铝热挤压模具热力耦合数值分析与结构优化设计研究

论文摘要

挤压铝型材具有重量轻、强度高、造型美等特点，在航空航天、交通运输、建筑装潢等领域得到了广泛应用。热挤压模具是实现铝型材热挤压工艺最重要的部件，不仅决定型材的几何形状、尺寸精度和表面状态，而且还影响挤压力及型材的组织性能。热挤压模具工作时承受长时间的高温、高压、高摩擦及局部应力集中等的作用，其体内应力分布不均匀，极易发生模桥开裂、舌芯偏移或断裂、局部变形等形式的失效，因此热挤压模具的使用寿命一般都很低，成为进一步提高铝型材质量和生产效率的障碍。我国是铝型材生产大国，年耗模量超过30万套，由于模具寿命低带来的直接或间接的经济损失巨大。理论研究和实践经验表明：模具的失效与模具工作时的温度及其分布、铝合金与模具表面之间的摩擦、模具结构等因素密切相关，而传统的铝型材热挤压模具结构设计和强度校核，对于热挤压过程中模具温度、模具局部结构尺寸及坯料与模具之间的摩擦等因素对模具体内应力分布状态及应力集中程度的影响的分析，还留有诸多问题有待进一步解决，目前模具使用寿命仍然偏低。随着传热学、弹塑性、热弹塑性、优化设计等理论和计算机数值分析技术的发展，通过建立热挤压模具在实际物理工况下的热力耦合模型，并采用数值计算方法对模具的应力应变场进行精确的分析计算，可以更为细微地了解模具体内应力、应变的实际分布状况，为模具强度计算和分析提供真实可靠的数据，从而发展模具强度分析方法，充实模具结构优化设计的依据，改善模具体内应力应变分布状态，降低最大等效应力值，达到大幅度提高模具的承载能力和使用寿命的目的。本文以典型热挤压模具为研究对象，以提高模具使用寿命为研究目的，以热挤压模具温度场、热应力场、热力耦合应力场和结构参数优化设计为主要研究内容，以湖南省自然科学基金项目“热挤压模具强度分析与优化设计研究”等5个科研项目为研究支撑，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，对热挤压模具进行了热力耦合数值分析和结构参数优化设计，取得的研究成果如下：1．基于传热学、弹塑性和热弹塑性等理论，建立了热挤压模具的温度场数学模型和热应力场数学模型，根据实际物理工况确定了模具工作时的边界条件，利用有限元法计算了模具的温度场和热应力场，为研究模具在不同温度条件下的应力状态奠定了基础。2．对热挤压模具的三维实体造型技术进行了研究。以ANSYS为开发平台，以ANSYS软件的APDL(ANSYS Parametric Design Language)参数化设计语言为开发工具，开发了平面分流组合模三维参数化实体造型系统。3．对方管铝型材热挤压模具进行了全面的强度分析，获得了模具内部各点处的等效应力、等效应变等力能参数及其分布规律。并查明：在模桥与模芯结合处应力集中现象突出，疲劳裂纹从此处产生，这与实际失效现象完全吻合。研究了热挤压模具主要结构参数对模具体内最大等效应力的影响，获得了最大等效应力随模具结构参数值变化的规律曲线。4．建立了含温度载荷、坯料与模具表面之间的摩擦载荷、挤压力载荷耦合作用下的模具强度分析、结构参数优化设计和模具几何造型于一体的模具优化设计系统，运用此系统对方管铝型材热挤压平面分流组合模的上模厚度、分流孔半径、模桥锥角等结构参数进行了优化。优化后的模具结构与原结构相比，最大等效应力下降了32.2％，同时应力分布均匀性也得以改善，从而提高了模具工作时的承载能力和使用寿命。5．利用本文所开发的铝型材热挤压模具优化设计系统对双孔铝型材和多边形铝型材热挤压平面分流组合模的主要结构参数进行了优化。优化后的模具结构与原结构相比，最大等效应力下降了36.4％，最大等效应变下降了32.0％。研究结果应用于南方某铝型材加工厂，获得了与计算一致的效果。本文的研究成果将实现模具在实际物理工况下的精确强度分析和模具结构参数优化设计，有助于铝型材热挤压模具的设计摆脱传统的“试错”模式，为实现铝型材热挤压模具的计算机辅助设计／分析／优化一体化奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 铝型材挤压概述
