陳亮  謝國文  田永生 陳曉紅  尤彬波 吳雄偉

                                                 廣汽研究院工藝工程部 廣州

    摘要：本文借助于基于任意拉格朗日-歐拉（ALE）有限元法的 Altair 擠壓仿真分析模塊 Inspire Extrude 軟件，在產品開發階段針對車身門檻梁用大型復雜截面的分流寬展模進行正 向穩態擠壓仿真模擬，對型材出口流速、位移等結果進行分析，預測型材擠出的彎曲、翹曲 等問題。同時基于初步的仿真分析結果，通過優化初始模具結構中的分流孔、調整工作帶長 度等方面，再次進行擠壓仿真模擬，得到出口流速趨于均勻的分析結果。最后對優化后的模 具結構進行生產驗證，實際表明仿真分析結果基本與生產一致，縮短了產品開發周期，降低 了模具調試成本。

    關鍵詞：車身用型材  鋁擠壓  有限元模擬仿真  ALE 有限元   

    1  概述 

    近些年，為解決全球氣候環境的溫室效應，降低燃油車尾氣排放問題，全球電動汽車市場不斷發展。車身的輕量化是提高電動車續航里程，解決用戶“里程焦慮”的有效方法之一。在車身輕量化方案中，鋁擠壓型材以其比鋼更低的密度，相對于沖壓鋁板更低的制造成本，同時以具備多車型平臺共用的潛力得以在電動車下車身各類梁中得以廣泛應用[1]。 

    由于車身加強梁類擠壓型材（如門檻梁、中通道和前/后縱梁等）大多具有多型腔、截面大、壁厚薄特點，同時強度和精度要求高，因此在前期車身設計開發階段，對鋁型材進行工藝同步仿真分析具有十分重要的作用。 

    車身鋁型材多以中大型、復雜的分流模寬展模為主，前期的產品截面和擠壓模具結構設計將直接影響擠出型材模具的壽命、型材表面質量和尺寸精度。傳統的鋁擠壓模具以工程師經驗為主導進行設計，并未經仿真分析而直接進行開模，后期在生產線上進行多輪試錯調試，其中不可避免地耗費大量的調試時間和成本[2,3]。 

    近些年在鋁擠壓行業和汽車研發單位開始逐漸引入擠壓仿真分析軟件對型材產品進行出口流速、應力應變情況及擠出產品形狀和模具壽命進行模擬，從而使產品、工藝及模具設計在最優狀態下進行制作生產，縮短開發周期、降低開發成本和提升產品質量[4]。 

    本文將以廣汽傳祺某電動車型的中大型復雜多腔體截面門檻梁型材為例，  采用基于任意拉格朗日-歐拉（ALE）有限元法[5-7]的 Inspire Extrude 擠壓仿真分析軟件，對初始模具結構進行擠出過程中分流體和型材出口流速、截面各區域相對出口速度差異百分比、型材擠出變形位移云圖進行仿真模擬和分析。初步分析結果顯示型材擠出流速嚴重不均衡，模具和工藝若不優化，將使后期的調試周期和成本大幅增加。為了在產品開發階段將模具結構調整至最優狀態，本文中基于鋁擠壓熱狀態下的金屬流動分配的最小阻力定律原則，通過分流孔優化、供流槽體大小及工作帶長度等的優化，再次導入優化后的模具進行仿真分析，直至獲取型材截面各區域出口流速趨于均勻的新的優化模具結構。隨后，優化后的模具結構進行生產驗證，結果表明仿真分析結果與實際生產匹配度基本一致，獲得了良好的擠出產品，大大縮短了產品開發周期，降低了模具調試開發成本。 

    2  產品、模具設計與有限元模型的建立 

    2.1  產品及其初步模具結構設計 

    圖 1  所示為某電動車型用門檻梁鋁型材產品信息。圖 1(a)為型材三維視圖，圖 1(b)為型材截面尺寸。產品共計 6 個空腔，產品長寬最大尺寸達 220mm*181mm，產品斷面積約為 3087.7mm2,  交貨長度約 2m，屬于大型鋁型材產品。同時該型材模芯數量多且呈現非對稱狀態（最大尺寸約 70*80mm,  最小尺寸為50*50mm），這對擠壓過程中金屬的均勻分配和模具均勻受力帶來了很大的挑戰。 

   該擠壓型材材料牌號為 6005A,  截面壁厚在 2.0,2.5,3.0mm 之間分布，規劃在 28MN擠壓機上進行正向擠壓生產，棒料直徑為 262mm。如表 1 設計詳細的擠壓工藝參數[8].  根據公式計算得到該型材產品的擠壓比系數：λ=F0/F1=(π*2622)/(4*3087.7)≈17.5，其中 F0,  F1分別表示棒料直徑和單根產品的斷面積。λ 符合 6005A 鋁合金合理擠壓比 12-40 范圍。 

