铝型材壁板挤压模具结构优化设计研究

论文摘要

大型整体铝合金壁板因其具有比强度高、耐蚀性和气密性好、造型美观等优点,在铁路、航空、船舶等交通运输业中的应用越来越广泛,其成形过程主要用扁挤压筒挤压方法来完成。挤压模具的型腔形状在成形过程中至关重要,其与工件的变形程度、变形速度、塑性变形区的应力状态等密切相关,对成形件质量、挤压能耗和模具寿命等有十分重要的影响。本文围绕大型复杂壁板挤压模具型腔优化,综合运用数学、流体力学、数值模拟和物理模拟等知识,对壁板挤压成形规律进行深入研究,完成壁板挤压模具型腔的优化设计,取得了一些有重要意义的结论和对实际应用有指导作用的成果。首先基于复变函数共形映射原理,把映射函——Schwarz-Christoffel积分,从物理学、电磁学应用领域,引入到塑性加工过程分析中,将挤压入口、出口多边形形状映射到一单位圆周上,提出复杂型材挤压模具型腔映射建模思路。完整推导了Schwarz-Christoffel积分的两步求解过程,针对映射精度问题,提出凸凹分级展开求解技术,借助MATLAB平台,开发许氏积分快速求解模块。在实现简单多边形与单位圆映射函数求解的基础上,利用该积分完成复杂多边形壁板（矩形、梯形、工字形）与单位圆之间映射函数的求解,将复杂多边形问题转化为单位圆问题。根据上限理论,建立铝合金圆棒料挤压成形的流动模型,推导坯料在五种不同形状型腔下变形时的动可容速度场、应变速率场及上限功率的表达式。以降低挤压能耗为优化目标,对成形过程进行优化,获得最低能耗下的型腔高度。在此基础上,结合流体力学理论,引入流函数方程,建立基于流曲线的壁板挤压过渡曲面边界条件,得到挤压模具型腔“流线型”数学模型,完成复杂截面壁板型材挤压的“流线型”过渡曲面建模。借助数值模拟软件,采用二维弹塑性和三维刚塑性有限元方法分别对铝合金棒料及复杂壁板挤压过程进行模拟,验证不同模具型腔对挤压过程的影响,获得材料成形时金属位移场、速度场、应力-应变场和温度场的分布情况。深入分析壁板成形时的金属流动规律。此外,选取挤压中心等与挤压过程密切关联的因素,讨论其对挤压过程的影响,获得了一些有用的结果。研究发现,相同断面缩减率下,流线型型腔在改善金属流动、降低成形载荷和提高制件质量上都存在较大优势。由于生产壁板的重要工具扁挤压筒要在高温、高压、高摩擦的恶劣条件下工作,其使用寿命较低,这里引入混合优化方法,对扁挤压筒进行结构优化设计,将有限元法（FEM）、人工神经网络（ANN）和多目标遗传算法（MOGA）运用到扁挤压筒结构优化中,综合考虑扁挤压简最佳工作性能和内腔的尺寸精度,建立变过盈量下三层组合式扁挤压筒结构的多目标优化模型,获得满足约束条件下的扁挤压筒各层结构参数。同时,以梯形铝合金壁板挤压成形为例,结合试验设计（DOE）、响应面设计（RSM）和遗传模拟退火算法（GSA）,从降低成形载荷和提高壁板质量角度,对影响挤压过程的重要工艺参数——挤压速度v、定径带长度l、模具温度T1等进行多目标优化设计,获得满足条件下的最佳成形工艺参数。最后采用光塑性试验方法分析了梯形壁板“流线型”挤压成形过程,实验获得光塑性模型材料最佳的成形温度及合理的材料热处理规范。通过对模型切片的分析,得到模型中应变分量的分布规律,试验结果与模拟结果相吻合,从而验证了“流线型”模具型腔在壁板挤压过程中的优越性。本文的研究成果,可以为复杂截面铝合金型材挤压生产提供技术支持,对于完善壁板挤压模具设计理论具有实际指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 我国铝型材挤压生产概况
• 1.3 铝型材挤压变形特点
• 1.3.1 铝型材分类及其挤压工艺
• 1.3.2 铝型材挤压基本过程
• 1.3.3 铝合金壁板挤压变形特点及其优点
• 1.4 铝型材挤压技术研究进展
• 1.4.1 铝型材挤压成形工艺研究
• 1.4.2 铝型材壁板挤压模具研究
• 1.4.3 铝型材挤压过程优化设计研究
• 1.4.4 铝型材挤压智能设计系统研究
• 1.5 课题来源与研究内容
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 课题主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 复变函数共形映射理论及应用
• 2.1 共形映射函数及其意义
• 2.1.1 基本定理
• 2.1.2 常用共形映射函数及其意义
• 2.2 Schwarz-Christoffel积分变换
• 2.2.1 Schwarz-Christoffel积分及其“变种”形式
• 2.2.2 Schwarz-Christoffel积分的求解
• 2.3 任意多边形及壁板与单位圆映射方程求解
• 2.3.1 任意多边形与单位圆映射函数求解
• 2.3.2 矩形壁板与单位圆映射函数求解
• 2.3.3 梯形壁板与单位圆映射函数求解
• 2.3.4 工字形壁板与单位圆映射函数求解
• 2.4 任意多边形与单位圆映射求解模块Matlab开发
• 2.4.1 主要功能模块
• 2.4.2 求解实例
• 2.5 本章小结
• 第三章 壁板挤压模具型腔优化
• 3.1 棒料挤压模具型腔优化
• 3.1.1 挤压凹模型腔数学方程
• 3.1.2 棒料挤压过程上限解析及优化实例
• 3.1.3 棒料挤压过程优化二次开发
• 3.2 复杂截面壁板型材挤压模具型腔优化
• 3.2.1 流线与流函数理论
• 3.2.2 型材挤压时金属的流线方程
• 3.2.3 壁板挤压模具型腔“流线型”曲面建模
• 3.3 本章小结
• 第四章 铝型材挤压成形过程数值模拟
• 4.1 弹、刚（粘）塑性有限元基本理论
• 4.1.1 弹塑性有限元基本理论
• 4.1.2 刚（粘）塑性有限元基本理论
• 4.2 挤压模具型腔优化有限元模拟验证
• 4.2.1 二维有限元模型
• 4.2.2 不同型腔对金属流动性的影响
• 4.2.3 不同型腔对金属成形载荷的影响
• 4.2.4 不同型腔对应变场分布的影响
• 4.2.5 不同型腔对温度场分布的影响
• 4.2.6 不同型腔对制件成形质量的影响
• 4.3 壁板型材挤压成形三维有限元模拟
• 4.3.1 壁板挤压三维有限元分析模型
• 4.3.2 壁板挤压成形金属流动分析
• 4.3.3 壁板挤压成形应力-应变场分析
• 4.3.4 壁板挤压成形温度场分析
• 4.4 模拟结果讨论
• 4.4.1 挤压中心调整对挤压过程的影响
• 4.4.2 矩形壁板“锥形模”挤压与“流线型”挤压
• 4.4.3 梯形壁板“导流模”挤压与“流线型”挤压
• 4.5 本章小结
• 第五章 扁挤压筒结构和挤压工艺参数多目标优化
• 5.1 扁挤压筒结构多目标优化设计
• 5.1.1 优化模型
• 5.1.2 扁挤压筒结构多目标优化
• 5.2 壁板挤压工艺参数多目标优化设计
• 5.2.1 优化模型
• 5.2.2 响应面模型
• 5.2.3 遗传模拟退火优化
• 5.2.4 优化结果验证
• 5.3 本章小结
• 第六章 铝型材壁板挤压光塑性实验
• 6.1 光塑性实验基本原理
• 6.1.1 光塑性应变-光学定律
• 6.1.2 实验切片在平面偏振场中的光学效应
• 6.1.3 实验切片在圆偏振场中的光学效应
• 6.2 铝型材壁板挤压实验方案
• 6.2.1 实验用模具及其加工工艺
• 6.2.2 光塑性实验模型材料
• 6.3 壁板挤压光塑性实验
• 6.3.1 光塑性实验与切片
• 6.3.2 切片中应变分量分解
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 论文主要创新点
• 7.3 论文不足之处及展望
• 参考文献
• 攻读博士期间参与项目和发表论文