鋁型材擠壓有限體積法數(shù)值模擬技術(shù)研究與系統(tǒng)開發(fā).pdf

1、隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋁型材在各個(gè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是由于鋁型材品種規(guī)格多種多樣，鋁型材擠壓過(guò)程材料的變形量大，流動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，擠壓模具承受載荷狀況惡劣，使得鋁型材擠壓產(chǎn)品開發(fā)和模具的設(shè)計(jì)成為決定擠壓件質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。依賴經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和試模返修的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式已無(wú)法滿足鋁型材快速發(fā)展的需要。在效率就是生命，質(zhì)量就是關(guān)鍵的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，鋁型材企業(yè)最重視的就是模具設(shè)計(jì)加工成功率的提高，所以迫切需要可靠的科學(xué)理論來(lái)指導(dǎo)工藝及模具設(shè)計(jì)。

2、使用數(shù)值模擬方法能夠模擬鋁型材擠壓過(guò)程中金屬流動(dòng)狀況，包括速度、應(yīng)力、應(yīng)變、壓力等各種物理場(chǎng)量的分布及變化情況，由此可以預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的缺陷，評(píng)價(jià)工藝及模具結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合理，并對(duì)其進(jìn)行及時(shí)修改，從一定程度上避免了費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、高成本的試模返修過(guò)程，從而能夠快速合理地進(jìn)行工藝與模具設(shè)計(jì)，縮短生產(chǎn)周期。金屬塑性成形領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值模擬方法是拉格朗日有限元方法，但是由于鋁型材擠壓的變形劇烈，擠壓比通常比較大，用拉格朗日有限元法模擬鋁型材擠壓

3、，會(huì)遇到嚴(yán)重的網(wǎng)格畸變和頻繁的網(wǎng)格再劃分，帶來(lái)CPU計(jì)算時(shí)間增加、體積損失較大、誤差嚴(yán)重、模擬結(jié)果失真等問(wèn)題，甚至當(dāng)擠壓比達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，模擬計(jì)算會(huì)最終因嚴(yán)重的網(wǎng)格畸變和體積損失而難以進(jìn)行下去。 相對(duì)于拉格朗日有限元法，基于歐拉網(wǎng)格的有限體積數(shù)值模擬方法，因其網(wǎng)格的歐拉描述而能夠避免網(wǎng)格畸變和網(wǎng)格再劃分，在大變形的體積成形過(guò)程的模擬上顯示出其優(yōu)越性。商品化軟件Msc/SuperForge是目前唯一基于有限體積法，應(yīng)用于金屬塑性成

4、形領(lǐng)域的數(shù)值模擬工具，國(guó)內(nèi)外許多研究者利用其進(jìn)行了鋁型材擠壓過(guò)程的模擬。但是SuperForge不是專門針對(duì)鋁型材擠壓的軟件，并且通過(guò)對(duì)該軟件的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，與有限元軟件相比，Superforge在大變形比的鋁型材擠壓過(guò)程模擬方面具有優(yōu)越性，但計(jì)算的精度和模擬的效率之間的平衡問(wèn)題是Msc/SuperForge軟件的瓶頸。 Msc/SuperForge使用類似于有限元網(wǎng)格的三角面片包裹金屬表面的方法來(lái)描述邊界，跟蹤自由表面，所以當(dāng)網(wǎng)格

5、比較稀疏的時(shí)候，雖然計(jì)算速度較有限元方法快，但是模擬結(jié)果比較粗糙，三角面片帶來(lái)的毛刺現(xiàn)象比較嚴(yán)重。要使模擬的擠壓件表面質(zhì)量提高，就要增加網(wǎng)格數(shù)量，但是由于Msc/SuperForge中歐拉背景網(wǎng)格尺寸是統(tǒng)一的，不能對(duì)用戶感興趣的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行局部加密，因此模擬質(zhì)量的少許提高便會(huì)帶來(lái)網(wǎng)格數(shù)目的三次方增長(zhǎng)，造成計(jì)算效率嚴(yán)重下降。 本文針對(duì)鋁型材擠壓這種大變形過(guò)程，旨在根據(jù)熱擠壓工藝條件下鋁合金材料的性質(zhì)和成形過(guò)程的特點(diǎn)，研究鋁型材擠壓

