Hyperworks有限元分析在擠壓模具優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2017-01-23 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 前言

鋁型材因具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、蘊(yùn)藏量大、外形美觀、耐腐蝕性、耐候性好等特點(diǎn),被建筑、交通、航天、通訊設(shè)備、運(yùn)動(dòng)器械、家居裝飾等行業(yè)廣泛采用。同時(shí)鋁合金產(chǎn)業(yè)是世界各國的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域,其發(fā)展速度僅次于鋼鐵且遠(yuǎn)高于其他金屬材料。鋁型材制品質(zhì)量的高低取決于擠壓設(shè)備、擠壓模具的質(zhì)量。模具設(shè)計(jì)制造作為鋁型材生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),它的優(yōu)劣直接影響擠壓型材的性能、外觀甚至生產(chǎn)的成敗。然而,傳統(tǒng)的擠壓模具設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)和類比設(shè)計(jì)的方法,其參數(shù)的采用往往與模具設(shè)計(jì)者的工作經(jīng)驗(yàn)以及技術(shù)水平密切關(guān)聯(lián)。同時(shí),鋁型材截面復(fù)雜多樣,難以保證設(shè)計(jì)的模具能均勻擠出坯料。往往生產(chǎn)出來的坯料出現(xiàn)扭曲、波浪、裂紋等現(xiàn)象,導(dǎo)致模具反復(fù)返工,試模。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程一般按照“設(shè)計(jì)、制造、試模、反復(fù)修模、改模、調(diào)整擠壓工藝參數(shù)”的流程重復(fù)進(jìn)行才能達(dá)到理想的效果。這樣不僅嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率,而且會(huì)造成人員、物料的大量浪費(fèi)。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用,可有效減少試模次數(shù),縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期。隨著有限元數(shù)值模擬技術(shù)在擠壓鋁型材制造的應(yīng)用,將把擠壓模具的設(shè)計(jì)制造領(lǐng)進(jìn)了一個(gè)新的發(fā)展階段。這種基于有限元模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上的技術(shù),具有多方面的優(yōu)勢(shì):在模具初始設(shè)計(jì)后,可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真試模代替現(xiàn)實(shí)試模,降低模具設(shè)計(jì)開發(fā)成本;大幅度縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期;為設(shè)計(jì)人員提供可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果,給設(shè)計(jì)者優(yōu)化設(shè)計(jì)模具提供系統(tǒng)的數(shù)據(jù)依據(jù);更有利于設(shè)計(jì)知識(shí)的積累。近年來,許多國家都對(duì)鋁型材擠壓力學(xué)理論和數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了研究,在設(shè)計(jì)模具提供科學(xué)性依據(jù)和指導(dǎo)模具生產(chǎn)方面,取得了一定的成果。

2 國內(nèi)外擠壓模具仿真模擬的情況

對(duì)鋁型材擠壓進(jìn)行仿真模擬,可以預(yù)先得出擠壓模具實(shí)際擠壓過程中出現(xiàn)的問題,及早優(yōu)化設(shè)計(jì)擠壓模具結(jié)構(gòu),調(diào)整有關(guān)工藝參數(shù)等解決方案。國內(nèi)外學(xué)者都在此方面做了很多研究,取得了顯著的成果。韓國學(xué)者HyunWooShin等早在1993年對(duì)非軸對(duì)稱擠壓進(jìn)行了有限元分析,利用二維剛塑性有限元方法結(jié)合厚板理論將三維問題進(jìn)行了簡(jiǎn)化,對(duì)整個(gè)擠壓過程進(jìn)行了不失準(zhǔn)確的數(shù)值模擬,同時(shí)也減少了計(jì)算量[1]。

在二次開發(fā)方面,國內(nèi)的一些研究也值得關(guān)注。深圳大學(xué)的李積彬[2]用C語言編寫了鋁型材擠壓模具參數(shù)設(shè)計(jì)的程序,以流程圖的形式引導(dǎo)擠壓模具的設(shè)計(jì)過程;以人機(jī)交互的形式實(shí)現(xiàn)擠壓模具參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。江蘇戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所的盛偉[3]等用Ansys軟件進(jìn)行金屬塑性成形過程模擬軟件的二次開發(fā),并應(yīng)用該軟件對(duì)鍛件塑性成形過程進(jìn)行了模擬,為提高鍛件質(zhì)量、預(yù)測(cè)金屬成形中的缺陷、制定合理工藝提供了理論依據(jù)。

對(duì)于變形模擬的研究,國內(nèi)專家取得了不少的成果。于滬平、彭穎紅[4]等在《平流分流焊合模成型過程的數(shù)值模擬》一文中采用塑性模擬軟件Deform,對(duì)平面分流模具進(jìn)行了仿真分析,從而得出應(yīng)力、溫度和流速的分布和變化。劉漢武、于樺[5]等在《鋁型材擠壓分流組合模有限元分析和計(jì)算》中利用Ansys有限元分析軟件進(jìn)行有限元分析計(jì)算,得出原模具設(shè)計(jì)中不易發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)缺陷。

近年來,越來越多企業(yè)投身于擠壓模具數(shù)字模擬技術(shù)的研究應(yīng)用。采用HyperXtrude等的仿真模擬軟件進(jìn)行模具仿真模擬。HyperXtrude作為專業(yè)的鋁型材仿真軟件,是Altair公司旗下Hyperworks下的一個(gè)模塊。HyperXtrude能夠?qū)崿F(xiàn)鋁型材擠壓過程中的穩(wěn)態(tài)變形分析、瞬態(tài)變形分析、壓余長度預(yù)測(cè)、焊合長度預(yù)測(cè)、正反向擠壓模擬、擠壓模具優(yōu)化等多種分析。

3 利用有限元仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程

進(jìn)行有限元仿真模擬是利用基于流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的有限元分析軟件,對(duì)設(shè)計(jì)出來的模具三維模型進(jìn)行有限元分析,研究金屬流動(dòng)規(guī)律以及模具和擠壓加工過程中各質(zhì)點(diǎn)各時(shí)刻的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、流變速度場(chǎng)等的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),而且可對(duì)擠壓模具的受力和溫度變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,由此可為擠壓工藝的制定和擠壓模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效優(yōu)化。以下將以HyperXtrude軟件為例介紹有限元仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程。

3.1 分析結(jié)果

根據(jù)模具初步設(shè)計(jì)方案,模具設(shè)計(jì)二維圖如圖1所示,在三維建模軟件Solidworks中建立三維模型。將其導(dǎo)入有限元分析軟件HyperXtrude中,如圖2所示,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并加入具體的擠壓工藝參數(shù):材料為6061鋁合金圓棒;擠壓筒直徑258mm;鋁錠預(yù)熱溫度490℃;擠壓筒溫度35℃;模具溫度490℃;擠壓機(jī)推頭流速10mm/s,提交計(jì)算,可得到如下結(jié)果,結(jié)果顯示: