铝型材挤压过程有限体积数值模拟及软件开发技术的研究

论文摘要

随着国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，铝型材在铁路、航空航天、船舶、建筑、汽车、通讯设备、机械制造、运动器械、家具和装饰等各个领域得到了越来越广泛的应用，世界各国均将铝合金及其产业作为重点发展方向。由于铝型材品种规格多样，并且在挤压过程中材料流动状况复杂，挤压模具承受载荷状况恶劣，使得铝型材挤压产品开发和模具的设计成为一项艰巨的任务。依赖经验设计和试模返修的传统生产模式已不能满足现代化经济发展的需求。在效率就是生命，质量就是关键的市场经济环境下，铝型材挤压生产企业最重视的是提高模具设计加工的成功率，迫切需要以可靠的科学理论指导工艺及模具设计。使用数值模拟技术能够仿真材料流动过程，得到速度、应力、应变、压力等各种物理场量的分布及变化情况，由此可以评价工艺及模具结构参数设计是否合理，从而进行及时修改，代替费时费力的试模返修过程。这无疑是科学指导挤压生产实践的有效理论手段。本文针对铝型材挤压过程进行有限体积数值模拟的建模方法与关键技术、铝型材挤压模CAD系统、空心铝型材分流组合模结构优化CAD／CAE／CAM集成系统等开展了研发，并进行铝型材挤压过程有限体积数值模拟软件关键技术研究及专用软件的自主开发。 首先对铝型材挤压工艺及模具结构的特点、铝型材挤压技术发展概况及铝型材挤压过程理论研究方法进行全面的调查研究及总结，综合比较各种铝型材挤压过程的理论研究方法，其中数值模拟技术随着计算机技术的发展而得到广泛应用。相对于广泛使用的有限元数值模拟技术，有限体积数值模拟技术因使用欧拉描述从而能够避免网格重划，显示出其优越性，尤其适用于大体积变形过程的分析，例如挤压和锻造。商品化软件Msc／SuperForge是目前唯一基于有限体积法的可以用于挤压或锻造等金属体积成形过程数值模拟的工具，在此背景下，本文采用Msc／SuperForge对铝型材挤压过程进行数值模拟研究。 根据铝型材及其挤压模具的特点，将所研究的型材及模具分为实心型材挤压平面模和空心型材挤压分流组合模并对它们进行系统研究。对实心型材平面模的研究包括挤压比、挤压速度和摩擦等工艺参数及模角、导流结构等结构参数对挤压过程的影响。研究结果表明：1)挤压比的增加使模具载荷增加，材料变形均匀性变差，且存在合适的挤压比使得材料在工作带出口的流速均匀性最好。2)通过使用不同的挤压速度曲线进行模拟发现，使用呈线性由高到低变化的速度能显著降低挤压件温升，降低模具载荷及载荷极值持续时间，降低挤压件及模具内应力，