6、有限體積法模擬的關(guān)鍵技術(shù)，尋找適合的途徑和方法，建立鋁型材擠壓有限體積法數(shù)值模擬模型，將適合大變形過(guò)程模擬的歐拉網(wǎng)格以及有限體積法靈活地引入鋁型材擠壓過(guò)程模擬中來(lái)，為鋁型材擠壓生產(chǎn)實(shí)際提供簡(jiǎn)便高效的理論指導(dǎo)工具。 本文細(xì)致研究了熱擠壓工藝條件下金屬材料的性質(zhì)，尤其是鋁合金的本構(gòu)關(guān)系，認(rèn)為，不考慮鋁型材擠壓中的彈性變形，可以將鋁合金視為剛塑性或粘塑性材料，并且鋁型材熱擠壓一般是在鋁合金的再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行，因此金屬的動(dòng)力學(xué)粘度主要

7、取決于應(yīng)變速率與溫度，所以將擠壓中的鋁合金視為非線性牛頓流體，可采用流體力學(xué)中簡(jiǎn)單高效的SIMPLE算法迭代計(jì)算鋁型材擠壓中的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)，利用能量守恒方程求解溫度場(chǎng)，繼而根據(jù)鋁型材擠壓的本構(gòu)方程，利用求解出的溫度和等效應(yīng)變速率對(duì)鋁合金的動(dòng)力學(xué)粘度進(jìn)行更新。 鋁型材的擠壓一般根據(jù)材料性質(zhì)、擠壓坯料高徑比的不同，分為穩(wěn)態(tài)擠壓和非穩(wěn)態(tài)擠壓。而實(shí)際的擠壓過(guò)程也分為穩(wěn)態(tài)擠壓階段和非穩(wěn)態(tài)擠壓階段，當(dāng)坯料的高徑比比較大時(shí)，穩(wěn)態(tài)擠壓在整個(gè)擠

8、壓過(guò)程中所占比重很高。在工業(yè)生產(chǎn)中，鋁型材的生產(chǎn)一般都是連續(xù)擠壓，有效的擠壓件都是在擠壓的穩(wěn)態(tài)階段成型的，因此對(duì)鋁型材擠壓穩(wěn)態(tài)過(guò)程或狀態(tài)進(jìn)行模擬非常必要。所以，本文首先進(jìn)行了鋁型材擠壓穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程的有限體積數(shù)值模擬。結(jié)合鋁型材擠壓材料的本構(gòu)方程及材料的特性，研究了鋁型材擠壓穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程有限體積法數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)，推導(dǎo)建立了鋁型材擠壓過(guò)程中動(dòng)量守恒方程、連續(xù)性方程、能量守恒方程的三維離散格式，得到了穩(wěn)態(tài)SIMPLE算法的三維公式和求解流

9、程，提出了鋁型材擠壓過(guò)程中材料粘度的迭代更新方法。給出了迭代收斂的判據(jù)，并且實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格的局部加密，不僅提高了計(jì)算效率，而且保證了模擬質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，利用Virual C++程序平臺(tái)，編制了程序，建立了鋁型材擠壓穩(wěn)態(tài)過(guò)程有限體積法數(shù)值模擬模型，利用該模型進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)算例模擬，并且與有限元軟件DEFORM-3D、CASFORM，有限體積軟件SuperForge的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，證明了本文建立的鋁型材擠壓三維穩(wěn)態(tài)過(guò)程有限體積數(shù)值模擬模型

10、的正確性和高效性。 擠壓過(guò)程進(jìn)行到穩(wěn)態(tài)之前的階段從一定程度上會(huì)影響穩(wěn)態(tài)階段金屬的流動(dòng)，并且決定著擠壓制品的前端形狀、應(yīng)變的積累等，而這些都是制品是否發(fā)生翹曲、開裂等缺陷的重要因素；為了使數(shù)值模擬能夠真實(shí)反映鋁型材擠壓的實(shí)際過(guò)程，增強(qiáng)鋁型材擠壓數(shù)值模擬軟件對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)作用，有必要對(duì)鋁型材擠壓由非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)整個(gè)變化的過(guò)程進(jìn)行研究，得到擠壓中重要物理場(chǎng)量隨時(shí)間的變化規(guī)律。因此本文在穩(wěn)態(tài)研究的基礎(chǔ)上，拓展建立了鋁型材非穩(wěn)態(tài)擠壓過(guò)程中

