CN108889786A - 一种基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗优化方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗优化方法，包括以下步骤：步骤A：建立铝型材挤压过程能耗模型；步骤B：利用数值仿真法分析铝型材挤压过程能耗模型，包括设置材料模型、摩擦模型和边界条件，以及分析铝型材挤压过程中工艺参数对能耗的影响，所述工艺参数包括挤压速度、棒料温度、模具温度和挤压筒温度；步骤C：建立铝型材挤压过程多目标参数优化模型得到所述工艺参数的最优解；本发明提出一种基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗优化方法，通过运用该方法可以得出铝型材挤压过程中最小能耗的最优解，合理设置最优工艺参数，降低生产成本。

Description

一种基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗优化方法
技术领域
本发明涉及铝型材能耗优化领域，尤其涉及一种基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗优化方法。
背景技术
由于铝型材具有良好的综合性能，在航天科技以及建筑行业使用范围逐步扩大。近年来，随着经济和技术的高速发展，作为支柱材料之一的铝型材需求日益增加，其用量正不断提高并且处于持续增长阶段，是多个国家及地区的支柱产业之一。节能型挤压技术越来越受到各国有色金属加工行业的重视，高效低能耗挤压工艺研究是铝型材生产节能减排的重要方向。
但是在铝型材挤压制作过程中，受到工艺参数的影响，没有设置最优的工艺参数，导致在挤压过程中，增加了大量的能耗，对于企业的生产而言，大大增加了生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗优化方法，通过运用该方法可以得出铝型材挤压过程中最小能耗的最优解，合理设置最优工艺参数，降低生产成本。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗优化方法，包括以下步骤：
步骤A：建立铝型材挤压过程能耗模型；
所述铝型材挤压过程能耗模型满足公式(1.1)：
Etotal＝Ed+Ef+Ee --公式1.1；
在公式1.1中：
Etotal为挤压过程总能耗；
Ed为塑性变形能耗；
Ee为热交换能耗；
Ef为摩擦所需能耗；
步骤B：利用数值仿真法分析铝型材挤压过程能耗模型，包括设置材料模型、摩擦模型和边界条件，以及分析铝型材挤压过程中工艺参数对能耗的影响，所述工艺参数包括挤压速度、棒料温度、模具温度和挤压筒温度；
步骤C：建立铝型材挤压过程多目标参数优化模型得到所述工艺参数的最优解；所述铝型材挤压过程夺目报参数优化模型满足公式(2.1、2.2和2.3)：
Etotal＝Ee+Ef+Ed＝net(v0，Tb，TdTs) --公式2.2；
在公式2.1、2.2和2.3中：
Et为铝型材挤压过程总能耗(kJ)；
Fsdv为挤压型材出口处截面速度分布均方差；
v0为挤压速度(mm/s)；
Tb分别为棒料预热温度(℃)；
Td为模具预热温度(℃)；
Ts为挤压筒预热温度(℃)。
优选的，Ef为棒料与模具、挤压筒摩擦力产生的能耗，Ef满足铝型材挤压过程中摩擦能耗计算公式(1.11)：
在公式1.11中：
mt是摩擦因子；
指常规流动应力；
D为棒料直径；；
L为棒料长度；；
C为模腔截面周长；
λ为挤压比；
L1为模腔变形区轴向长度。
优选的，Ee为热交换能耗，包括棒料模具、挤压筒之间的热交换，以及模具挤压筒与空气之间的热交换的能耗，Ee满足公式1.12：
Ee＝∫Qmdθmdt+∫Qtdθtdt--公式1.12；
