CN117521430B - 一种空心型材挤压模具分流孔快速优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种空心型材挤压模具分流孔快速优化方法，先进行空心型材挤压模具初始设计，然后建立对应的电流场几何模型，然后设置电流场几何模型电流模拟参数及边界条件，然后设置分流孔区域电导率，然后进行电流场几何模型电流模拟运算与结果分析，然后进行分流孔区域优化，最后进行挤压过程流动分析与工作带长度确定。本方法可以在很短时间即可快速估算挤压成形速度场，极大缩短模具设计流程。
Description
技术领域
本发明涉及航空载具制造中挤压模具的仿真优化，具体涉及一种空心型材挤压模具分流孔快速优化方法。
背景技术
航空载具在航空飞行器中大量使用，为了航空飞行器的稳定性，要求航空载具具有高刚度和轻重量的特点，根据不同装载件的特点，航空载具需要有贴合装载件外形的外轮廓，经常一个载具要固定3至5个装载件，这又要求载具有空心的内轮廓，因此航空载具总体来看是具有复杂内外轮廓和变壁厚的空心体。
目前，关于航空载具的制造加工：一般采用铸造工艺，但是铸造气孔分布无法控制，影响航空载具合格率和耐久性；还有的采用挤压工艺，虽然质量稳定性相对铸造工艺有很大提高，但航空载具具有复杂内外轮廓、变壁厚、空心等特征，其挤压模具的设计不仅复杂而且周期漫长，其中耗时最多、难度最大的是分流孔设计，因为分流孔对金属流动均匀性的影响最大，其形状、断面尺寸直接影响到挤压制品的质量，如果分流孔设计不合理，挤出型材将会出现弯曲、扭曲、开裂等缺陷，严重影响载具型材挤压工艺设计和生产任务进度。
目前，挤压模具分流孔优化方法主要是利用DEFORM等有限元模拟软件与实验相结合的方法，一般采用Lagrangian增量法、ALE法、Steady-state稳态等算法进行仿真计算，虽然DEFORM等有限元模拟软件可以有效减少试模修模次数，但是利用DEFORM等有限元模拟软件进行挤压过程流动分析时，需要占用大量的计算机资源，模拟计算一次的时间较长，短则几小时，长则几天，时间成本太大。
发明内容
本发明的目的是提供一种空心型材挤压模具分流孔快速优化方法，本方法利用挤压成形速度场与对应电流场几何模型电流场相似关系，采用类电流场法优化电流场几何模型，可以在很短时间即可快速估算挤压成形速度场，克服目前DEFORM等有限元软件需要几小时才能求解的问题，极大缩短模具设计流程。
本发明所采用的技术方案是：
一种空心型材挤压模具分流孔快速优化方法，包括步骤：
S1）空心型材挤压模具初始设计
根据挤压件的形状尺寸，确定分流比K，K=ΣF分/F型，ΣF分为各分流孔面积之和，F型为型材断面总面积，确定工作带长度等长，根据挤压设备吨位确定挤压筒半径，并计算挤压比λ，λ=F筒/F型，F筒为挤压筒腔的断面面积，得到挤压模具的初始设计；
S2）建立对应的电流场几何模型
根据挤压模具初始设计，提取金属流道建立对应的电流场几何模型，电流场几何模型包括依次分布的挤压筒区域、分流孔区域、焊合室区域、工作带区域；
S3）设置电流场几何模型电流模拟参数及边界条件
设置电流场几何模型电流模拟参数及边界条件，包括挤压筒区域电导率、焊合室区域电导率、工作带区域电导率和挤压筒区域上表面法向电流密度J0，工作带区域下表面接地；
S4）设置分流孔区域电导率
获取分流孔区域各流道区域入口截面面积，分别记为S1、S2、…、Sn，记流道区域入口截面面积最大为Smax，电流场几何模型中各流道区域电导率按下式计算：
σi=Si/Smax，其中Si表示各流道区域入口截面面积，σi表示各流道区域的电导率；
S5）电流场几何模型电流模拟运算与结果分析
提交电流模拟运算并提取电流场计算结果，计算各流道区域对应的工作带区域下表面的平均电流密度Ji及工作带区域下表面整体平均电流密度Ja，并计算Ji的极差R；
S6）分流孔区域优化
