铝型材挤压过程仿真模拟基础介绍

刘晓飞

（江西环境工程职业学院 江西省 赣州市 341000）

摘 要：铝合金型材在日常生活中到处可见， 已成为了人们现实领域中不可或缺的生产原材料，建筑铝型材和工业铝型材产业已经成为了衡量一个国家经济的重大指标。铝合金型材一般常用的生产方式是挤压成形，挤压加工方法已成为了人们的研究对象，在挤压加工过程中挤压工艺参数的选择是核心要领。

关键词：铝合金型材；挤压模具；仿真模拟

铜、铝等有色金属是国民经济和社会发展的重要基础材料，2004 年以来，我国铜铝生产量和消费量一直稳居世界第一。随着国民经济建设的高速稳步发展，带动各行业轻工业的迅速发展，建筑铝型材和工业铝型材在各个领域得到了高度的重视和广泛的应用。挤压技术从 18 世纪开始发展跨度到 20 世紀，相对于其他加工方法，挤压法在金属塑性加工领域里发展的比较晚。经过两百多年的发展，金属挤压成形发生了质的飞越，已成为金属成形工艺中一个重要的分支，在技术、工艺与装备方面均取得了巨大进步。

挤压产品凭借其优良的性能已广泛用于很多重要领域如民用、航空航天、舰船、电子、交通运输、能源、冶金化工及国防军工等重要领域。作为生产管、棒、型材以及线坯，挤压成型无非是最具有优势的。挤压成型技术具有理论性强、加工工艺技术含量极高等特点。但从另外一方面来看，挤压法同时也存在诸多不利因素，优点越多，缺点也越明显，挤压的历史就是不断克服这些缺点，它的加工过程是一个复杂非线性的过程，加工后型材发生了很多复杂变形，伴随着大压力下产生的设备高负荷、高能耗、高摩擦、大变形热有关，又与材料跟工具长时间紧密接触而产生的工具温升有关，而且还和密闭的工具内加材料和取出残料而中断操作不利因素有关。

挤压模具作为挤压成型工艺的核心部分，它的设计以及使用寿命已经成为人们研究的主要领域。中国铝型材模具本身材质以及模具结构方面如结构参数的确定和寿命的预测上都得到了很大的提升。铝合金型材挤压模具是具有强高度的特征和稳定流速场模具所要求的双重身份的统一体。所以，人们在认识挤压模具的过程中更多得是感性认识，而缺乏理性认识，在全球铝加工行业中，人们对挤压模具的设计与制造更多依靠的是经验以及反复的试模，理论上的东西仍处于初级阶段，实际生产模具方面更多的是依靠工程实践，远远优于铝合金型材挤压加工模具的理论设计研究。

空腹铝合金型材挤压成形是一个很复杂大变形的过程，成形的过程受材料性质、变形机理、模具设计状况等的影响，在设计工艺参数和模具结构时我们都应该考虑这些因素。挤压过程分两个阶段稳态阶段和非稳态阶段，非稳态是开始挤压阶段和末尾挤压阶段，稳态阶段是中间挤压阶段，该阶段场变量的分布不在随时间变化占了大部分挤压时间。将整个过程看成为稳态流动。

铝合金型材挤压成型在铝型材加工领域是一个高压高温以及复杂的非线性、 大变形的热-力耦合的塑性成型加工过程，尤其是当制品属于那种不规则不对称的形状时，现场分析处理研究方法似乎已经不能解决一些棘手的问题。

随着研究的困难，各种仿真模拟已经开始进入人们的焦点，更多的是借助于计算机的高速自动和仿真模拟智能。通过对挤压制品虚拟设计然后进行数值模拟分析，模拟获得现场无法获得的物理性能参数， 然后对不佳之处进行优化， 直到获得性能达标的样品，再提交实际挤压生产。数值模拟计算就是通过形象的离散点把空间与时间中现场无法获得的物理量（速度、变形程度、应力应变）集合起来，离散点之间通过一定线性关系，建立相关的代数方程（离散方程），通过模拟求解分析获得变量的近似值。基本步骤如上图。

在数值计算这块，不断的出现了不同的计算方法，但总体的路线是不变的，各方法之间的区别主要在于划分子区域方式、不同的离散方程以及代数方程不同的求解方法。

1 有限单元法基本思想

有限单元法也称有限元法，其基本思想是：将所需要求解的连续区域用离散法划分成有限的微小单元体，各个微小的单元体之间通过有限的节点连接，通过某种原则关系求解，将原本复杂的问题简单化。它与其他求解法主要的差别在与它所求解的近似值有约束的，只可以在相对小的子区域运用。它最大的优点应用的区域广阔。有些不规则区域如本次研究的大变形区，有限元法在求解过程中也有一定优势，它适应性好。

有限元主要的难点是通过何种渠道来构造一个与原本研究有关的离散型方程使它接近求解值， 并且在计算的过程中数值必须保持稳定性。 数值处理领域已经涌现了很多方法， 在这些方法当中有利也有弊。 有限元数值模拟适用于很多范围如可变的固体、精确度变化区域、缺少光滑性的区域，这些复杂区域利用解偏微分方程是很好的选择。

2 基本假设和基本方程

1）刚塑性材料的基本假设

铝合金型材挤压过程发生了复杂的塑性变形， 且该挤压过程十分复杂， 为便于研究，在数学上进行处理时必须作出一些适当的假设，即将挤压变形中的一些过程理想化。对于刚塑性/刚粘塑性材料，可作以下基本假设：

（1）忽略材料的弹性变形；

（2）不讨论体积力和惯性力的影响；

（3）材料是均质且各向同性；

（4）材料的变形流动服从 Levy—Mises 流动理论；

（5）材料体积不变；

（6）材料存在应变硬化。

仿真模拟的研究对象是空腹铝合金型材，通过对型材分流挤压过程的仿真数值模拟，通过特定的模具多次改变挤压工艺参数，从而探索并获得最佳生产空腹铝合金型材的挤压加工参数，为实际生产工艺设计和模具设计提供合理建议，提高实际生产效益。

参考文献

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