在公式1.12中：
Qm表示模具辐射能耗，Qt表示挤压筒辐射能耗，θm表示模具实时平均温度，θt表示挤压筒实时平均温度；
模具辐射能耗Qm和挤压筒辐射能耗Qt由公式(1.121)求得；
在公式1.121中：
c0为绝对黑体的辐射系数，c0＝5.7603w·m-2·k-1；
θm为棒料模具、挤压筒的温度(℃)；
θa为周边空气的温度(℃)；
A为与空气接触的散热面积(m2)；
ta为散热时间(s)。
优选的，Ed为塑性变形能耗，在铝型材挤压过程中，铝型材发生两次塑性变形，即产生两次塑性变形能耗，即为棒料与模具接触面铝合金进入焊合室发生一次塑性变形，在焊合室与型材出口处接触面型材挤出发生第二次塑性变形；
整个铝型材挤压过程中塑性变形所需能耗Ed应满足公式(1.13)：
Ed＝2πσ0k(V0R0 2lnλ0t+V1R1 2lnλ1t1)
--公式1.13；
在公式1.13中：
σ0为材料流动的平均应力；
V0，V1分别为挤压速度，焊合室内铝合金塑性变形径向速度；
Ro，R1分别为棒料半径，焊合室半径；
t，t1分别为总挤压时间，除填充阶段外的剩余挤压时间；
λ0，λ1分别为棒料与焊合室，焊合室与出口型材挤压比。
优选的，设置材料模型包括建立材料双曲正弦模型，所述材料双曲正弦模型的本构方程为：
在公式1.2中：
n表示应力指数；
A表示结构因子；
Q表示激活能，单位/J·mol-1；
R表示气体常数，单位/J·mol-1·K-1；
T表示温度，单位/k,α表示应力水平常数，单位/MPa-1；
优选的，设置边界条件包括设置挤压筒和模具的边界条件，工作带边界条件和出口边界条件；
所述挤压筒和模具的边界条件为棒料与挤压筒内壁、模具内腔的接触模型采用塑性剪切摩擦模型，摩擦因子取m＝0.9，模具与棒料两者之间的热传导系数设定为3000W/m·℃；
所述工作带边界条件为棒料与工作带采用库仑摩擦模型，摩擦系数取μ＝0.4。
优选的，分析铝型材挤压过程中工艺参数对能耗的影响包括设置挤压速度、棒料温度、模具温度和挤压筒温度的取值范围，在挤压速度、棒料温度、模具温度和挤压筒温度的取值范围内，得出铝型材挤压过程所需的能耗，得出挤压速度、棒料温度、模具温度和挤压筒温度，与铝型材挤压过程中所需能耗之间的规律。
附图说明
图1是本发明的铝型材挤压过程能耗优化的流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本实施例的一种基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗优化方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤A：建立铝型材挤压过程能耗模型；
根据能耗特性分析铝型材挤压从
开始到挤压结束的整个过程总能耗Etotal主要转化为型材塑性变形能耗Ed，棒料与模具、挤压筒摩擦力产生的能耗Ef，热交换能耗Ee等三部分。热交换能耗Ee包括棒料模具、挤压筒之间的热交换和模具挤压筒与空气之间的热交换的能耗。
所述铝型材挤压过程能耗模型满足公式(1.1)：
Etotal＝Ed+Ef+Ee--公式1.1；
在公式1.1中：
Etotal为挤压过程总能耗；
Ed为塑性变形能耗；
Ee为热交换能耗；
Ef为摩擦所需能耗；
优选的，Ef为棒料与模具、挤压筒摩擦力产生的能耗，Ef满足铝型材挤压过程中摩擦能耗计算公式(1.11)：
在公式1.11中：
mt是摩擦因子；
指常规流动应力；
D为棒料直径；
L为棒料长度；
C为模腔截面周长；
λ为挤压比；
L1为模腔变形区轴向长度。
在铝型材挤压过程中，棒料与挤压筒的接触面积与第一阶段填充阶段棒料与模具的接触面积是变化的，第二阶段中平稳挤压阶段材料会填充到整个模具中，此时材料与模具的接触面是固定的。