基于极差R，对各流道区域截面面积大小进行优化，当极差R＞0.05λJ0时，对各流道区域截面面积按下式进行优化调整：
Si ’=Si-（Ji-Ja）S/（n Ja），其中，Si ’表示调整后分流孔区域各流道区域入口截面面积，S表示分流孔区域各流道区域入口截面总面积；
更新Si= Si ’，并重新完成S4）至S6）内容，直至R＜0.05λJ0；
S7）挤压过程流动分析与工作带长度确定
根据分流孔区域优化结果，调整挤压模具分流孔结构，进行挤压过程流动分析，基于挤压过程流动分析结果，确定工作带长度，保证各区域金属流动速度均匀且挤出型材未见明显变形。
进一步地，步骤S3）的具体步骤为：
S3.1）将电流场几何模型导入电流场模拟软件；
S3.2）设置挤压筒区域上表面法向电流密度J0数值大小等于挤压速度v0；
S3.3）设置挤压筒区域、焊合室区域的电导率参数为相等定值；
S3.4）设置工作带区域下表面接地，获取工作带区域不同截面厚度B，记最大厚度为Bmax，工作带区域不同厚度截面的电导率按下式计算：
σ’=B/Bmax，其中σ’表示工作带区域不同厚度截面的电导率。
作为一种优选实施例，空心型材为航空载具。
作为一种优选实施例，空心型材采用铝合金材质。
本发明的有益效果是：
本方法利用挤压成形速度场与对应电流场几何模型电流场相似关系，采用类电流场法优化电流场几何模型，可以在很短时间即可快速估算挤压成形速度场，克服目前DEFORM等有限元软件需要几小时才能求解的问题，极大缩短模具设计流程。
附图说明
图1为本发明实施例中的空心型材的尺寸示意图。
图2为本发明实施例中电流场几何模型示意图。
图3为本发明实施例中工作带区域电导率分布截面图。
图4为本发明实施例中各流道区域入口截面图。
图5为本发明实施例中工作带区域下表面分区示意图。
图6为本发明实施例中初始电流场几何模型与优化电流场几何模型的工作带区域下表面平均电流密度分布的对比图。
图7为本发明实施例中初始模具与优化模具的挤压过程流动分析结果对比图。
图8为本发明实施例中优化后的挤压模具的实物图。
图9为本发明实施例中挤压成品的断面示意图。
图10为本发明实施例中挤压成品的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例
本实施例公开一种空心型材挤压模具分流孔快速优化方法，采用如下步骤：
S1）空心型材挤压模具初始设计
根据空心型材的形状尺寸，确定分流比K，K=ΣF分/F型，其中ΣF分为各分流孔面积之和、F型为空心型材的断面总面积，确定工作带长度等长，根据挤压设备吨位确定挤压筒半径，并计算挤压比λ，λ=F筒/F型，F筒为挤压筒腔的断面面积，得到挤压模具的初始设计；
如图1所示，为本实施例中空心型材的断面示意图；该型材为某一航空载具，采用铝合金材料，断面总面积F型=451mm2，确定分流比K=6.6，确定工作带长度等长为4mm，本实施例预采用设备吨位为5000KN，确定挤压筒半径为50mm，挤压比λ=17。
S2）建立对应的电流场几何模型
根据挤压模具初始设计，提取金属流道建立对应的电流场几何模型，电流场几何模型包括依次分布的挤压筒区域、分流孔区域、焊合室区域、工作带区域，如图2所示，其中A、B、C、D分别为挤压筒区域、分流孔区域、焊合室区域、工作带区域。
S3）设置电流场几何模型的电流模拟参数及边界条件
设置挤压筒区域电导率、焊合室区域电导率、工作带区域电导率和挤压筒区域上表面法向电流密度J0，设置定工作带区域下表面接地；具体地步骤为：
S3.1）将电流场几何模型导入电流场模拟软件
本实施例采用COMSOL软件进行电流场模拟。
S3.2）设置挤压筒区域上表面法向电流密度J0（A/m2）数值大小等于挤压速度v0（mm/s）
本实施例中J0=v0=1。
S3.3）设置挤压筒区域、焊合室区域的电导率参数为相等定值
本实施例中挤压筒区域、焊合室区域的电导率参数为相等定值1。
