CN101604350A - 一种空心型材分流模挤压焊合过程数值模拟技术 - Google Patents

Abstract

一种空心型材分流模挤压焊合过程数值模拟技术，属于金属挤压技术领域。本发明采用有限元软件Deform－3D对分流模挤压过程进行模拟；有限元分步法进行计算，当焊合面网格单元穿透区和焊合面尚未充满区域体积相等时，在有限元软件Deform－3D中，将此有限元网格三维实体模型转化为由小三角形面片为基本描述单元的三维面模型，即STL(Stereolithography)模型，并对STL模型中相互穿透的焊合面三角面片网格进行修复，使原始穿透区和未充满区重新形成一个由三角形面片单元构成的三维面模型，采用3X分法，将修复好的STL模型导入有限元软件Deform－3D，对模型添加原始单元节点数据，生成新数据文件，完成分流模挤压焊合阶段及挤压全过程的模拟分析。

Description

一种空心型材分流模挤压焊合过程数值模拟技术

技术领域

本发明属于金属挤压技术领域，特别涉及一种非对称断面空心型材分流模挤压焊合面穿透网格修复与焊合过程有限元模拟技术。

背景技术

分流模挤压是生产各种铝合金空心型材的主要方法，分析模具结构对挤压过程中金属流动变形行为的影响规律，是设计合理的模具结构参数、减少上机试模次数的前提。目前，随着铝合金型材在轨道列车、汽车、船舶和航空航天等领域应用的日益增加，型材的断面形状也变得越来越复杂，依靠源于实践经验规律和模具设计者个人经验的传统设计方法很难满足空心型材模具设计的需要[刘静安，谢建新.大型铝合金型材挤压技术与工模具优化设计[M].北京：冶金工业出版社，2003]。

在铝合金空心型材挤压成形过程中，金属在密闭的挤压筒及焊合室中流动，采用物理模拟方法较难获得准确全面的金属流动变形规律，而采用有限元数值模拟技术可对整个挤压过程进行仿真。通过对金属变形体内的应力场、应变场、温度场、速度场等物理量的仿真分析，可预测制品成形质量，为设计合理模具结构和制定挤压工艺提供理论依据。采用模拟仿真分析方法，可减少甚至并替代传统模具设计过程中的反复试模工作，从而达到提高生产效率和产品质量、降低生产成本的目的。

但目前的空心型材挤压有限元模拟技术只能对焊合面与对称面一致的对称断面空心型材的分流模挤压焊合过程进行模拟分析(此时，可通过假定焊合面为刚性面而使焊合接触面上不产生网格穿透现象)；而对于焊合面与对称面不一致空心型材，只能对其分流过程及稳态成形过程进行仿真，而无法模拟其焊合过程，因而难以获得模具结构尺寸对挤压制品的形状、尺寸的影响规律[方刚，王飞，雷丽萍，曾攀.铝型材挤压数值模拟的研究进展[J].稀有金属，2007，31(5)：681-687]。

采用有限体积法由于不需要网格重划分，能够对焊合面与对称面不一致断面空心型材的分流模挤压过程进行模拟，但实际上焊合面两侧金属并没有焊合在一起，无法模拟由于焊合面两侧金属流速不均而导致的挤出型材表面产生弯曲和扭拧等缺陷。同时由于模拟过程中无法对变形体进行局部网格细化处理，计算大断面非对称空心型材时常因为网格数量巨大导致模拟计算终止，无法完成型材分流模挤压全过程的模拟分析。

铝合金空心型材一般具有断面形状复杂、非对称、型孔多等特点，为了能对此类型材挤压全过程的金属流动行为进行模拟分析，研究模具结构的合理性及型材的成形质量，必须解决分流模挤压焊合过程中焊合面附近网格的穿透与分离问题，实现整个焊合过程的数值模拟，从而对挤压全过程的金属流动变形行为进行分析。

发明内容

本发明的目的在于解决非对称断面空心型材分流模挤压的有限元模拟过程中，由于焊合面网格分离与穿透导致模拟计算终止的问题，从而实现非对称断面空心型材挤压全过程流动变形行为的有限元模拟仿真。

通过以下技术方案实现本发明目的：

(1)采用有限元软件Deform-3D对分流模挤压过程进行模拟。先处理几何模型，采用绝对网格划分，对金属变形体进行四面体网格单元划分，在分流孔入口及模孔入口处进行网格单元细化。

所述网格单元细化，其中最小网格单元尺寸(模孔入口处)不超过模孔模孔型腔尺寸的1/3。

(2)采用分步法进行模拟，分流阶段及填充阶段的有限元计算步长为变形体最小单元尺寸的0.1～0.2倍，在焊合面网格单元接触距离为1～5mm时，将有限元计算步长改为变形体最小单元尺寸的0.01～0.08倍。

(3)模拟过程中，当焊合面网格单元穿透区和焊合面尚未充满区域体积相等时，在有限元软件Deform-3D中，将此有限元网格三维实体模型转化为由小三角形面片为基本描述单元的三维面模型，即STL(Stereolithography)模型。

(4)将STL模型导入三维实体设计软件Pro/ENGINEER中，并通过其中的基于逆向工程技术的小平面特征技术，对STL模型中相互穿透的焊合面三角面片网格进行修复，首先删除焊合面网格单元产生穿透及畸变的三角形网格，在删除区域依次选取三个相邻的顶点重新构建三角形面片，直至三角形面片充满删除区表面。同时将焊合面尚未充满区域的表面用三角形面片单元进行填充，使得原始穿透区和未充满区重新形成一个由三角形面片单元构成的三维面模型。

(5)在软件Pro/ENGINEER中采用3X分法，将每个三角面片用三个三角面片来替换，对重新构建的三角面片进行细化，以增大网格密度，提高STL模型的精度。

(6)将修复好的STL模型导入有限元软件Deform-3D，按原网格单元尺寸划分四面体网格单元。

(7)在有限元软件Deform-3D中，对模型添加原始单元节点数据，生成新数据文件，继续计算，完成分流模挤压焊合阶段及挤压全过程的模拟分析。

本发明的主要优点：采用基于逆向工程技术的焊合面网格修复技术，对非对称断面空心型材分流模挤压焊合过程中网格相互穿透的焊合面进行修复，实现了对空心型材分流模挤压焊合过程，进而对挤压全过程的有限元连续模拟。

附图说明

图1本发明的方管断面尺寸示意图

图2本发明的模具实体模型

1-上模，2-下模

图3本发明的几何模型及网格划分(1/4模型)

1-上模，2-下模，3-挤压垫，4-挤压筒，5-坯料，6-模芯

图4本发明的几何模型及网格划分(1/8模型)

1-上模，2-下模，3-挤压垫，4-挤压筒，5-坯料，6-模芯

图5本发明的分流模挤压过程中焊合面开始相互穿透时的有限元模型

图6本发明的图5中y向局部A放大

图7本发明的图5中z向局部B放大

图8本发明的准备修复的有限元模型

图9本发明的修复准则的几何示意图

图10本发明的修复后的有限元网格模型

图11本发明的焊合面开始接触前的模型及网格

图12本发明的焊合面未接触(1/4模型、1/8模型，行程30.85mm)

图13本发明的焊合面开始接触(1/4模型、1/8模型行程30.90mm)

图14本发明的焊合面修复前(1/4模型，行程30.95mm)

图15本发明的焊合面接触程度增加(1/8模型，行程30.95mm)

图16本发明的焊合面修复后状态(1/4模型，行程30.95mm)

图17本发明的焊合面完全焊合(1/8模型，行程31.05mm)

图18本发明的1/4模型(需进行焊合面修复的情况)

图19本发明的1/8模型(无需焊合面修复的情况)

图20本发明的型材断面尺寸示意图

图21本发明的模具实体模型

1-上模，2-下模

图22本发明的模拟结果

具体实施方式

实施例1

通过采用本发明的分流模挤压焊合过程有限元模拟技术，解决了焊合面相互穿透单元网格修复问题，实现了图1所示方管挤压全过程的有限元模拟。

方管尺寸为L30×t2mm，金属变形体，即坯料直径为Φ90mm、挤压筒直径Φ95mm、挤压比31.6、分流比12.6。坯料和模具之间选用剪切摩擦模型，并根据圆环压缩实验结果，取摩擦因子m＝1。

挤压的初始工艺条件为坯料(A6005铝合金)温度480℃、挤压筒温度400℃、模具(H13热作模具钢)温度450℃、挤压垫温度30℃，挤压轴速度4mm/s。

假设采用焊合面与方管的对角线位置一致的模孔布置方案，模具实体模型如图2所示。当取1/4(图1中阴影部分)进行模拟时，则计算对象内包含了焊合面，需采用本发明的处理技术，几何模型及网格划分如图3所示。由于对称性特点，也可取1/8(图1中阴影部分的一半)进行模拟，由于所有的焊合面均被简化为刚性面，计算对象不存在焊合面，不会产生网格穿透现象，不需要进行网格修复，几何模型及网格划分如图4所示。利用方管挤压时1/4模型与1/8模型的上述特点，可以检验本发明的技术的可行性与精确性。

(1)采用有限元软件Deform-3D进行模拟，根据绝对网格法对变形体划分四面体网格单元，并对分流孔入口及模孔入口处的变形体进行网格单元细化，设定模拟过程中变形体网格单元最小尺寸为0.7mm(模孔入口处)，最大为10mm(挤压筒内靠近挤压轴附近)，分流孔入口处变形体网格单元尺寸为2mm。

(2)采用分步法进行模拟，分流阶段及填充阶段的有限元计算步长为变形体最小单元尺寸的0.1～0.2倍，本发明计算的步长为0.2mm。在焊合面网格单元距离为3mm，即挤压行程为30.8mm时，将有限元计算步长改为变形体最小单元尺寸的0.01～0.08倍，本发明为将数值计算步长由原来的每步0.2mm改为0.05mm。

(3)方管挤压时焊合过程如图11～17所示。从挤压开始经坯料分流阶段和焊合室填充阶段到焊合面开始接触阶段，采用1/4和1/8几何模型时数值模拟结果相同，如图11、12和13所示。当挤压行程为30.95mm时，采用1/4模型进行模拟时，根据修复准则，此变形体焊合面互穿透的网格单元区域和焊合面未充满区域面积相等，如图14所示。在有限元软件Deform-3D中，将此时有限元网格三维实体模型转化为由小三角形面片为基本描述单元的三维面模型，即STL(Stereolithography)模型。

根据塑性成形体积不变原理，本发明建立的焊合面单元网格相互穿透时模型的修复准则如下：

图5为分流模挤压过程中焊合面开始相互穿透时的有限元模型，挤压方向为沿图中y轴的正方向。图6为平行于挤压方向，即y向局部A放大视图；图7沿负z轴方向局部B放大视图。图8为随着挤压行程的增加，网格穿透量增加即满足体积不变原理准备修复的模型。将焊合面轮廓穿透区和尚未充满区域的有限单元模型用几何示意图来表示，如图9所示。其中，阴影部分(以实线为边界的bdfe区域)为焊合面单元网格相互穿透区域，非阴影部分(实线为边界的abc和fgh漏斗形区域)为焊合面尚未充满区域。

在网格相互穿透过程中，在焊合面穿透区和焊合面尚未充满区域体积相等时进行网格修复，才能确保修复前后坯料体积相等，而此之前修复则导致修复后体积增加、在此之后修复则导致体积减小。

在网格修复时，将图7中I区域所示的焊合面沿焊合室高度方向的轮廓简化为直线，则焊合面穿透区和尚未充满区域的体积可近似为：垂直于挤压方向的网格穿透区和未充满区域的面积(几何示意图中阴影区域和漏斗形非阴影区域)与焊合室高度的乘积。

由于几何示意图中以实线为边界的中阴影区域和漏斗形非阴影区域的弧线曲率及半径在实际模拟过程中难以测量，且面积精确计算较为繁琐，因此将几何示意图中阴影区域的面积简化为以虚线为边界的Δbde和Δfed的面积，而将几何示意图中漏斗形非阴影区域的面积简化为以虚线为边界的Δabc和Δfgh的面积。在有限元软件Deform-3D中通过标尺量出三角形边长ac、de、gh和高kb、bo、fo、fm，当ac×bk+gh×fm＝de×bo+de×fo时，Δbde+Δfed和Δabc+Δfgh的面积相等，此时有限元网格模型为修复模型，修复后的有限元网格模型如图10所示。

(4)将STL模型导入三维实体设计软件Pro/ENGINEER中，并通过其中的基于逆向工程技术的小平面特征技术，对STL模型中相互穿透的焊合面三角面片网格进行修复，首先删除焊合面网格单元产生穿透及畸变的三角形网格，在删除区域依次选取三个相邻的顶点重新构建三角形面片，直至三角形面片充满删除区表面。同时将焊合面尚未充满区域的表面用三角形面片单元进行填充，使得原始穿透区和未充满区重新形成一个由三角形面片单元构成的三维面模型。

