CN115034114A - 一种基于数值模拟的挤压有限元仿真模型优化方法 - Google Patents

一种基于数值模拟的挤压有限元仿真模型优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数值模拟的挤压有限元仿真模型优化方法，属于材料塑性加工技术领域。该方法包括：经高温摩擦磨损实验收集合金材料在不同温度的摩擦系数数据；建立变摩擦系数模型，预测材料在实际挤压温度下的摩擦系数；根据实际要求建立胚料尺寸的三维几何模型，完成有限元模拟仿真参数设置；对胚料网格划分及常摩擦系数模型进行有限元仿真分析；将变摩擦系数模型所预测的摩擦系数数据作为有限元仿真摩擦边界条件进行模拟分析，对比变摩擦和常摩擦系数模型有限元仿真模拟结果与实际实验数据，实现对挤压有限元仿真模型的优化。该方法效率快且经济，能够精确模拟实际挤压过程中摩擦条件的变化，为实际挤压成型过程提供指导基础。

Description

一种基于数值模拟的挤压有限元仿真模型优化方法
技术领域
本发明涉及材料塑性加工技术领域，具体而言，涉及一种基于数值模拟的挤压有限元仿真模型优化方法。
背景技术
热挤压成型主要用于制造型材、管材、棒材以及各种超宽薄壁型材和小型高精度型材，由于挤压产品类型多样、精度高、生产灵活性大，因此热挤压生产已经成为我国工业制造的重点领域，同时随着我国制造技术的不断发展，热挤压产品已经被广泛应用于我国航空航天、交通运输等领域。
作为一种典型非线性大塑性变形工艺，胚料在热挤压过程中流动行为十分复杂，多种不同因素相互交叉耦合，难以准确分析胚料在型腔中的变化情况，导致胚料在挤出后出现组织不均匀、表面开裂等线性，而传统的试错实验效率低下，需要通过大量研究优化工艺。
随着计算机仿真技术的发展，有限元仿真更多的被应用于工业的模拟研究，通过有限元模拟方法探究热挤压过程中合金胚料的流动规律、温度变化、应力分布等情况，为实现挤压高效生产提供了重要的工程基础。然而，热挤压过程中摩擦、热等众多参数相互影响，其中摩擦系数作为确定成型过程中摩擦剪应力大小的重要变量，它显著受到挤压过程中材料温度变化的影响，但传统的摩擦模型以固定系数作为有限元仿真的边界条件，无法精确描述非稳态过程中胚料摩擦条件的变化，降低了挤压有限元仿真的精度，为准确获取热挤压过程应力场和温度场带来挑战。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数值模拟挤压的有限元仿真模型优化方法，以解决上述技术问题。
本申请可这样实现：
本申请提供一种基于数值模拟的挤压有限元仿真模型优化方法，其包括以下步骤：
步骤(1)：以合金材料作为摩擦试样、挤压模具作为摩擦副进行高温摩擦磨损实验，收集得到合金材料在固定载荷、固定摩擦转速以及不同温度下的摩擦系数数据，选取各温度下较为平稳的摩擦系数区间的平均摩擦系数作为该合金胚料在对应温度下的摩擦系数；
步骤(2)：对所得的各平均摩擦系数进行数据分析，建立合金材料挤压过程中摩擦系数与工艺温度关系的相关数学模型，分析数学模型预测数据与实验所得数据上的拟合性能，并以决定系数R2评估该模型的拟合程度；评估完成后，通过所得的变摩擦系数模型预测实际挤压温度下材料的摩擦系数；
步骤(3)：根据实际要求设定胚料尺寸，建立挤压筒、胚料以及挤压杆的三维几何模型，将三维几何模型输入到有限元仿真软件中，并根据实际实验要求设置材料的工艺加工参数、材料参数以及模拟控制参数；
步骤(4)：在有限元仿真软件中对胚料三维几何模型划分初始网格，同时设定初始计算步长，完成对胚料三维几何模型有限元网格的细化设置及网格的重划分尺寸设定，按照实际实验设计进行常摩擦系数模型下的有限仿真模拟实验，完成合金材料挤压有限元仿真模拟并输出相应数值模拟结果；
步骤(5)：将变摩擦系数模型所预测的摩擦系数作为有限元仿真摩擦边界条件进行模拟分析，对比分析变摩擦系数模型、常模擦系数模型有限元仿真模拟结果与实际实验数据，分析误差和评估优化效果。