S3.4）设置工作带区域下表面接地，设置工作带区域不同厚度截面的电导率
设置工作带区域下表面接地，获取工作带区域不同截面厚度B，记最大厚度为Bmax，工作带区域不同厚度截面的电导率按下式计算：
σ’=B/Bmax
其中σ’表示工作带区域不同厚度截面的电导率。
本实施例中，工作带区域不同截面最大厚度Bmax=4.1mm，代入公式计算工作带区域不同厚度截面的电导率，如图3所示，为本实施例中工作带区域电导率分布截面图。
S4）设置分流孔区域电导率
获取分流孔区域各流道区域入口截面面积，分别记为S1、S2、…、Sn，记流道区域入口截面面积最大为Smax，电流场几何模型中各流道区域电导率按下式计算：
σi=Si/Smax，其中Si（i=1，2，…，n）表示各流道区域入口截面面积，σi表示各流道区域的电导率；
如图4所示，为本实施例中各流道区域入口截面图，在SOLIDWORKS中获取各流道区域入口截面面积Si，并将数据带入公式计算得到各流道区域的电导率σi，得到的各流道区域数据如下表所示：
S5）电流场几何模型电流模拟运算与结果分析
提交电流模拟运算并提取电流场计算结果，计算各流道区域对应的工作带区域下表面的平均电流密度Ji（i=1，2，…，n）及工作带区域下表面整体平均电流密度Ja，并计算Ji的极差R。
在本实施例中，按照工作带区域下表面与各流道区域对应关系，将工作带区域下表面分为4个区域，如图5所示；并根据每个区域的面积之比选取不同数量的节点记录其数值，节点数分别为30、16、15、27，取点原则为纵向、横向平均分布，计算得到：
J1=17.27，J2=17.19，J3=16.17，J4=17.74，Ja=17.10，R=1.57。
S6）分流孔区域优化
基于极差R，对各流道区域截面面积大小进行优化，当极差R＞0.05λJ0时，对各流道区域截面面积按下式进行优化调整：Si ’=Si-（Ji-Ja）S/（nJa）；其中，Si ’表示调整后分流孔区域各流道区域入口截面面积，S表示分流孔区域各流道区域入口截面总面积；更新Si=Si ’，并重新完成S4）至S6）内容，直至R＜0.05λJ0。
本实施例中，初始平均电流密度极差为R0，R0=1.57>0.05λJ0=0.05*17*1=0.85；对各流道区域截面面积进行优化调整，将数据带入公式得到Si ’，更新Si= Si ’，并重新完成S4）至S6）内容，本实施例经过8次对各流道区域截面面积优化后，最终优化结果R=0.37<0.85，优化过程中的部分数据如下表：
本实施例中，对初始电流场几何模型与优化电流场几何模型的工作带区域下表面平均电流密度分布进行对比，如图6所示，其中1）为初始电流场几何模型的工作带区域下表面平均电流密度分布，2）为优化电流场几何模型的工作带区域下表面平均电流密度分布，明显可知，优化电流场的工作带区域下表面平均电流密度分布更加均匀。
S7）挤压过程流动分析与工作带长度确定
根据分流孔区域优化结果，调整挤压模具分流孔结构，进行挤压过程流动分析，基于挤压过程流动分析结果，确定工作带长度，直至各区域金属流动速度均匀且挤出型材未见明显变形。
本实施例使用DEFORM-3D软件进行挤压过程流动分析。挤压参数设置如下：挤压速度为1mm/s、坯料加热温度为450℃、模具预热温度为450℃、摩擦系数为0.4；在DEFORM-3D软件提交运算，基于挤压过程流动分析结果，确定工作带长度，保证各区域金属流动速度接近且挤出型材未见明显变形。
本实施例中，对初始模具与优化模具的挤压过程流动分析结果进行对比，如图7所示，其中1）为初始模具的挤压过程流动分析结果，2）为优化模具的挤压过程流动分析结果，明显可知，优化模具挤出型材未见明显变形。
采用本方法对分流孔进行8次优化耗时共160秒，得到最终优化模具，其实物图如图8所示，然后将坯料加热至成形温度450℃、模具加热到预热温度450℃，坯料放入模具中，挤压得到合格的成品，挤压成品如图9和图10所示，从图9可知，其成品断面符合设计要求，断面完整、均匀、无开裂，从图10可知，其成品未见明显变形。