                                                   圖 1  型材產品信息  (a) 3D 立體圖，(b)  截面尺寸圖 

                                                                         表 1  擠壓工藝參數 

    圖 2(a)為該型材的初始模具設計三維圖，受擠壓機棒料噸位限制，采取分流寬展設計，共計 8 個分流橋和 8 個分流孔（如圖 2(b)）。模具總體裝配尺寸為 φ500mm*250mm，如圖2(c)所示下模按單級焊合室進行設計，高度為 30mm。主要區域工作帶長度分布如圖 2(d),  根據距離模孔中心距離及型材厚度，長度按 3-4t（t 為型材厚度）進行布置。

                                                                       圖 2  門檻梁初始模具結構設計：  

                                                      (a)  整體裝配圖；(b)上模；(c)下模；(d)工作帶長度分布

    2.2  有限元模型 

    如圖 3(a)所示為根據模具型腔抽取的流體模型，共計將流體分為五個主要部分：棒料、分流孔區域、焊合室、工作帶和型材區域。根據五個區域的功能作用進行網格劃分如圖 3(b). 

    擠壓棒料、分流孔、焊合室中的流動金屬采用四面體四節點單元，共計 1337446 個單元；工作帶和型材區域采取三棱柱六節點單元進行網格劃分，共計 450350 個單元；整個模型合計 1787796 單元網格數，節點數 532876。

                                                            圖 3  幾何體及有限元模型的建立 

                                                 (a)有限元抽取的流體模型；(b)網格劃分情況 

    本案例采用 ALE 有限元算法進行正向穩態擠壓仿真模擬，結合了更新的 Lagrangian 方法和 Eulerian 算法各自優點，減少邊界網格畸變，可有效地解決擠壓大變形問題。本案例材料為 6005A，采取的材料模型為雙曲正弦流變應力模型 Sine Hyp Inv [9]，其本構方程如下：

    式中：σf為流動應力；R 為氣體常數；T 為溫度；α為應力常數；A 為應變因子的倒數；Q 為激活能；m 為應力系數；k0(T)為初始應變速率，其值取決于溫度場的給定。計算求解在 Altair PBS Works 的高性能計算機平臺 HPC (CPU(24 核，2.2GHz)，RAM-128GB)上進行。 

    3  初始模具方案仿真分析結果 

    圖 4(a)為金屬流經分流孔時的速度云圖，由于分流孔的配比情況導致圖 4(a)中虛線框內①②③④處金屬流速較其他區域要快，導致分流孔對應的型材區域在模具出口變形差異明顯。如圖 4(b)為型材出口變形位移量，最大值達到約為 55mm，最小值僅有約為 4mm。 

    同時，截取型材出口截面，其出口速度云圖如圖 5。從圖圖 5(a)中可以看出，截面左上角和右下部分，即實線框內區域的出口速度最快，基本在 65mm/s 左右。且在圖 5(a)虛線框內出口速度極不均勻，相鄰側選點進行速度測量可知（如圖 5(b)），出口速度最大值約為65mm/s，最小的出口速度僅有約 20mm/s，該相鄰區域速度相差約 70%，導致此處變形嚴重，甚至無法正常擠出中間加強筋條。 

                                                          圖 4  分流孔流速及出口變形位移云圖 

                                     (a)  各分流區金屬流速分布；(b)型材擠出整體平均位移云圖 

                                                             圖 5  型材截面出口流速云圖 

                        (a)  模具出口 Z 向流速云圖；(b)  圖 5(a)中虛線框處放大及速度標注圖

    如圖6(a)所示為型材擠出出口相對差異圖，白色型材區域為速度差異比超出±15%范圍，可以看出，型材約 50%區域擠出位置存在超差范圍。如圖 6(b)中所示，其中最大相對出口值為 30%,  最小為約-50%，即表明存在極大的速度不均，預測可導致擠壓變形翹曲等不良發生。圖 6 的分析結果與圖 4、圖 5 中型材分流速度、出口變形位移及 Z 向出口速度結果基本吻合，即初始的模具結構設計將導致型材擠出變形嚴重，達不到精度要求，甚至可能導致模具報廢。 

                          圖 6  擠出出口相對速度差異云圖；(a)±15%范圍顯示圖；(b)最大最小相對差值位置

    4  模具結構優化/其優化分析結果及生產驗證 

    4.1  模具結構優化 

    從上文的仿真分析結果可知，型材中間內部兩根筋處流速相對較慢，因此考慮將中間分流孔進行擴充，加大金屬引料。如圖 7(b)將原起始平直狀分流口優化成弧形面分流狀，不僅可增加對中間流速慢部位的金屬供應，同時可以降低棒料對其的沖擊，增加該處結構強度，具體尺寸見圖。 