在可选的实施方式中，步骤(2)中，变摩擦系数模型的表达式为：
Figure BDA0003719149470000031
其中，μ(T0)为室温下测试的摩擦系数；μ为实验测得在各温度下的摩擦系数；T0为室温温度，其单位为℃；a和b为拟合方程参数；n为温度相关的拟合方程指数；T为摩擦磨损实验温度，其单位为℃。
在可选的实施方式中，在室温至220℃区间至少选取6个点值进行温度相关的变摩擦系数模型的拟合。
在优选的实施方式中，在室温至220℃区间至少选取9个点值进行温度相关的变摩擦系数模型的拟合。
在可选的实施方式中，在所选取的点值中，任意点值数值差为20至40℃。
在可选的实施方式中，步骤(3)中，的加工参数和材料参数包括挤压速度、胚料温度、模具温度、摩擦系数、热传导系数和网格细化尺寸。
在可选的实施方式中，步骤(4)中，初始网格与细化网格尺寸之比为0.01-0.1。
在可选的实施方式中，初始网格与细化网格尺寸之比为0.01。
在可选的实施方式中，步骤(5)中，有限元仿真模拟结果与实际实验数据均分别包括挤压胚料行程挤压力和型材出口温度。
在可选的实施方式中，合金材料为铝合金。
本申请的有益效果包括：
本申请通过针对传统常摩擦系数模型无法精确模拟实际挤压过程中摩擦条件的变化等缺点，通过实验收集相关材料的摩擦系数数据，筛选并建立在固定载荷下材料摩擦系数和温度参数之间的相互关系，依据实验结果建立起实际挤压过程中材料温度和摩擦系数的变化关系，并结合有限元仿真软件将新式摩擦模型应用于挤压有限元仿真模拟，通过对比不同模型的仿真结果，实现对传统挤压有限元仿真模型的优化。
该方法效率快且经济，能够精确模拟实际挤压过程中摩擦条件的变化，为实际挤压成型过程提供指导基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例中基于数值模拟的挤压有限元仿真模型的优化方法的大致流程图；
图2为本申请实施例中通过实验数据拟合的摩擦系数曲线；
图3为本申请实施例中拟合变摩擦系数方程预测数据与实际系数的线性回归示意图；
图4为本申请实施例中建立的三维几何模型；
图5为本申请实施例中常摩擦系数有限元模型下的挤压型材出口温度演化曲线；
图6为本申请实施例中常摩擦系数模型下挤压实验和有限元仿真获得的载荷曲线；
图7为本申请实施例中不同摩擦模型下的挤压力预测数据；
图8为本申请实施例中不同摩擦模型下的出口温度预测数据。
图标：1-挤压模具；2-分流桥；3-挤压胚料；4-挤压筒；5-挤压杆。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请提供的基于数值模拟挤压的有限元仿真模型优化方法进行具体说明。
本申请提出一种基于数值模拟的挤压有限元模型优化方法，其包括以下步骤：
步骤(1)：以合金材料作为摩擦试样、挤压模具作为摩擦副进行高温摩擦磨损实验，收集得到合金材料在固定载荷、固定摩擦转速以及不同温度下的摩擦系数数据，选取各温度下较为平稳的摩擦系数区间的平均摩擦系数作为该合金胚料在对应温度下的摩擦系数。
上述合金材料例如可以为铝合金。
“较为平稳的摩擦系数区间”指在该区间内，摩擦系数之间的差值不超过0.1。
步骤(2)：对所得的各平均摩擦系数进行数据分析，建立合金材料挤压过程中摩擦系数与工艺温度关系的相关数学模型，分析数学模型预测数据与实验所得数据上的拟合性能，并以决定系数R2评估该模型的拟合程度；评估完成后，通过所得的变摩擦系数模型预测实际挤压温度下材料的摩擦系数。
该步骤中，变摩擦系数模型的表达式参照如下：
Figure BDA0003719149470000051
其中，μ(T0)为室温下测试的摩擦系数；μ为实验测得在各温度下的摩擦系数；T0为室温温度，其单位为℃；a和b为拟合方程参数；n为温度相关的拟合方程指数；T为摩擦磨损实验温度，其单位为℃。
也即，步骤(2)中的数学模型建立了在固定载荷下材料摩擦系数和温度参数之间的相互关系，该数学模型能够合理预测不同温度条件下材料的摩擦系数。
