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大挤压比铝型材挤压过程的数值模拟

来源期刊:中国有色金属学报2006年第5期

论文作者:黄光法 林高用 蒋杰 王芳 杨立斌 彭大暑

文章页码:887 - 893

关键词:大挤压比; 铝型材; 有限元法; 有限体积法; 数值模拟

Key words:large extrusion ratio; aluminum profile; finite element method; finite volume method; numerical simulation

摘    要:通过采用有限元法与有限体积法相结合, 并在有限体积法中进行分步计算的模拟方法, 在MSC Superforge有限元商业软件上成功实现了薄壁大挤压比铝型材挤压过程的数值模拟仿真, 获得壁厚t=1.0 mm、 挤压比λ=98.27的卷闸门型材挤压过程的材料流动速度场、 应力场、 应变场、 温度场分布图, 数值模拟结果与理论分析结果吻合较好。 结果表明: 采用带导流槽的平模挤压大尺寸、 大挤压比型材, 可有效分配金属, 平衡金属流动速度。

Abstract: A new simulation system was developed by integrating the finite element method (FEM) and the finite volume method (FVM) based on the theories of large deformation elastic-plastic finite element method and finite volume method. To avoid time-consuming and obtain reasonable results in the simulation, the optimized geometry models were employed in the pre-processor. The forming of a complex thin-walled aluminum profile with large extrusion ratio λ=98.27 and 1 mm in thickness, was successfully simulated in the new simulation system on the platform of MSC Superforge. The simulation results are agreeable to the general extrusion principles. The distributions of velocity field, effective stress field, effective strain field and temperature field during the extrusion process were discussed and the metal process was analyzed in details. The results indicate that the flow guide is effective in balancing the metal deforming during the profile extrusion process with large extrusion ratio.



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文章编号: 1004-0609(2006)05-0887-07

大挤压比铝型材挤压过程的数值模拟

黄光法1, 林高用1, 2, 蒋 杰3, 王 芳3, 杨立斌1, 彭大暑1

(1. 中南大学 材料科学与工程学院, 长沙 410083;

2. 华中科技大学 塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室, 武汉 430074;

3. 云南省机械研究设计院, 昆明 650031)

摘 要: 通过采用有限元法与有限体积法相结合, 并在有限体积法中进行分步计算的模拟方法, 在MSC Superforge有限元商业软件上成功实现了薄壁大挤压比铝型材挤压过程的数值模拟仿真, 获得壁厚t=1.0mm、 挤压比λ=98.27的卷闸门型材挤压过程的材料流动速度场、 应力场、 应变场、 温度场分布图, 数值模拟结果与理论分析结果吻合较好。 结果表明: 采用带导流槽的平模挤压大尺寸、 大挤压比型材, 可有效分配金属, 平衡金属流动速度。

关键词: 大挤压比; 铝型材; 有限元法; 有限体积法; 数值模拟 中图分类号: TG376.2

文献标识码: A

Numerical simulation of extrusion process of aluminum profile with large extrusion ratio

HUANG Guang-fa1, LIN Gao-yong1, 2, JIANG Jie3,

WANG Fang3, YANG Li-bin1, PENG Da-shu1

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University,Changsha 410083, China;

2. State Key Laboratory of Plastic Forming Simulation and Die Technology,

Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;

3. Yunnan Mechanical Research and Design Institute, Kunming 650031, China)

Abstract: A new simulation system was developed by integrating the finite element method (FEM) and the finite volume method (FVM) based on the theories of large deformation elastic-plastic finite element method and finite volume method. To avoid time-consuming and obtain reasonable results in the simulation, the optimized geometry models were employed in the pre-processor. The forming of a complex thin-walled aluminum profile with large extrusion ratio λ=98.27 and 1mm in thickness, was successfully simulated in the new simulation system on the platform of MSC Superforge. The simulation results are agreeable to the general extrusion principles. The distributions of velocity field, effective stress field, effective strain field and temperature field during the extrusion process were discussed and the metal process was analyzed in details. The results indicate that the flow guide is effective in balancing the metal deforming during the profile extrusion process with large extrusion ratio.