11、動(dòng)量守恒方程、連續(xù)性方程、能量守恒方程的三維離散格式，得到了三維非穩(wěn)態(tài)SIMPLE算法的公式和算法流程。針對(duì)材料的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，將計(jì)算流體領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的VOF方法引入鋁型材擠壓過(guò)程中的金屬流動(dòng)前沿的動(dòng)態(tài)捕捉中來(lái)，真實(shí)地模擬了金屬前沿流動(dòng)趨勢(shì)，得到了良好的表面質(zhì)量?；赩OF方法，提出根據(jù)自由表面位置，自動(dòng)識(shí)別金屬流體區(qū)域，流場(chǎng)計(jì)算采用局部計(jì)算方法，即：用控制方程求解金屬單元變量，在自由表面單元施加動(dòng)力學(xué)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)條件，空氣單元跳過(guò)不參與計(jì)

12、算，提高了計(jì)算效率。提出局部采用“動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)”的方法，既解決了擠壓墊片移動(dòng)引起的計(jì)算區(qū)域變化問(wèn)題，又避免了全局網(wǎng)格變化帶來(lái)的計(jì)算時(shí)間的浪費(fèi)。根據(jù)計(jì)算的穩(wěn)定性條件，提出用時(shí)間步長(zhǎng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)方法來(lái)進(jìn)一步提高模擬計(jì)算的效率。利用以上關(guān)鍵技術(shù)，建立了鋁型材擠壓三維非穩(wěn)態(tài)過(guò)程有限體積數(shù)值模擬模型，自主開發(fā)了鋁型材擠壓三維非穩(wěn)態(tài)過(guò)程有限體積數(shù)值模擬軟件，并且利用典型的鋁型材擠壓非穩(wěn)態(tài)實(shí)例驗(yàn)證了鋁型材擠壓三維非穩(wěn)態(tài)過(guò)程有限體積法數(shù)值模擬模型是正確、高

13、效的。 以上穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)模型均是在三維笛卡爾正交網(wǎng)格上建立的，笛卡爾正交網(wǎng)格雖然能夠模擬任何形狀區(qū)域的流動(dòng)，程序適應(yīng)性強(qiáng)，但是正交網(wǎng)格對(duì)復(fù)雜邊界或曲線邊界采用“階梯狀”近似逼近，在網(wǎng)格較粗的情況下會(huì)帶來(lái)計(jì)算誤差和邊界施加的困難。為了使計(jì)算網(wǎng)格邊界與流體區(qū)域邊界更加吻合，使邊界條件的施加更加方便、科學(xué)，計(jì)算更加貼合實(shí)際擠壓過(guò)程，本文研究了適體網(wǎng)格的生成技術(shù)，在此基礎(chǔ)上著重研究了網(wǎng)格的非正交性對(duì)鋁型材擠壓控制方程中對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)的影

14、響，推導(dǎo)建立了三維適體網(wǎng)格下各控制方程的離散公式，基于正交網(wǎng)格下的VOF方法和移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，充分考慮網(wǎng)格非正交性的影響，拓展建立了適體網(wǎng)格下的VOF方法和移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。非正交邊界上采用剪切摩擦模型，并在此基礎(chǔ)上提出了適體網(wǎng)格下邊界條件的施加方法。以上述關(guān)鍵技術(shù)為依托，建立了更加貼合擠壓實(shí)際，更加適應(yīng)復(fù)雜區(qū)域擠壓過(guò)程模擬的適體網(wǎng)格下的鋁型材擠壓有限體積法數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型，對(duì)三維鋁型材擠壓過(guò)程有限體積法數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了網(wǎng)格適體性優(yōu)化，對(duì)典