3 懸臂類鋁型材擠壓模具的數值模擬分析

3.1 鋁合金型材擠壓參數選擇

鋁合金的擠壓參數選擇和設定對研究分析的結果起著決定的作用，本研究的擠壓參數[4]如表3所示。

表3 擠壓參數

3.2 HyperWorks鋁合金擠壓數值模擬步驟

HyperWorks鋁合金擠壓數值模擬步驟包括前處理和后處理。前處理包括以下步驟：導入模具幾何模型、幾何清理、網格劃分、定義邊界條件、HyperXtude求解。

3.2.1 幾何清理

幾何清理其目的是使計算區域形成一個連續的封閉的幾何體，簡化幾何面，以確保劃分出來的網格質量和良好的連續性。幾何清理是后期網格劃分的基礎，因為幾何清理情況則會影響網格的質量，在用第三方軟件SolidWoks生成的幾何模型導入到HyperMesh軟件時，由于軟件間直接的接口技術問題，導入后的模型有可能產生一面的缺失、線或面的不縫合等一些拓撲關系缺陷，這些缺陷如果不采用修復，則有可能影響網格的劃分質量，嚴重時還會導致三維網格無法劃分[5]。同時，在實體模型含有些微小特征時，例如：小孔或小尖角，如果不合理清理，則會在劃分網格時會生成很多小單元，從而增加計算量。因而幾何清理在前處理中應給與重視。

本研究的這些模型中，主要幾何清理是拓撲關系的修復，對不縫合的線和缺失的面進行修復整理。

3.2.2 網格劃分

本研究對擠壓過程中的所用材料、材料流經的所有區域和擠壓模具采用四面體單元進行網格劃分。在模型表面的基礎上劃分二維網格，完成二維網格后就開始劃分三維網格。本研究中，在HyperMesh軟件的2D功能中的automesh自動劃分網格，網格的形狀為三角形，網格的大小根據模型的情況而定的。當然地，網格越小越密，其分析結果越精確，但這對電腦CPU處理能力有一定要求。在本研究中為了協調電腦的配置要求和計算結構的精確性，劃分的二維網格有大小疏密之分，一般地工作帶的網格取最小的，因為其對擠出型材的影響最為關鍵，其他的位置的可以視情況而去定的。而三維的網格生成是根據已經劃分好的二維網格來決定的，本設計三維網格的劃分主要是對二維網格的拉伸和封閉的二維網格自動生成四面體網格。網格的質量與整個分析的結果時密切相關的。由于結構是對稱的，為降低數據處理量且不影響其分析結果將分析模型分割成二分之一，單元數控制在60萬以內，圖4為本研究的懸臂類鋁型材擠壓有限元仿真模型。

圖4 懸臂類鋁型材擠壓有限元仿真模型

3.2.3 定義邊界條件

進入擠壓向導HyperXtrude進行邊界條件的定義。當軟件自動生成邊界條件后，缺少了對稱的邊界條件，這需要創建新的邊界條件，把對應的網格分到相應的分組；在編輯Bearing-Die1等邊界條件時，要注意其網格的接觸類型及熱傳導系數，即是圖5中Contact type和Heat transfer coeff這兩個選項，這個邊界條件的網格接觸類型應為Mismatched，熱傳導系數為3 000 W/m2·℃。

3.2.4 HyperXtude求解

HyperXtrude軟件在鋁型材擠壓設計生產中的應用越來越廣泛，它能夠模擬鋁合金在擠壓過程中的復雜過程，通過HyperXtrude內求解器的強大求解計算，分析鋁型材在擠壓過程中的變形情況。完成邊界條件的定義，將軟件自動生成的grf格式文件和tcl格式文件放進求解器進行求解運算。一般地，進入HyperXtude軟件中的擠壓向導Launch Slover，它會自動提取之前保存grf和tcl格式文件進行計算。計算求解的速度要根據計算機的中央處理器處理速度而定的。

后處理是不僅有對結果的分析，還有結果分析后對設計進行優化。本次后處理主要是對研究對象的模擬分析結果進行觀察和處理。

3.3 結果分析

在HyperView軟件能直觀觀察分析結果，如圖6和圖7所示。表4所示的數據為組合型懸臂類鋁型材擠壓模具的下模具最大應變數值。

通過觀察下模的應力分布情況，可以預測模具結構哪個部位最容易受到破壞，接著對相應的部位采取相應的措施。下模具的應變情況是影響擠壓生產出來的型材質量的關鍵因素之一，尤其是在工作帶附近的部位，它會直接影響其型材的精度或形狀。

圖6所示的是擠壓模具下模的應力分布圖，通過觀察可以得出，模具中間部位受到應力最大，最大值為391.5 Mpa，其他部位相對較小。因此在設計模具是，應力大的部位需要對其添加材料加強或對該部位的材料進行處理以達到加強目的。圖7是擠壓模具下模Mag方向的應變分布圖，從圖中可以中間紅色部位的應變是最大的，最大值為0.005 248 mm。因此在后面的設計優化過程中要對這里進行優化，降低其應變值。

圖5 Bearing-Die1邊條件設置  

應變情況是影響擠壓生產出來的型材質量的關鍵因素，尤其是在工作帶附近的部位，它會直接影響其型材的精度或形狀。用SPSS軟件進行數據分析，通過對下模具最大應變值數據進行分析來預知其影響程度。

下模具的最大應變值的數據分析如圖8所示。

圖6 下模的應力分布

圖7 下模Mag方向的應變  

表4 組合型懸臂類鋁型材擠壓模具的下模具最大應變值 

擠型材擠壓模具的高度對下模具最大應變值影響顯著，主次影響為鋁型材擠壓模具的高度，其次擠壓型材的厚度，最小的是鋁型材的寬度。下模具的所受最大應變值越小越好，對擠壓模具的高度進行分析，最優高度為120 mm，同理選出，擠壓型材的最優厚度為2 mm，擠壓型材的最優寬度為25 mm。

文章來源：現代信息科技