Key words: large extrusion ratio; aluminum profile; finite element method; finite volume method; numerical simulation

                       

由于铝型材截面形状复杂, 一般都属于三维流动大变形问题, 挤压成形过程非常复杂。 因此, 挤压工艺和模具的设计与制作质量就成了挤压过程是否经济可行的关键之一。 数值模拟仿真是研究挤压变形过程的先进技术。 随着计算机硬件和软件技术的飞速发展, 基于有限元法与有限体积法的数值模拟在金属挤压成形中得到了广泛的应用。 Yang等[1]对曲线凹模三维非圆截面棒料稳态挤压过程进行了有限元分析。 韩国的Shin等[2]在1993年采用简化的三维有限元法获得了由圆形坯料挤压成方形、 正六边形、 "T"形截面的网格变形图。 Park等[3]采用刚塑性有限元法对非扭曲截面的三维螺旋稳态挤压过程进行了模拟, 获得了变形网格图和等效应变分布。 张新泉[4]采用简化的三维刚粘塑性有限元模拟了型材挤压过程的流动状态, 获得了典型截面上的等效应变、 流动速度分布和模具表面上的压力分布。 周飞等[5]采用三维刚粘塑性有限元方法, 对一典型的铝型材非等温成形过程进行了数值模拟, 给出了成形各阶段的应力、 应变和温度场分布情况。 于沪平等[6]采用塑性成型模拟软件DEFORM, 结合刚粘塑性有限元函数法对平面分流模的挤压变形过程进行了二维模拟, 得出了挤压过程中铝合金的应力、 应变、 温度以及流动速度等的分布和变化。 刘汉武等[7]利用ANSYS 软件对分流组合模挤压铝型材进行了有限元分析和计算, 找出了原模具设计中不易发现的结构缺陷。 闫洪等[8-11]利用ANSYS 软件作为平台, 对型材挤压过程进行了三维有限元模拟和分析, 获得了型材挤压过程的位移场、 应变场、 应力场, 提出了变形体内存在一个涡流场。 周飞等[12]还采用有限体积法对一复杂铝型材进行了数值模拟, 成功获得了挤压比为λ=38.19铝型材挤压模具载荷历史图以及挤压金属的应力、 应变、 温度以及流动速度等分布图。

然而, 对于铝型材产品特别是薄壁类(壁厚t〈1.8mm)大挤压比(λ>60)产品, 有限元法与有限体积法都存在着不足之处[13]: 前者在计算大变形问题中有限元网格会不断发生畸变, 需要不断进行网格重划分, 导致体积损失过大, 模拟精度显著降低, 且十分耗时; 后者在计算薄壁类大变形问题中要求Euler网格划分细致, 不能对变形体局部特征部位进行网格特别处理, 因此采用有限体积法模拟会占用大量计算机内存, 使得一般的计算机在计算规模和在计算时间上难以承受。 如果采用较粗的网格, 变形体特征部位又得不到准确的描述, 导致模拟结果精度得不到保证。 基于上述原因, 国内对于大变形挤压过程的数值模拟一直未能获得好的进展, 在DEFORM软件上很难实现挤压比大于40的模拟仿真。 针对这一情况, 本文作者在MSC Superforge有限元商业软件平台上, 采用有限单元与有限体积法相结合, 并采用分步算法: 在填充及导流模阶段采用有限元模拟方法, 而在材料流出导流模后采用了分步有限体积模拟方法, 成功地对一壁厚t=1.0mm、 最大尺寸为91.5mm、 挤压比λ=98.27的X5214卷闸门型材实现了数值模拟, 获得了该型材挤压过程中的材料流动速度、 应力、 应变、 温度分布图, 并对模拟结果进行了讨论。

1 基本理论

1.1 有限变形弹塑性有限元法理论

1) 虚功率方程(平衡方程)

变形体在塑性变形过程中, 每一个瞬间都要满足平衡关系, 也就是说要满足虚功原理。 根据虚功原理, 在外力作用下处于平衡状态的弹塑性体, 当发生位移约束容许的任意虚速度δVi时, 外力在虚速度上所做的功率等于弹塑性体内应力在虚应变速率上所做的功率。 因此, 按Langange描述的虚功率方程为[14]

式中 Sij为第二Piola-Kirchhoff应力张量的分量, E[DD(-*2]·[DD)]ij为Green应变张量变化率的分量, P0i为与Pi相对应的在初始构形中的受截表面S0上的表面力分量, b0i为与bi相对应的在初始构形中的单位体积的体力分量, V0为与V相对应的物体在初始构形时的体积。

2) 本构方程

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