通过公式1.11分析，可以看出影响铝型材挤压过程中因素有很多，型材的材料，棒料长度直径的选择，型材尺寸以及挤压比的设计等挤压过程中型材加工工艺参数的选择是影响摩擦所需能耗的主要因素，且挤压过程中温度的变化也对摩擦产生的能耗有一定的影响。
优选的，Ee为热交换能耗，包括棒料模具、挤压筒之间的热交换，以及模具挤压筒与空气之间的热交换的能耗，Ee满足公式1.12：
Ee＝∫Qmdθmdt+∫Qtdθtdt --公式1.12；
在公式1.12中：
Qm表示模具辐射能耗，Qt表示挤压筒辐射能耗，θm表示模具实时平均温度，θt表示挤压筒实时平均温度；
模具辐射能耗Qm和挤压筒辐射能耗Qt由公式(1.121)求得；
在公式1.121中：
c0为绝对黑休的辐射系数，c0＝5.7603w·m-2·k-1；
θm为棒料模具、挤压筒的温度(℃)；
θa为周边空气的温度(℃)；
A为与空气接触的散热面积(m2)；
ta为散热时间(s)
由于挤压成型阶段棒料会不断的深入焊合室，随着棒料外断面在挤压筒内的深度越深，挤压筒类的温度远高于周边空气的温度，棒料实际上与周围空气发生热交换的能耗远低于模具、挤压筒与空气热交换所产生的能耗。模具与挤压筒具备一定的初始温度值，即便没有挤压生产其也会有热量的辐射，但是此部分能耗可认为是固定值不做考虑。
优选的，Ed为塑性变形能耗，在铝型材挤压过程中，铝型材发生两次塑性变形，即产生两次塑性变形能耗，即为棒料与模具接触面铝合金进入焊合室发生一次塑性变形，在焊合室与型材出口处接触面型材挤出发生第二次塑性变形；
整个铝型材挤压过程中塑性变形所需能耗Ed应满足公式(1.13)：
Ed＝2πσ0k(V0R0 2lnλ0t+V1R1 2lnλ1t1)
--公式1.13；
在公式1.13中：
σ0为材料流动的平均应力；
V0，V1分别为挤压速度，焊合室内铝合金塑性变形径向速度；
R0，R1分别为棒料半径，焊合室半径；
t，t1分别分为总挤压时间，除填充阶段外的剩余挤压时间；
λ0，λ1分别为棒料与焊合室，焊合室与出口型材挤压比。
在考虑塑性变形所需要的能耗时，塑性变形发生在棒料与模具，铝合金模腔变形区与型材出口处。铝型材挤压过程中金属塑性变形所需能耗是挤压生产中我们所希望的能耗去向，通过上述建模分析，可以得出塑性吧变形能耗与型材的材料，型材尺寸以及挤压比的设计艺参数挤压过程中挤压速度等工艺参数的选择有关，且挤压过程中温度的变化也对摩擦产生的能耗有一定的影响。
如图1所示，步骤B：利用数值仿真法分析铝型材挤压过程能耗模型，包括设置材料模型、摩擦模型和边界条件，以及分析铝型材挤压过程中工艺参数对能耗的影响，所述工艺参数包括挤压速度、棒料温度、模具温度和挤压筒温度。
优选的，铝型材挤压成型过程为金属塑性大变形问题，挤压比的设置一般为20到60或者更高，在挤压成型过程中相比于弹性变形，金属发生的塑性变形远大于其发生的弹性变形，因此在数值仿真模拟计算中一般只考虑其塑性变形。
设置材料模型包括建立材料双曲正弦模型，所述材料双曲正弦模型的本构方程为：
在公式1.2中：
n表示应力指数；
A表示结构因子；
Q表示激活能，单位/J·mol-1；
R表示气体常数，单位/J·mol-1·K-1；
T表示温度，单位/k,α表示应力水平常数，单位/MPa-1；
优选的，设置边界条件包括设置挤压筒和模具的边界条件，工作带边界条件和出口边界条件；
在铝型材挤压生产中，摩擦模型对金属塑性变形区影响很大。在铝型材挤压成型过程中的摩擦作用于高温高压条件下，并且与此同时发生金属棒料的塑性变形，棒料塑性变形区与模具之间的接触面上受到摩擦的阻力作用对于金属的塑性变形能力以及型材质量均有很大的影响，随着发生机理的不同，摩擦有不同的类型，本实施例中主要考虑剪切摩擦模型和库伦摩擦模型。
所述挤压筒和模具的边界条件为棒料与挤压筒内壁、模具内腔的接触模型采用塑性剪切摩擦模型，摩擦因子取m＝0.9，模具与棒料两者之间的热传导系数设定为3000W/m·℃；