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铝型材挤压技术概况
• 1.2.1 摘要铝型材挤压技术
• 1.2.2 铝型材挤压技术发展概况
• 1.3 铝型材挤压研究方法
• 1.3.1 研究方法综述
• 1.3.2 铝型材挤压过程数值模拟的研究现状
• 1.4 挤压过程数值模拟研究存在的问题及发展方向
• 1.5 本文研究的主要内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 有限体积法基本理论
• 2.1 数值计算方法
• 2.1.1 有限体积法
• 2.1.2 有限元法
• 2.1.3 有限差分法
• 2.1.4 有限分析法
• 2.2 有限体积法基本原理及方程
• 2.3 有限体积网格划分方法
• 2.4 方程离散方法
• 2.4.1 交错网格
• 2.4.2 方程的积分形式
• 2.4.3 高斯散度理论
• 2.4.4 方程的离散方案
• 2.5 有限体积方程的求解方法
• 2.6 初始边界条件的施加
• 2.6.1 入口边界条件
• 2.6.2 出口边界条件
• 2.6.3 固体壁面边界条件
• 2.6.4 对称面边界条件
• 2.6.5 不同类型的控制体积
• 2.7 本章小结
• 第三章 实心铝型材挤压过程数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 实心铝型材挤压模具结构及设计内容
• 3.2.1 平面模结构及组装方式
• 3.2.2 挤压模具结构设计内容
• 3.3 实心铝型材挤压过程数值模拟建模技术
• 3.3.1 几何模型
• 3.3.2 分析参数
• 3.4 工艺参数对挤压过程的影响研究
• 3.4.1 挤压比
• 3.4.2 挤压速度
• 3.4.3 摩擦
• 3.5 挤压模具结构参数对挤压过程的影响研究
• 3.5.1 模角
• 3.5.2 导流模
• 3.6 本章小结
• 第四章 空心铝型材分流组合模挤压过程模拟
• 4.1 引言
• 4.2 分流组合模结构特点及设计
• 4.2.1 结构特点
• 4.2.2 工作原理及设计内容
• 4.3 分流组合模结构参数对挤压过程的影响研究
• 4.3.1 分流比
• 4.3.2 焊合室
• 4.4 本章小结
• 第五章 铝型材挤压模具CAD系统研究
• 5.1 引言
• 5.1.1 铝型材挤压模具CAD技术研究的意义
• 5.1.2 国内外型材挤压模具CAD技术发展现状
• 5.2 铝型材挤压模具3D设计CAD系统分析
• 5.2.1 UG二次开发工具简介
• 5.2.2 CAD系统的整体设计
• 5.2.3 CAD系统功能的实现
• 5.2.4 系统各模块的参数传递
• 5.3 工艺设计子系统的设计
• 5.3.1 铝型材挤压模具结构参数化
• 5.3.2 铝型材挤压模具CAD系统中的对象类
• 5.3.3 CAD工艺设计子系统的入口
• 5.3.4 工作带长度的CAD设计
• 5.3.5 外部应用程序界面的实现
• 5.3.6 外部应用程序实现的结果
• 5.4 系统自动建模的实现
• 5.4.1 系统建模流程
• 5.4.2 分流模建模实现实例
• 5.4.3 二次开发界面的实现
• 5.4.4 标准件的建模
• 5.5 本章小结
• 第六章 空心铝型材分流组合模结构优化CAD/CAE/CAM集成系统及实验对比研究
• 6.1 引言
• 6.2 CAD/CAE/CAM集成系统设计
• 6.2.1 系统框架
• 6.2.2 CAD系统
• 6.2.3 CAE系统
• 6.2.4 优化结果
• 6.2.5 CAM系统
• 6.3 纯铝挤压实验研究
• 6.3.1 实验目的
• 6.3.2 实验方案
• 6.3.3 数值模拟
• 6.3.4 实验装置
• 6.3.5 实验结果
• 6.3.6 实验结论
• 6.4 本章小结
• 第七章 铝型材挤压过程有限体积数值模拟理论、关键技术及系统的自主开发
• 7.1 引言
• 7.1.1 当前数值模拟软件存在的问题
• 7.1.2 系统开发的意义、可行性及研究目标
• 7.2 基本原理及方程
• 7.2.1 铝型材挤压过程等温稳态的假设
• 7.2.2 基本方程
• 7.3 网格划分
• 7.4 方程的离散
• 7.4.1 u动量方程的离散
• 7.4.2 v动量方程的离散
• 7.4.3 w动量方程的离散
• 7.5 速度-压力耦合求解的半隐式算法（SIMPLE）
• 7.6 离散方程的边界条件
• 7.6.1 u离散方程的边界条件
• 7.6.2 v离散方程的边界条件
• 7.6.3 w离散方程的边界条件
• 7.6.4 压力修正方程的边界条件
• 7.7 不规则边界的处理
• 7.8 TDMA算法解代数方程组
• 7.9 速度、压力的修正
• 7.10 收敛判据
• 7.11 应用实例
• 7.12 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文总结及创新性成果
• 8.2 今后的研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文
• 攻读学位期间参与的项目及获得的奖励
• 学位论文评阅及答辩情况表