可参考地，具体可在室温(15-30℃)至220℃区间至少选取6个(如6个、7个、8个或9个等)点值进行温度相关的变摩擦系数模型的拟合。
在一些优选的实施方式中，可在室温至220℃区间至少选取9个(如9个、10个、11个或12个等)点值进行温度相关的变摩擦系数模型的拟合，可获得更为准确的结果。
在上述所选取的点值中，任意点值数值差优选控制为20至40℃，如20℃、25℃、30℃、35℃或40℃等，在该差值下，能够降低误差。
上述变摩擦系数模型的表达式中的a、b和n均可通过数学分析软件得出，并通过相关性分析得出数学模型与实验数据的拟合性。
步骤(3)：根据实际要求设定胚料尺寸，建立挤压筒、胚料以及挤压杆的三维几何模型，将三维几何模型输入到有限元仿真软件中，并根据实际实验要求设置材料的工艺加工参数、材料参数以及模拟控制参数。
在该步骤中，有限元仿真软件示例性但非限定性地可以为Deform-3D。
所需设置的材料的加工参数和材料参数包括挤压速度、胚料温度、模具温度、摩擦系数、热传导系数和网格细化尺寸。
步骤(4)：在有限元仿真软件中对胚料三维几何模型划分初始网格，同时设定初始计算步长，完成对胚料三维几何模型有限元网格的细化设置及网格的重划分尺寸设定，按照实际实验设计进行常摩擦系数模型下的有限仿真模拟实验，完成合金材料挤压有限元仿真模拟并输出相应数值模拟结果。
上述初始网格与细化网格尺寸之比可以为0.01-0.1，如0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09或0.1等。
在一些优选的实施方式中，初始网格与细化网格尺寸之比为0.01。
步骤(5)：将步骤(3)中变摩擦系数模型所预测的摩擦系数作为有限元仿真摩擦边界条件进行模拟分析，对比分析变摩擦系数模型、常模擦系数模型有限元仿真模拟结果与实际实验数据，分析误差和评估优化效果，从而形成在满足实际加工条件和实际限制下，合理的合金挤压有限元仿真效果。
在该步骤中，有限元仿真模拟结果与实际实验数据均分别包括挤压胚料行程挤压力和型材出口温度。
上述挤压力和型材出口温度模拟数据作为量化分析温度相关的变摩擦系数模型优化效果的关键模拟结果。
需说明的是，本申请中未具体公开的其它过程和条件可参照相关的现有技术，在此不做过多赘述。
承上，本申请通过以铝合金挤压为例，针对传统常摩擦系数模型无法精确模拟实际挤压过程中摩擦条件的变化等缺点，通过实验收集相关材料的摩擦系数数据，筛选并建立在固定载荷下材料摩擦系数和温度参数之间的相互关系，依据实验结果建立起实际挤压过程中材料温度和摩擦系数的变化关系，并结合有限元仿真软件将新式摩擦模型应用于挤压有限元仿真模拟，通过对比不同模型的仿真结果，实现对传统挤压有限元仿真模型的优化。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例
本实施例提供了一种基于数值模拟的挤压有限元仿真模型的优化方法，其大致流程如图1所示。
具体步骤为：
步骤(1)：以铝合金挤压为例，建立挤压过程中胚料与挤压模具钢温度相关的变摩擦系数模型；选取7N01铝合金作为摩擦试样以及模具钢作为摩擦副进行铝合金高温摩擦磨损实验(摩擦磨损实验的参数如表1所示)，收集得到该牌号铝合金在固定载荷以及摩擦转速下不同温度下的摩擦系数数据，并将各温度下较为平稳的摩擦系数区间的平均摩擦系数作为该合金胚料在对应温度下的摩擦系数。
表1摩擦磨损实验参数
Figure BDA0003719149470000081
步骤(2)：对实验收集各温度下的摩擦系数进行数据分析，筛选并建立相关数学模型构建挤压过程中摩擦系数与工艺温度之间的相互关系，分析数学模型预测数据与实验所得数据上的拟合性能，并以决定系数R2评估该模型的拟合程度；评估完成后，通过所得的变摩擦系数模型预测实际挤压温度下材料的摩擦系数。
图2为通过实验数据拟合的摩擦系数曲线及实验数据，其结果显示：材料的摩擦系数随温度的上升而提高。
上述变摩擦系数方程的表达式为：
Figure BDA0003719149470000082