(5)在软件Pro/ENGINEER中采用3X分法，每个三角面片用三个三角面片来替换，对重新构建的三角面片进行细化，以增大网格密度，提高STL模型的精度。

(6)将修复好的STL模型导入有限元软件Deform-3D，按原网格单元尺寸划分四面体网格单元，修复后有限元几何实体模型相对原始几何模型的体积损失仅为为0.13％，如图16所示。

(7)在有限元软件Deform-3D中，对模型添加原始单元节点数据，生成新数据文件，继续计算，完成分流模挤压焊合阶段及挤压全过程的模拟分析。

采用1/8模型进行模拟时，行程为30.95mm时的焊合情况如图15所示，焊合程度增加，无网格穿透现象。当挤压行程为31.05mm时焊合面完全焊合，如图17所示。可知从焊合面开始接触到焊合完成，挤压行程仅为0.15mm，由此可以推测在这样短的挤压行程范围内对焊合面网格进行修复，将不会影响挤压过程的金属流动模拟结果。

两种挤压焊合后挤出的方管形状如图18和图19所示。由图可见，对焊合面网格进行修复和无需对焊合面进行修复时挤出的方管外形吻合较好，实现了对空心型材挤分流模挤压焊合过程及全过程的数值模具，具有令人满意的模拟精度。

实施例2

非对称多孔空心型材的断面及尺寸如图20所示，实体模具结构如图21所示。对于此类焊合面与对称面不一致断面空心型材，只能采用本发明的焊合面网格修复技术完成挤压全过程的数值模拟分析。

采用有限元软件Deform-3D进行模拟，网格划分采用绝对网格法，计算单元为四面体网格单元，并对塑性变形较大的分流孔入口及模孔入口处进行网格单元细化，设定模拟过程中单元最小尺寸为1mm，最大为30mm。

设坯料和挤压筒直径皆为Φ238mm、挤压比为31，坯料和模具之间选用剪切摩擦模型，并根据坯料与工模具的圆环压缩实验结果，取摩擦因子m＝1。

挤压的初始工艺条件为坯料(铝合金6005A)温度500℃、挤压筒温度420℃、模具(H13热作模具钢)温度480℃、挤压垫温度30℃，挤压轴速度2mm/s。

对挤压过程中各个焊合面逐一修复，重新划分单元网格，修复原则及步骤与上例相同。实现了非对称多孔空心型材挤压过程的数值模拟，模拟结果如图22所示。修复后的有限元几何实体模型相对原始几何实体模型的体积损失为0.3％。

Claims (2)

1、一种空心型材分流模挤压焊合过程数值模拟技术，其特征在于，具体步骤是：

1)采用有限元软件Deform-3D对分流模挤压过程进行模拟，先处理几何模型，采用绝对网格划分，对金属变形体进行四面体网格单元划分，在分流孔入口及模孔入口处进行网格单元细化；

2)采用分步法进行模拟，分流阶段及填充阶段的有限元计算步长为变形体最小单元尺寸的0.1～0.2倍，在焊合面网格单元接触距离为1～5mm时，将有限元计算步长改为变形体最小单元尺寸的0.01～0.08倍；

3)模拟过程中，当焊合面网格单元穿透区和焊合面尚未充满区域体积相等时，在有限元软件Deform-3D中，将此有限元网格三维实体模型转化为由小三角形面片为基本描述单元的三维面模型，即STL模型；

4)将STL模型导入三维实体设计软件Pro/ENGINEER中，对STL模型中相互穿透的焊合面三角面片网格进行修复，首先删除焊合面网格单元产生穿透及畸变的三角形网格，在删除区域依次选取三个相邻的顶点重新构建三角形面片，直至三角形面片充满删除区表面，同时将焊合面尚未充满区域的表面用三角形面片单元进行填充，使得原始穿透区和未充满区重新形成一个由三角形面片单元构成的三维面模型；

5)在软件Pro/ENGINEER中采用3X分法，将每个三角面片用三个三角面片来替换；

6)将修复好的STL模型导入有限元软件Deform-3D，按原网格单元尺寸划分四面体网格单元；

7)在有限元软件Deform-3D中，对模型添加原始单元节点数据，生成新数据文件，继续计算，完成分流模挤压焊合阶段及挤压全过程的模拟分析。

2、如权利要求1所述的空心型材分流模挤压焊合过程数值模拟技术，其特征在于，所述网格单元细化为模孔入口处的最小网格单元尺寸不超过模孔型腔尺寸的1/3。

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