[发明专利]一种复杂型材挤压过程的数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种复杂型材挤压过程的数值模拟方法，属于金属挤压加工技术领域。包含以下步骤：(1)采用CAD软件建立模具和坯料的三维几何模型，输入到模拟系；(2)在型材挤压的分流阶段，采用有限元分步方法进行数值模拟；(3)在型材挤压的焊合和成形阶段，采用基于欧拉(Euler)网格的有限体积法进行数值模拟；(4)如果型材完全流出工作带，挤压过程达到稳态，整个模拟过程结束，否则重复步骤(3)，直到达到稳态。本发明的复杂型材挤压过程的数值模拟方法具有计算时间短、模拟精度高的优点，是进行大型复杂截面型材挤压过程研究的一种十分有效方法。

技术领域

本发明涉及一种复杂型材挤压过程的数值模拟方法，尤其是涉及一种大断面复杂截面型材分流模挤压过程的数值模拟方法，属于金属挤压加工技术领域。

背景技术

大断面复杂截面型材制造技术代表了当前轻合金型材加工技术的最高水平。随着高速列车、城市地铁以及航空航天、舰船兵器、机械制造工业的快速发展，对大型复杂截面轻合金型材的需求量迅速增长，型材的大型化和结构的整体化可以带来巨大的经济和社会效益。

模具设计及制造技术是大断面复杂截面铝型材生产的关键技术，也是制约其生产的瓶颈之一。大型型材所具有的薄壁扁宽化、尺寸高精度化、断面形状复杂化的特点，给模具设计及制造带来很大的困难。依赖经验及“试错”的传统模具设计模式已不能满足现代化产业发展的需求，引入以计算机为工具的数值模拟技术进行挤压模具设计分析已成为目前研究的重点。

但是，由于型材分流模挤压过程中金属流动及变形的复杂性，采用传统的基于拉格朗日网格描述的有限元法进行数值模拟时存在二个难题：一是，难以准确模拟空心型材的焊合过程；二是，由于网格畸变尤为严重，需要频繁进行网格重划，导致计算精度损失严重，甚至使模拟终止，无法继续进行计算。

因此，目前对于分流模挤压过程的非稳态数值模拟仅局限于形状简单、截面尺寸较小且挤压比小的空心型材，对于大断面复杂截面型材挤压过程的数值模拟通常采用基于任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)的数值模拟方法，但是，ALE法目前还难以跟踪流体的自由表面，从而难以真实地模拟型材挤压过程中金属的非稳态流动。因此，目前ALE法主要进行铝型材稳态挤压过程的数值模拟，无法模拟其在模具内部的流动变形非稳态过程。

现有的有限元方法已不能满足大型复杂截面型材的非稳态挤压过程的数值模拟，必须寻求新的模拟办法以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大断面复杂截面型材分流模挤压过程的数值模拟方法，解决传统有限元法模拟大型复杂截面型材挤压过程无法回避的网格频繁重划分和焊合面自接触的难题。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种复杂型材挤压过程的数值模拟方法，包含以下步骤：

(1)采用CAD软件建立模具和坯料的三维几何模型，输入到模拟系；根据当前的变形条件，施加边界条件，并输入材料参数、工艺参数和模拟控制参数；

(2)在型材挤压的分流阶段，采用有限元分步方法进行数值模拟，对模拟模型划分初始有限元网格，设定初始计算步长，并建立模拟停止判定准则，重新进行网格尺寸和计算步长的重新设定，完成分流阶段的模拟并输出相应的数值模拟结果；

(3)在型材挤压的焊合和成形阶段，采用基于欧拉(Euler)网格的有限体积法进行数值模拟，并建立模拟停止判定准则，在上一阶段输出的数值模拟结果的基础上，完成模型几何数据和各种物理场量数据的传递，建立有限体积模拟所需的模型；

(4)如果型材完全流出工作带，挤压过程达到稳态，整个模拟过程结束，否则重复步骤(3)，直到达到稳态。

优选地，所述复杂型材是指型材外接圆尺寸≥500mm、最小壁厚≤2.5mm、宽厚比≥220。