    同時針對圖 5(a)虛線框內區域的流速差比最大的區域，將其分流橋逆時針旋轉（如圖7(c)中虛線框內），避免分流金屬直接供入流速極快的區域。同時針對該區域左側流速慢的型材筋條區域，將分流孔空間擴大約 24mm，已增加該處金屬流動供應，如圖 7(c)實線框內。 

                                圖 7  模具優化方案(藍色透明為初始模具，實心為優化后的模具) 

                   (a)原方案與優化方案對比；(b)中間處分流孔增加；(c)分流橋及供料槽優化

    針對其他區域流速不均，但出口流速差異比低于約 30%的部分，對其進行工作帶長度調整，該方法調整時間短且效果明顯。如圖 8 所示，主要上文中流速不均的區域進行了工作帶長度的調整，即流速相對快的區域進行工作帶加長，流速慢的區域進行工作帶長度的縮短，圖 8(a)和圖 8(b)分別為調整前后的工作帶長度。

                                                圖 8  流速不均區域的工作帶調整方案 

                                          (a)原工作帶長度；(b)優化后的工作帶長度分布 

    4.2  優化后的仿真分析結果 

    如圖 9 所示為優化模具結構后的仿真分析結果，對比圖 4 所示的初始模具結構下的分析結果可明顯看出，型材在分流階段，左上側、右上側和右下角區域（如圖 9(a)虛線框內所示）較快的金屬流動得到有效減慢。圖 9(a)中實線框內型材中間區域相對于初始模具結構時得到更多的金屬供應，這將助于中間處型材出口速度增加。同時對比圖 9(b)與圖 4(b)型材出口變形位移圖，顯然，調整后的型材出口變形位移大大減小，56mm→30mm。 

    如圖 10(a)所示為優化模具后的型材出口流速云圖，對比圖 5(a)可知，優化的型材出口流速云圖顏色分布均勻，即流速趨于平衡，總體均值在 50mm/s 左右。針對初始模具右側出口流速差異較大的問題，優化的結果如圖 10(b)所示，最大流速約為 49mm/s，最小流速約為 40mm/s，相差約 18%，對比原始模具狀態下的 70%速度差值，已經有了很明顯的改善。 

    圖 11(a)和(b)為在同比例標尺范圍下，模具優化前后的相對出口速度差異云圖。從圖中可以看出優化前型材大部分區域的相對出口速度差異超過±15%，而優化后的型材 90%以上區域速度差異分布基本保證在±15%以內。這與前面的型材出口位移、出口速度分布基本一致。 

                                 圖 9  模具優化調整后的分流孔流速及出口變形位移云圖 

                              (a)  各分流區金屬流速分布；(b)型材擠出整體平均位移云圖 

                                                 圖 10 型材截面出口流速云圖 

                    (a)  模具出口 Z 向流速云圖；(b)  圖 5(a)中虛線框處放大及速度標注圖 

                                       圖 11 同比例標尺下擠壓型材相對出口速度差異 

              (a)初始模具下型材各區域相對出口速度差異；(b)  優化模具后的相對出口速度差異 

    4.3  生產驗證 

    如圖 12 為模具優化后的生產驗證情況。從圖 12(a)和(b)可以看出，型材擠出面扭曲和翹曲情況得到有效改善，生產一次性通過，擠出料頭各處變形與擠出模擬仿真結果基本匹配。同時對機加工完的型材進行三坐標檢測，其各處面差基本滿足±0.7mm 的精度要求，符合車身搭接匹配精度要求。 

    圖 12  型材實際生產及精度檢測情況(a)  生產現場圖；(b)  鋸切后的型材; (c)三坐標檢測 

    5  結論 

    本文借助 Altair  公司的 Inspire  Extrude 擠壓仿真分析軟件，針對汽車門檻梁大型復雜的寬展分流模進行擠出仿真分析與優化，得到最優解，成功應用于生產指導，為項目和產品開發過程中節約了時間和成本。通過該案例，得出結論如下： 

    (1)  憑借經驗設計的初始擠壓模具，其擠出速度并不理想均勻，仍需借助擠壓仿真分析軟件進行優化，這可以減少后期的模具調試時間和成本； 

    (2)  ALE 有限元法可以較精確地對擠壓這類高溫大變形問題進行求解； (3)  針對型材擠出不均問題的調整，結合仿真分析結果的分流孔金屬流速、出口速度云圖、擠出變形位移圖等結果，得出：型材出口速度差異比超過 30%的區域建議優先調整分流孔大小和分流橋位置，相對速度差異小于 30%的區域優先對其工作帶長度進行優化。

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