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交通用铝型材挤压在线淬火过程的数值模拟和实验验证

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2017年第12期

论文作者:姚再起 徐戎 李落星

文章页码:3263 - 3271

关键词:铝型材;末端淬火;界面换热系数;反分析法;数值模拟

Key words:aluminum profile; end quenching; interfacial heat transfer coefficient; inverse analysis method; numerical simulation

摘    要:建立某复杂截面铝型材挤压在线淬火实际生产过程的有限元模型,采用反求的界面换热系数作为界面换热参数,模拟计算型材挤压在线风淬过程。研究结果表明:在合金淬火敏感温度区间内,模拟温度与实测温度平均相对误差约为8.5%,证实了模型的可靠性;复杂截面铝型材各部位厚度差别较大,整体冷却不均匀,容易产生较大的热应力,增大型材产生变形等缺陷的风险。

Abstract: A finite element model for the on-line quenching process of aluminum profile extrusion with complex cross section was established. In this model, the inverse identified interfacial heat transfer coefficient was used as an important parameter to simulate the on-line quenching process of profile extrusion. The results show that the average relative error between the calculated temperature and the measured temperature is about 8.5% within the temperature range of quenching sensitivity, which verifies the reliability of the model. As a result of the characteristics of complexity in shape and difference in wall thickness, the aluminum profile produces the larger thermal stress easily during the quenching process, which makes the probability of quenching distortion increase.



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DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.12.017

交通用铝型材挤压在线淬火过程的数值模拟和实验验证

徐戎1, 2,李落星1, 2,姚再起1, 2, 3

(1. 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南 长沙,410082;

2. 湖南大学 机械与运载工程学院,湖南 长沙,410082;

3. 吉利汽车研究院 虚拟性能开发部,浙江 杭州,311228)

摘要:建立某复杂截面铝型材挤压在线淬火实际生产过程的有限元模型,采用反求的界面换热系数作为界面换热参数,模拟计算型材挤压在线风淬过程。研究结果表明:在合金淬火敏感温度区间内,模拟温度与实测温度平均相对误差约为8.5%,证实了模型的可靠性;复杂截面铝型材各部位厚度差别较大,整体冷却不均匀,容易产生较大的热应力,增大型材产生变形等缺陷的风险。

关键词:铝型材;末端淬火;界面换热系数;反分析法;数值模拟

中图分类号:TG156.3             文献标志码:A         文章编号:1672-7207(2017)12-3263-08

Numerical simulation and experimental verification of extrusion online quenching process of aluminum profile used for traffic

XU Rong1, 2, LI Luoxing1, 2, YAO Zaiqi1, 2, 3

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University, Changsha 410082, China;

2. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;

3. Virtual Performance Development Division, Geely Automobile Research Institute, Hangzhou 311228, China)

Abstract: A finite element model for the on-line quenching process of aluminum profile extrusion with complex cross section was established. In this model, the inverse identified interfacial heat transfer coefficient was used as an important parameter to simulate the on-line quenching process of profile extrusion. The results show that the average relative error between the calculated temperature and the measured temperature is about 8.5% within the temperature range of quenching sensitivity, which verifies the reliability of the model. As a result of the characteristics of complexity in shape and difference in wall thickness, the aluminum profile produces the larger thermal stress easily during the quenching process, which makes the probability of quenching distortion increase.

Key words: aluminum profile; end quenching; interfacial heat transfer coefficient; inverse analysis method; numerical simulation

随着交通运输行业的迅速发展,交通用铝型材的产量逐年增加[1-4]。在航空运输领域中,复杂铝型材主要用作各种梁类结构件等[5]。在铁路和公路运输领域中,铝型材广泛应用于高铁、地铁、轻轨、豪华大巴以及长途货车等大型车辆的整体外形结构件、重要受力部件和大型装饰部件[6-8]。在水路运输领域中,铝型材主要用作船舶、舰艇、汽艇、快艇、水翼艇和航空母舰的上层结构、甲板、隔板和地板等[9]。铝型材通过固溶和时效热处理可大幅度提高产品的力学性能,以满足使用要求。但在淬火过程中,急剧冷却的产品内部容易产生很大的残余应力,可能引起型材在淬火和后续加工过程中变形,如大型复杂截面铝型材在淬火中主要发生翘曲、扭曲等问题[10],因此,研究铝型材淬火过程、提高淬火后产品质量已成为当前铝加工业的重要课题[11-12]。交通用铝合金型材由于尺寸大、壁厚不均匀和形状非对称等特殊原因,采用传统方法来研究其淬火过程不仅成本高、周期长,而且效率低。随着计算机运算能力的不断提高,数值仿真技术普遍应用于金属热处理领域,为研究和解决铝合金淬火过程中的变形等问题提供了一种高效、经济的方法。然而,模拟精度在很大程度上取决于边界条件的设定,尤其是对界面换热系数的设定特别敏感,因此,如何获得高精度的界面换热系数成为提高铝合金淬火过程计算机模拟精度的重要任务之一。由于影响因素众多,界面换热系数无法通过精确测量和理论计算获得,只能通过实验研究获得,但目前还不能将实验求解得到的界面换热系数应用于实际生产。为此,本文作者针对某复杂截面铝型材在线风淬过程,采用实验反求的界面换热系数作为型材挤压在线风淬过程模拟的边界条件,以实现复杂截面铝型材在线淬火过程模拟。