同时，出于对比的目的，采用传统的仿真方法，利用DEFORM有限元软件对空心型材挤压模具分流孔进行8次优化，耗时共16小时，而本方法对分流孔进行8次优化耗时共160秒，可知，本方法利用挤压成形速度场与对应电流场几何模型电流场相似关系，采用类电流场法优化电流场几何模型，可以在很短时间即可快速估算挤压成形速度场，克服目前DEFORM等有限元软件需要几小时才能求解的问题，极大缩短模具设计流程。
虽然在本实施例中，空心型材为航空载具，采用铝合金材质。但是，本申请提到的空心型材挤压模具分流孔快速优化方法，并不仅仅局限在航空载具制造中，也可以应用在其它有相似需求的领域。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (4)
1.一种空心型材挤压模具分流孔快速优化方法，其特征在于，包括步骤：
S1）空心型材挤压模具初始设计
根据挤压件的形状尺寸，确定分流比K，K=ΣF分/F型，ΣF分为各分流孔面积之和，F型为型材断面总面积，确定工作带长度等长，根据挤压设备吨位确定挤压筒半径，并计算挤压比λ，λ=F筒/F型，F筒为挤压筒腔的断面面积，得到挤压模具的初始设计；
S2）建立对应的电流场几何模型
根据挤压模具初始设计，提取金属流道建立对应的电流场几何模型，电流场几何模型包括依次分布的挤压筒区域、分流孔区域、焊合室区域、工作带区域；
S3）设置电流场几何模型电流模拟参数及边界条件
设置电流场几何模型电流模拟参数及边界条件，包括挤压筒区域电导率、焊合室区域电导率、工作带区域电导率和挤压筒区域上表面法向电流密度J0，工作带区域下表面接地；
S4）设置分流孔区域电导率
获取分流孔区域各流道区域入口截面面积，分别记为S1、S2、…、Sn，记流道区域入口截面面积最大为Smax，电流场几何模型中各流道区域电导率按下式计算：
σi=Si/Smax，其中Si表示各流道区域入口截面面积，σi表示各流道区域的电导率；
S5）电流场几何模型电流模拟运算与结果分析
提交电流模拟运算并提取电流场计算结果，计算各流道区域对应的工作带区域下表面的平均电流密度Ji及工作带区域下表面整体平均电流密度Ja，并计算Ji的极差R；
S6）分流孔区域优化
基于极差R，对各流道区域截面面积大小进行优化，当极差R＞0.05λJ0时，对各流道区域截面面积按下式进行优化调整：
Si ’=Si-（Ji-Ja）S/（n Ja），其中，Si ’表示调整后分流孔区域各流道区域入口截面面积，S表示分流孔区域各流道区域入口截面总面积；
更新Si= Si ’，并重新完成S4）至S6）内容，直至R＜0.05λJ0；
S7）挤压过程流动分析与工作带长度确定
根据分流孔区域优化结果，调整挤压模具分流孔结构，进行挤压过程流动分析，基于挤压过程流动分析结果，确定工作带长度，保证各区域金属流动速度均匀且挤出型材未见明显变形。
2.如权利要求1所述的一种空心型材挤压模具分流孔快速优化方法，其特征在于，步骤S3）的具体步骤为：
S3.1）将电流场几何模型导入电流场模拟软件；
S3.2）设置挤压筒区域上表面法向电流密度J0数值大小等于挤压速度v0；
S3.3）设置挤压筒区域、焊合室区域的电导率参数为相等定值；
S3.4）设置工作带区域下表面接地，获取工作带区域不同截面厚度B，记最大厚度为Bmax，工作带区域不同厚度截面的电导率按下式计算：
σ’=B/Bmax，其中σ’表示工作带区域不同厚度截面的电导率。
3.如权利要求1或2所述的一种空心型材挤压模具分流孔快速优化方法，其特征在于：空心型材为航空载具。
4.如权利要求1或2所述的一种空心型材挤压模具分流孔快速优化方法，其特征在于：空心型材采用铝合金材质。
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