所述工作带边界条件为棒料与工作带采用库仑摩擦模型，摩擦系数取μ＝0.4。
在铝型材挤压生产时，棒料塑性变形区同模具内腔以及挤压筒接触面所受应力状态严重，挤压成型时，棒料与模具的温度由于棒料剧烈的塑性变形而升高，此时棒料与模具之间没有相对移动发生，使用剪切摩擦模型比较合适。当棒料进入工作带之后，棒料与塑性变形区工作带接触面之间的应力减小，并且金属此时具备一定的流动速度，因此适合采用库仑摩擦模型。
优选的，分析铝型材挤压过程中工艺参数对能耗的影响包括设置挤压速度、棒料温度、模具温度和挤压筒温度的取值范围，在挤压速度、棒料温度、模具温度和挤压筒温度的取值范围内，得出铝型材挤压过程所需的能耗，得出挤压速度、棒料温度、模具温度和挤压筒温度，与铝型材挤压过程中所需能耗之间的规律。
分析后，得出以下规律：
(1)随着挤压速度的增大，整个挤压过程的最高温度呈上升趋势，挤压力随挤压速度呈现出先降低后升高的趋势。而随着挤压速度的增大，铝型材挤压过程能耗逐步降低，挤压速度越大，挤压所需能耗越低。在铝型材挤压的实际生产过程中，因此设计尽可能大的挤压速度有利于降低铝型材挤压生产能耗。
(2)随着棒料预温度的升高，整个挤压过程的最高温度呈升高趋势，挤压力随坯料预热温度的增加不断下降，挤压过程能耗呈现先减小后增大的变化趋势，棒料预热温度在450-460℃范围取值能够降低挤压过程能耗。
(3)随着模具预温度的升高，整个挤压过程的最高温度呈降低趋势。挤压力也逐渐降低，挤压过程能耗呈现先减小后增大再减小的变化趋势，模具预热温度在450℃左右参数取值能够降低挤压过程能耗。
(4)随着挤压筒预热温度的升高，整个挤压过程的最高温度呈上升趋势，挤压力随挤压速度呈现出逐渐降低后小幅度升高的趋势。挤压过程能耗呈现先减小后有小幅回升的变化趋势。挤压筒预热温度选取430左右℃范围取值能够降低挤压过程能耗。
如图1所示，步骤C：建立铝型材挤压过程多目标参数优化模型得到所述工艺参数的最优解；所述铝型材挤压过程夺目报参数优化模型满足公式(2.1、2.2和2.3)：
Etotal＝Ee+Ef+Ed＝net(v0，Tb，TdTs)--公式2.2；
在公式2.1、2.2和2.3中：
Et为铝型材挤压过程总能耗(kJ)；
Fsdv为挤压型材出口处截面速度分布均方差；
v0为挤压速度(mm/s)；
Tb分别为棒料预热温度(℃)；
Td为模具预热温度(℃)；
Ts为挤压筒预热温度(℃)。
通过公式2.1、2.2和2.3可以得知，当棒料预热温度在430-500℃，挤压速度在6.6-7.8mm/s，模具预热温度在430-500℃和挤压筒预热温度在400-450℃时为最优工艺参数。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A：建立铝型材挤压过程能耗模型；
所述铝型材挤压过程能耗模型满足公式(1.1)：
Etotal＝Ed+Ef+Ee --公式1.1；
在公式1.1中：
Etotal为挤压过程总能耗；
Ed为塑性变形能耗；
Ee为热交换能耗；
Ef为摩擦所需能耗；
步骤B：利用数值仿真法分析铝型材挤压过程能耗模型，包括设置材料模型、摩擦模型和边界条件，以及分析铝型材挤压过程中工艺参数对能耗的影响，所述工艺参数包括挤压速度、棒料温度、模具温度和挤压筒温度；
步骤C：建立铝型材挤压过程多目标参数优化模型得到所述工艺参数的最优解；所述铝型材挤压过程夺目报参数优化模型满足公式(2.1、2.2和2.3)：
Etotal＝Ee+Ef+Ed＝net(v0，Tb，TdTs)--公式2.2；
在公式2.1、2.2和2.3中：
Et为铝型材挤压过程总能耗(kJ)；
Fsdv为挤压型材出口处截面速度分布均方差；
v0为挤压速度(mm/s)；
Tb分别为棒料预热温度(℃)；
Td为模具预热温度(℃)；
TS为挤压筒预热温度(℃)。
