空心鋁合金型材擠壓過程數(shù)值模擬及模具優(yōu)化方法研究.pdf

1、能源、環(huán)保、安全是關(guān)系到人類生存和發(fā)展的三大難題。由于鋁合金型材產(chǎn)品具有重量輕、強(qiáng)度高、外形美觀、易于回收等優(yōu)點(diǎn)，因此，推廣應(yīng)用鋁型材產(chǎn)品是緩解上述三大難題的重要途徑之一。目前鋁型材的品種規(guī)格不斷增多，應(yīng)用范圍不斷拓展，已由20世紀(jì)50～60年代民用建筑為主體，擴(kuò)展到了機(jī)械制造、車輛、船舶、飛機(jī)、通訊等各個(gè)領(lǐng)域。
　　 擠壓成形工藝是實(shí)現(xiàn)鋁型材生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，其工藝水平?jīng)Q定著型材制品的質(zhì)量和模具的使用壽命。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，擠壓

2、模具的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的確定更多依賴設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，模具質(zhì)量難以保證，需要多次試模和修模才能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。而采用數(shù)值仿真技術(shù)模擬實(shí)際的擠壓過程，可以實(shí)時(shí)跟蹤描述金屬的流動(dòng)行為，揭示金屬的真實(shí)流動(dòng)規(guī)律，獲得速度、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)難以測(cè)量的物理量，預(yù)測(cè)型材在擠壓過程中可能出現(xiàn)的缺陷，并及時(shí)對(duì)模具結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，有效減少了試模修模次數(shù)，不僅能夠提高擠壓型材質(zhì)量，同時(shí)也可降低生產(chǎn)成本，縮短模具生產(chǎn)周期。
　　 鋁型材擠壓

3、成形是一個(gè)處在大變形、高溫、高壓、復(fù)雜摩擦條件下的非線性成形過程，涉及力學(xué)中的幾何非線性和物理非線性，難以采用傳統(tǒng)的測(cè)量和分析方法研究擠壓模具型腔內(nèi)材料的流動(dòng)規(guī)律和變形機(jī)理。本文圍繞空心鋁型材擠壓成形問題，采用數(shù)值仿真方法，對(duì)鋁型材擠壓成形工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究，總結(jié)模具結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)擠壓成形過程的影響規(guī)律，建立擠壓模具的多目標(biāo)優(yōu)化模型，開發(fā)擠壓模具分流孔自動(dòng)優(yōu)化系統(tǒng)，探討復(fù)雜大斷面型材擠壓模具的設(shè)計(jì)方法，并實(shí)驗(yàn)研究大斷面型材的機(jī)械性能

4、、內(nèi)部組織缺陷及斷裂機(jī)理。論文的主要研究工作和成果如下:
　　 (1)建立了空心鋁型材穩(wěn)態(tài)擠壓過程的有限元模型，研究了擠壓模具型腔內(nèi)材料的流動(dòng)規(guī)律及變形機(jī)理，獲得了擠壓模具結(jié)構(gòu)（如焊合室級(jí)數(shù)、分流孔數(shù)量及布局等）和擠壓工藝參數(shù)（如擠壓比、擠壓溫度和擠壓速度等）對(duì)材料流動(dòng)、溫度分布情況、焊縫質(zhì)量、擠壓力、模具磨損行為、模具受力狀態(tài)及變形情況的影響規(guī)律。
　　 (2)建立了兩種集成有限元模擬技術(shù)和人工智能算法為一體的擠壓模具

5、優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。在第一種優(yōu)化模型中，以獲得均勻的型材截面速度分布、最小的模具應(yīng)力和模芯變形為目標(biāo)，采用拉丁超立方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并結(jié)合Kriging代理模型和基于Pareto法的多目標(biāo)遺傳算法對(duì)一異形空心型材擠壓模具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在第二種優(yōu)化模型中，選取分流孔形狀作為設(shè)計(jì)變量，結(jié)合Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)曲面法，分別建立了以型材截面速度均方差、最大擠壓力和型材截面最高溫度為目標(biāo)的預(yù)測(cè)模型，并利用粒子群算法實(shí)現(xiàn)了一多腔壁板型材

6、擠壓模具分流孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 (3)基于各個(gè)分流孔通量與其所填充型材面積比的一致性原則，并結(jié)合穩(wěn)態(tài)擠壓過程的有限體積法，建立了擠壓模具分流孔自動(dòng)優(yōu)化模型，開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算程序。采用上述系統(tǒng)對(duì)模具型腔內(nèi)的金屬流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了模擬分析，并自動(dòng)修改分流孔形狀和位置，實(shí)現(xiàn)了模腔內(nèi)金屬的流動(dòng)平衡。
　　 (4)建立了高速列車車體用材料AA6N01鋁合金的本構(gòu)方程，針對(duì)高速列車壁板型材，提出了一種數(shù)字化模具設(shè)計(jì)方法，解決了型材