其中，μ(T0)为室温下测试的摩擦系数；μ为实验测得在各温度下的摩擦系数；T0为室温温度，其单位为℃；a＝0.006和b＝0.2468为拟合方程参数；n＝1.9135为温度相关的拟合方程指数；T为摩擦磨损实验温度，其单位为℃。
通过拟合变摩擦系数方程来预测摩擦磨损实验温度下的摩擦系数，表2为实验所得摩擦系数和由变摩擦系数方程预测摩擦系数的变化值。
表2实验摩擦系数和预测摩擦系数
Figure BDA0003719149470000083
图3为拟合变摩擦系数方程预测数据与实际系数的线性回归示意图，其中，拟合方程为y＝a+bx，采用experiment data绘图，权重为不加权，截距为-0.01719±0.1，斜率为1.06204±0.05，残差平方为3.52573×10-4，Pearson’s为0.99059。
由上述数据可知，由拟合变摩擦系数方程所预测实验温度下的摩擦系数精度较好，通过线性回归得出预测数据与实验数据的R2为0.98，因此，该方程可用于优化热挤压工艺温度下的摩擦系数模型。
步骤(3)：根据实际实验要求设计铝合金胚料尺寸，建立挤压筒、胚料以及挤压杆的三维几何模型(如图4所示)，其中铝合金胚料、挤压模具、挤压杆和挤压筒模型均按照实际构建尺寸参数建模。图4中，1为挤压模具，2为分流桥，3为挤压胚料，4为挤压筒，5为挤压杆。
将三维几何模型输入到有限元仿真软件Deform-3D中，并根据实际要求输入材料的工艺加工参数、材料参数以及模拟控制参数(工艺关键参数如表3和表4所示)。
表3热挤压仿真材料性能参数
Figure BDA0003719149470000091
步骤(4)：在有限元仿真软件Deform-3D中对三维几何模型划分初始网格，同时设定初始计算步长，按照初始网格与细化网格尺寸之比为0.01，完成对网格的细化设置及网格的重划分设定，完成常摩擦系数模型有限元仿真分析，整个模拟过程结束，完成铝合金挤压有限元仿真模拟并输出相应数值模拟结果。
步骤(5)：将变摩擦系数模型所预测的摩擦系数数据作为有限元仿真摩擦边界条件进行模拟分析，对比变摩擦系数模型、常模擦系数模型有限元仿真模拟结果与实际实验数据，分析误差和评估优化效果，从而形成在满足实际加工条件和限制下，合理的铝合金挤压有限元仿真效果。
图5为常摩擦系数有限元模型下的挤压型材出口温度演化曲线(摩擦系数为0.3)，胚料由于在初始阶段的急剧变形而迅速产生大量热量，导致型材出口温度急剧上升；随着挤压过程进入稳态，胚料的出口温度逐渐趋于平稳，平均温度约为513.5℃，通过实验数据对比有限元模拟结果可以看出：有限元仿真温度曲线与实验结果趋于一致；而在挤压的最后阶段，胚料从周围向朝材料中心急剧流动，导致出口温度继续上升，其温度变化趋势与实验趋势一致。
图6为常摩擦系数模型下挤压实验和有限元仿真获得的载荷曲线，在挤压开始阶段，胚料在挤压杆的作用下逐渐充满模具，其中挤压载荷逐渐增大到挤压突破载荷，通过对比看出：有限元仿真数据中的突破载荷为35.8MN，而实验测得载荷为39MN；在挤压稳态阶段，挤压载荷随着胚料长度的减少而降低。
由以上分析可知，有限元模拟所得材料出口温度、挤压突破载荷数据与实验显示出良好的一致性。
图7为不同摩擦模型下的挤压力预测数据，通过图7数据可知：在常摩擦系数模型下所预测挤压突破载荷的预测值为35.8MN，温度相关的变摩擦系数模型下的模拟模型所预测的挤压突破载荷为37.2MN，由上述数据和实验所得可知：变摩擦模型下所预测的挤压突破载荷比较于传统模型提高了1.4MN，即变摩擦系数模型下仿真结果相比于原模型更接近于实验数据，误差从8.2％提高至4.6％，提高了有限元模拟的精度。
图8为不同摩擦模型下的出口温度预测数据，由图8数据可知：温度相关的变摩擦系数模型所预测出口温度与实验结果吻合性较好，通过不同摩擦模型数据对比可知，变摩擦系数模型稳态下材料出口温度约为513℃，相比于常模擦系数模型，变摩擦系数模型达到稳态阶段所用时间较长，约为34s。
