部加密，不僅提高了計算效率，而且保證了模擬質(zhì)量。在此基礎(chǔ)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(shù)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(jié)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(shù)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(yīng)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(shù)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(shù)值模擬軟件對實際生產(chǎn)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(chǔ)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(lǐng)域廣泛應(yīng)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(zhì)量?；赩OF方法，提出根據(jù)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(wǎng)格技術(shù)”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(wǎng)格變化帶來的計算時間的浪費。根據(jù)計算的穩(wěn)定性條件，提出用時間步長的自動調(diào)節(jié)方法來進一步提高模擬計算的效率。利用以上關(guān)鍵技術(shù)，建立了鋁型材擠壓三維非穩(wěn)態(tài)過程有限體積數(shù)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(shù)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(shù)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(wǎng)格上建立的，笛卡爾正交網(wǎng)格雖然能夠模擬任何形狀區(qū)域的流動，程序適應(yīng)性強，但是正交網(wǎng)格對復(fù)雜邊界或曲線邊界采用“階梯狀”近似逼近，在網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)格的生成技術(shù)，在此基礎(chǔ)上著重研究了網(wǎng)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(wǎng)格下各控制方程的離散公式，基于正交網(wǎng)格下的VOF方法和移動網(wǎng)格技術(shù)，充分考慮網(wǎng)格非正交性的影響，拓展建立了適體網(wǎng)格下的VOF方法和移動網(wǎng)格技術(shù)。非正交邊界上采用剪切摩擦模型，并在此基礎(chǔ)上提出了適體網(wǎng)格下邊界條件的施加方法。以上述關(guān)鍵技術(shù)為依托，建立了更加貼合擠壓實際，更加適應(yīng)復(fù)雜區(qū)域擠壓過程模擬的適體網(wǎng)格下的鋁型材擠壓有限體積法數(shù)值模擬數(shù)學模型，對三維鋁型材擠壓過程有限體積法數(shù)值模擬軟件進行了網(wǎng)格適體性優(yōu)化，對典