2.根据权利要求1所述一种基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗优化方法，其特征在于：
Ef为棒料与模具、挤压筒摩擦力产生的能耗，Ef满足铝型材挤压过程中摩擦能耗计算公式(1.11)：
在公式1.11中：
mt是摩擦因子；
指常规流动应力；
D为棒料直径；；
L为棒料长度；；
C为模腔截面周长；
λ为挤压比；
L1为模腔变形区轴向长度。
3.根据权利要求1所述一种基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗优化方法，其特征在于：
Ee为热交换能耗，包括棒料模具、挤压筒之间的热交换，以及模具挤压筒与空气之间的热交换的能耗，Ee满足公式1.12：
Ee＝∫Qmdθmdt+∫Qtdθtdt --公式1.12；
在公式1.12中：
Qm表示模具辐射能耗，Qt表示挤压筒辐射能耗，θm表示模具实时平均温度，θt表示挤压筒实时平均温度；
模具辐射能耗Qm和挤压筒辐射能耗Qt由公式(1.121)求得；
在公式1.121中：
c0为绝对黑体的辐射系数，c0＝5.7603w·m-2·k-1；
θm为棒料模具、挤压筒的温度(℃)；
θa为周边空气的温度(℃)；
A为与空气接触的散热面积(m2)；
ta为散热时间(s)。
4.根据权利要求1所述一种基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗优化方法，其特征在于：
Ed为塑性变形能耗，在铝型材挤压过程中，铝型材发生两次塑性变形，即产生两次塑性变形能耗，即为棒料与模具接触面铝合金进入焊合室发生一次塑性变形，在焊合室与型材出口处接触面型材挤出发生第二次塑性变形；
整个铝型材挤压过程中塑性变形所需能耗Ed应满足公式(1.13)：
Ed＝2πσ0k(V0R0 2lnλ0t+V1R1 2lnλ1t1)
--公式1.13；
在公式1.13中：
σ0为材料流动的平均应力；
V0，V1分别为挤压速度，焊合室内铝合金塑性变形径向速度；
Ro，R1分别为棒料半径，焊合室半径；
t，t1分别为总挤压时间，除填充阶段外的剩余挤压时间；
λ0，λ1分别为棒料与焊合室，焊合室与出口型材挤压比。
5.根据权利要求1所述一种基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗优化方法，其特征在于：
设置材料模型包括建立材料双曲正弦模型，所述材料双曲正弦模型的本构方程为：
在公式1.2中：
n表示应力指数；
A表示结构因子；
Q表示激活能，单位/J·mol-1；
R表示气体常数，单位/J·mol-1·K-1；
T表示温度，单位/k，α表示应力水平常数，单位/MPa-1。
6.根据权利要求1所述一种基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗优化方法，其特征在于：
设置边界条件包括设置挤压筒和模具的边界条件，工作带边界条件和出口边界条件；
所述挤压筒和模具的边界条件为棒料与挤压筒内壁、模具内腔的接触模型采用塑性剪切摩擦模型，摩擦因子取m＝0.9，模具与棒料两者之间的热传导系数设定为3000W/m·℃；
所述工作带边界条件为棒料与工作带采用库仑摩擦模型，摩擦系数取μ＝0.4。
7.根据权利要求1所述一种基于数值仿真的铝型材挤压过程能耗优化方法，其特征在于：
分析铝型材挤压过程中工艺参数对能耗的影响包括设置挤压速度、棒料温度、模具温度和挤压筒温度的取值范围，在挤压速度、棒料温度、模具温度和挤压筒温度的取值范围内，得出铝型材挤压过程所需的能耗，得出挤压速度、棒料温度、模具温度和挤压筒温度，与铝型材挤压过程中所需能耗之间的规律。
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