综上所述，本申请通过物理实验建立材料温度相关的变摩擦系数模型，结合有限元仿真模拟，采用有限元仿真软件模拟实现挤压过程摩擦系数的变化情况，结合实验-模拟-对比分析的方法，提出对铝合金挤压有限元仿真模型的工艺参数快速、高效的优化方法。采用本发明方法，通过温度相关的变摩擦因数模型确定了材料的行程挤压力、出口温度，并通过实验数据验证了该模型的优化效果。
该方法建立了合理的摩擦模型，提高了挤压有限元模型的精度，实现了热挤压的精确模拟，准确获取了热挤压过程中的应力场和温度场，有力地支撑工艺优化设计和智能制造的发展。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于数值模拟的挤压有限元仿真模型优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：以合金材料作为摩擦试样、挤压模具作为摩擦副进行高温摩擦磨损实验，收集得到所述合金材料在固定载荷、固定摩擦转速以及不同温度下的摩擦系数数据，选取各温度下较为平稳的摩擦系数区间的平均摩擦系数作为该合金胚料在对应温度下的摩擦系数；
步骤(2)：对所得的各平均摩擦系数进行数据分析，建立合金材料挤压过程中摩擦系数与工艺温度关系的相关数学模型，分析数学模型预测数据与实验所得数据上的拟合性能，并以决定系数R2评估该模型的拟合程度；评估完成后，通过所得的变摩擦系数模型预测实际挤压温度下材料的摩擦系数；
步骤(3)：根据实际要求设定胚料尺寸，建立挤压筒、胚料以及挤压杆的三维几何模型，将三维几何模型输入到有限元仿真软件中，并根据实际实验要求设置材料的工艺加工参数、材料参数以及模拟控制参数；
步骤(4)：在有限元仿真软件中对胚料三维几何模型划分初始网格，同时设定初始计算步长，完成对胚料三维几何模型有限元网格的细化设置及网格的重划分尺寸设定，按照实际实验设计进行常摩擦系数模型下的有限仿真模拟实验，完成合金材料挤压有限元仿真模拟并输出相应数值模拟结果；
步骤(5)：将变摩擦系数模型所预测的摩擦系数作为有限元仿真摩擦边界条件进行模拟分析，对比分析变摩擦系数模型、常模擦系数模型有限元仿真模拟结果与实际实验数据，分析误差和评估优化效果。
2.根据权利要求1所述的挤压有限元仿真模型优化方法，其特征在于，步骤(2)中，变摩擦系数模型的表达式为：
Figure FDA0003719149460000021
其中，μ(T0)为室温下测试的摩擦系数；μ为实验测得在各温度下的摩擦系数；T0为室温温度，其单位为℃；a和b为拟合方程参数；n为温度相关的拟合方程指数；T为摩擦磨损实验温度，其单位为℃。
3.根据权利要求2所述的挤压有限元仿真模型优化方法，其特征在于，在室温至220℃区间至少选取6个点值进行温度相关的变摩擦系数模型的拟合。
4.根据权利要求3所述的挤压有限元仿真模型优化方法，其特征在于，在室温至220℃区间至少选取9个点值进行温度相关的变摩擦系数模型的拟合。
5.根据权利要求3或4所述的挤压有限元仿真模型优化方法，其特征在于，在所选取的点值中，任意点值数值差为20至40℃。
6.根据权利要求1所述的挤压有限元仿真模型优化方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的加工参数和材料参数包括挤压速度、胚料温度、模具温度、摩擦系数、热传导系数和网格细化尺寸。
7.根据权利要求1所述的挤压有限元仿真模型优化方法，其特征在于，步骤(4)中，初始网格与细化网格尺寸之比为0.01-0.1。
8.根据权利要求7所述的挤压有限元仿真模型优化方法，其特征在于，初始网格与细化网格尺寸之比为0.01。
9.根据权利要求1所述的挤压有限元仿真模型优化方法，其特征在于，步骤(5)中，所述有限元仿真模拟结果与实际实验数据均分别包括挤压胚料行程挤压力和型材出口温度。
10.根据权利要求1所述的挤压有限元仿真模型优化方法，其特征在于，所述合金材料为铝合金。
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