• 1.1.1 铝型材加工现状
• 1.1.2 铝合金型材分类
• 1.1.3 挤压种类及基本方法
• 1.1.4 型材挤压模具分类
• 1.1.5 平面分流组合模热挤压过程
• 1.2 挤压模具在挤压过程中的关键作用
• 1.3 影响热挤压模具寿命的主要因素
• 1.3.1 模具结构
• 1.3.2 模具材料
• 1.3.3 模具的热处理及表面处理工艺
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 铝型材挤压数值模拟研究
• 1.4.2 挤压模具失效及寿命研究
• 1.4.3 挤压模具 CAD/CAE/CAO研究
• 1.5 研究意义及主要研究内容
• 1.6 研究思路
• 第二章 热挤压模具温度场的数值模拟研究
• 2.1 热挤压模具三维参数化实体造型技术研究及其实现
• 2.1.1 热挤压模具三维参数化实体造型技术研究
• 2.1.2 热挤压模具三维参数化几何模型的建立
• 2.2 热挤压模具温度场的数学模型
• 2.2.1 热挤压过程中换热的基本方式
• 2.2.2 热挤压模具非稳态温度场微分方程
• 2.2.3 单值性条件的确定
• 2.2.4 坯料与模具接触边界摩擦模型
• 2.3 温度场求解
• 2.3.1 温度场有限元方程
• 2.3.2 温度场求解
• 2.4 本章小结
• 第三章 热挤压模具热应力场的数值模拟研究
• 3.1 概述
• 3.2 热挤压模具材料的弹塑性本构关系
• 3.2.1 弹性本构关系
• 3.2.2 弹塑性应力应变关系
• 3.2.3 过渡系数m和应变强化率H'的确定
• 3.3 热弹塑性应力-应变关系
• 3.4 热挤压模具热应力场的数学模型
• 3.5 热挤压模具热应力场的有限元数值模拟
• 3.5.1 有限元模型的建立
• 3.5.2 节点温度载荷的形成
• 3.5.3 有限元数值模拟
• 3.6 热应力场数值模拟结果分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 热挤压模具热力耦合应力场数值模拟研究
• 4.1 概述
• 4.2 解析法分析模具强度
• 4.3 热挤压过程中挤压力的计算
• 4.3.1 挤压力计算公式
• 4.3.2 挤压力实际计算实例
• 4.4 热力耦合应力场模拟研究
• 4.4.1 有限单元法分析过程
• 4.4.2 三维10节点四面体等参单元
• 4.4.3 单元刚度矩阵计算
• 4.4.4 等效节点载荷
• 4.4.5 热力耦合研究
• 4.5 热力耦合应力场数值模拟的实现
• 4.5.1 建立有限元模型
• 4.5.2 施加载荷和约束
• 4.5.3 有限元模拟应力场
• 4.5.4 模拟结果分析
• 4.6 热挤压模具主要结构参数对最大等效应力的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 热挤压模具结构优化设计研究
• 5.1 概述
• 5.2 铝型材热挤压模具优化设计系统总体结构研究
• 5.3 铝型材热挤压模具优化设计的数学模型
• 5.3.1 设计变量与设计空间
• 5.3.2 约束条件及可行区与非可行区
• 5.3.3 目标函数
• 5.3.4 优化设计的数学模型
• 5.4 模具优化设计理论及方法研究
• 5.5 热挤压模具结构优化设计的实现
• 5.6 优化结果分析
• 5.7 铝型材热挤压模具优化设计系统的应用
• 5.7.1 双孔铝型材热挤压模具的结构优化设计
• 5.7.2 多边形铝型材热挤压模具的结构优化设计
• 5.8 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的主要研究成果