1  铝合金淬火实验

1.1  铝型材在线风淬实验

本文研究的铝型材截面尺寸如图1所示。该铝型材挤压在线风淬在某企业7 500 t挤压生产线上完成。生产线由7 500 t大型挤压机和风-雾-高压喷水联合一体淬火装置组成。在线淬火装置冷却区域在纵向上可分为4段(如图2所示):第1段和第2段是联合冷却区,可选择的淬火方式有水冷、风冷和雾冷;第3和第4段均为风冷区,只是风冷区域的设计长度不同。

图1  复杂铝合金型材截面尺寸

Fig. 1  Section size of aluminum profile

图2  型材在线淬火装置纵向分段示意图

Fig. 2  Longitudinal sketch of profile online quenching

该淬火装置冷却速度可选范围大,而且具有很好的调节性和操作性,可根据合金种类和型材断面形状来选择合适的冷却方式,设定合理的淬火工艺参数。

1.2  铝合金末端淬火实验

为模拟铝型材在线风淬过程,需设置相应的热交换边界条件。本文以相同材料在相同工艺条件下的末端淬火实验为基础,采用反分析求解获得实验的界面换热系数,并将其作为在线风淬过程模拟的边界条件。末端淬火实验试样材料为生产该复杂截面铝型材的6082挤压态棒材,其化学成分如表1所示。

表1  6082铝合金化学成分(质量分数)

Table 1  Chemical composition of 6082     %

喷气末端淬火的实验装置如图3所示,包括喷射淬火系统(图中左边虚线框)、试样和温度数据采集系统(图中右边虚线框)。鼓风机出风口直径为45 mm,出风口到试样淬火表面的距离为60 mm,喷射速度为30 m/s,试样初始温度为520 ℃。

试样直径为30 mm,长度为120 mm,其侧面包裹石棉以隔绝侧面与环境的换热,使淬火过程界面传热可近似看成一维传热,如图4所示。在距离试样端面分别为3,10和20 mm处钻取直径为3 mm、深度为15 mm的热电偶安装孔,以方便实验过程中实时采集特征点T1,T2和T3的温度变化曲线。实测温度如图5所示。

图3  喷射末端淬火装置图

Fig. 3  Set-up diagram of spray quenching

图4  淬火试样设计图

Fig. 4  Section size of design sample

图5  喷气末端淬火试样特征点的冷却曲线

Fig. 5  Cooling curves of T1-T3 points during air spray quenching

2  型材在线淬火过程有限元模型的建立和验证

2.1  模型的建立

本文运用DEFORM软件针对某复杂铝合金型材在线淬火过程,建立淬火过程的有限元模型。

2.1.1  假设条件

型材的在线淬火过程涉及众多变量,为简化模型,降低计算量,建模时进行如下假设:

1) 淬火前,工件温度均匀一致;

2) 工件材料各向同性;

3) 在整个淬火过程中,淬火介质保持温度恒定;

4) 只考虑型材与淬火介质之间的换热,忽略挤压方向传热;

5) 忽略试样相变对淬火换热的影响;

6) 不考虑型材移动对界面换热的影响。

2.1.2  几何模型的建立

铝合金型材截面图如图1所示,根据所标注尺寸建立型材在线淬火的几何模型。由于几何模型较复杂,本文采用UG建立型材的几何模型,再导入DEFORM中。由于忽略型材挤压方向传热,且在假定计算过程中型材静止,因此,为减少模拟计算量,截取模拟长度为1 000 mm的型材作为模拟对象。几何模型导入后,需要检查几何体是否有裂缝、重叠、不连续等各类缺陷,并通过几何清理消除相关缺陷,以提高网格划分的速度和质量。

2.1.3  有限元网格的划分

划分网格是建立有限元模型的一个重要环节,网格形式和大小对计算精度和规模将产生直接影响。在Deform中划分网格方式有2种:相对网格划分法和绝对网格划分法。前者仅需要指定单元的数目,无论物体形状多么复杂,单元的数量是恒定的;后者由系统决定网格划分总数,物体越复杂,单元数就越多。在对复杂工件进行网格划分时,为提高计算精度和计算效率,对壁厚较小和形状复杂的部位网格进行细化,壁厚较厚和形状简单的部位网格可以稀疏一些。由于型材长、宽较大,厚度很小,采用四面体网格和绝对网格划分法较好。网格的最小尺寸为7 mm,网格总数量为93 071个,在DEFROM中对其三维有限元模型网格的划分如图6所示。

图6  铝合金型材的网格划分

Fig. 6  Mesh division of aluminum profile

2.1.4  材料属性与边界条件的确定

在线风淬模拟过程的边界条件加载包括2方面:材料属性的设定;型材表面与淬火介质之间接触条件的设定。材料的导热系数和比热容是对传热影响较大的热物性参数,因此,需对加载材料属性进行精确设定。图7和图8所示分别为6082铝合金的导热率和比热容随温度的变化关系[13]

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