專利名稱：一種空心型材分流模擠壓焊合過程數值模擬技術的制作方法
技術領域：
本發明屬于金屬擠壓技術領域，特別涉及一種非對稱斷面空心型材分流模擠壓焊 合面穿透網格修復與焊合過程有限元模擬技術。
背景技術：
分流模擠壓是生產各種鋁合金空心型材的主要方法，分析模具結構對擠壓過程中 金屬流動變形行為的影響規律，是設計合理的模具結構參數、減少上機試模次數的前 提。目前，隨著鋁合金型材在軌道列車、汽車、船舶和航空航天等領域應用的日益增 加，型材的斷面形狀也變得越來越復雜，依靠源于實踐經驗規律和模具設計者個人經 驗的傳統設計方法很難滿足空心型材模具設計的需要[劉靜安,謝建新.大型鋁合金型 材擠壓技術與工模具優化設計[M].北京:冶金工業出版社，2003]。
在鋁合金空心型材擠壓成形過程中，金屬在密閉的擠壓筒及焊合室中流動，采用 物理模擬方法較難獲得準確全面的金屬流動變形規律，而采用有限元數值模擬技術可 對整個擠壓過程進行仿真。通過對金屬變形體內的應力場、應變場、溫度場、速度場 等物理量的仿真分析，可預測制品成形質量，為設計合理模具結構和制定擠壓工藝提 供理論依據。采用模擬仿真分析方法，可減少甚至并替代傳統模具設計過程中的反復 試模工作，從而達到提高生產效率和產品質量、降低生產成本的目的。
但目前的空心型材擠壓有限元模擬技術只能對焊合面與對稱面一致的對稱斷面 空心型材的分流模擠壓焊合過程進行模擬分析(此時，可通過假定焊合面為剛性面而 使焊合接觸面上不產生網格穿透現象)；而對于焊合面與對稱面不一致空心型材，只 能對其分流過程及穩態成形過程進行仿真，而無法模擬其焊合過程，因而難以獲得模 具結構尺寸對擠壓制品的形狀、尺寸的影響規律[方剛,王飛，雷麗萍,曾攀.鋁型材擠壓 數值模擬的研究進展[J].稀有金屬,2007，31(5):681-687]。
采用有限體積法由于不需要網格重劃分，能夠對焊合面與對稱面不一致斷面空心 型材的分流模擠壓過程進行模擬，但實際上焊合面兩側金屬并沒有焊合在一起，無法 模擬由于焊合面兩側金屬流速不均而導致的擠出型材表面產生彎曲和扭擰等缺陷。同
時由于模擬過程中無法對變形體進行局部網格細化處理，計算大斷面非對稱空心型材 時常因為網格數量巨大導致模擬計算終止，無法完成型材分流模擠壓全過程的模擬分 析。鋁合金空心型材一般具有斷面形狀復雜、非對稱、型孔多等特點，為了能對此類 型材擠壓全過程的金屬流動行為進行模擬分析，研究模具結構的合理性及型材的成形 質量，必須解決分流模擠壓焊合過程中焊合面附近網格的穿透與分離問題，實現整個 焊合過程的數值模擬，從而對擠壓全過程的金屬流動變形行為進行分析。

發明內容
本發明的目的在于解決非對稱斷面空心型材分流模擠壓的有限元模擬過程中，由 于焊合面網格分離與穿透導致模擬計算終止的問題，從而實現非對稱斷面空心型材擠 壓全過程流動變形行為的有限元模擬仿真。
通過以下技術方案實現本發明目的
(1) 采用有限元軟件Deform-3D對分流模擠壓過程進行模擬。先處理幾何模型，采 用絕對網格劃分，對金屬變形體進行四面體網格單元劃分，在分流孔入口及模 孔入口處進行網格單元細化。
所述網格單元細化，其中最小網格單元尺寸(模孔入口處)不超過模孔模孔型腔 尺寸的1/3。
(2) 采用分步法進行模擬，分流階段及填充階段的有限元計算步長為變形體最小單 元尺寸的0.1~0.2倍，在焊合面網格單元接觸距離為l~5mm時，將有限元計算 步長改為變形體最小單元尺寸的0.01~0.08倍。
(3) 模擬過程中，當焊合面網格單元穿透區和焊合面尚未充滿區域體積相等時，在 有限元軟件Deform-3D中，將此有限元網格三維實體模型轉化為由小三角形面 片為基本描述單元的三維面模型，即STL (Stereol他ogmphy)模型。
(4) 將STL模型導入三維實體設計軟件Pro/ENGINEER中，并通過其中的基于逆向 工程技術的小平面特征技術，對STL模型中相互穿透的焊合面三角面片網格進 行修復，首先刪除焊合面網格單元產生穿透及畸變的三角形網格，在刪除區域 依次選取三個相鄰的頂點重新構建三角形面片，直至三角形面片充滿刪除區表 面。同時將焊合面尚未充滿區域的表面用三角形面片單元進行填充，使得原始 穿透區和未充滿區重新形成一個由三角形面片單元構成的三維面模型。
(5) 在軟件Pro/ENGINEER中采用3X分法，將每個三角面片用三個三角面片來替 換，對重新構建的三角面片進行細化，以增大網格密度，提高STL模型的精度。
(6) 將修復好的STL模型導入有限元軟件Deform-3D，按原網格單元尺寸劃分四面(7)在有限元軟件Deform-3D中，對模型添加原始單元節點數據，生成新數據文件， 繼續計算，完成分流模擠壓焊合階段及擠壓全過程的模擬分析。 本發明的主要優點采用基于逆向工程技術的焊合面網格修復技術，對非對稱斷 面空心型材分流模擠壓焊合過程中網格相互穿透的焊合面進行修復，實現了對空心型 材分流模擠壓焊合過程，進而對擠壓全過程的有限元連續模擬。


圖l本發明的方管斷面尺寸示意圖 圖2本發明的模具實體模型 l-上模，2-下模
圖3本發明的幾何模型及網格劃分(1/4模型)
l-上模，2-下模，3-擠壓墊，4-擠壓筒，5-坯料，6-模芯
圖4本發明的幾何模型及網格劃分(1/8模型)
l-上模，2-下模，3-擠壓墊，4-擠壓筒，5-坯料，6-模芯 圖5本發明的分流模擠壓過程中焊合面開始相互穿透時的有限元模型 圖6本發明的圖5中y向局部A放大 圖7本發明的圖5中z向局部B放大 圖8本發明的準備修復的有限元模型 圖9本發明的修復準則的幾何示意圖 圖10本發明的修復后的有限元網格模型 圖11本發明的焊合面開始接觸前的模型及網格 圖12本發明的焊合面未接觸U/4模型、1/8模型，行程30.85mm) 圖13本發明的焊合面開始接觸(1/4模型、1/8模型行程30.90mm) 圖14本發明的焊合面修復前(1/4模型，行程30.95mm) 圖15本發明的焊合面接觸程度增加(1/8模型，行程30.95mm) 圖16本發明的焊合面修復后狀態(1/4模型，行程30.95mm) 圖17本發明的焊合面完全焊合(1/8模型，行程31.05mm) 圖18本發明的l/4模型(需進行焊合面修復的情況) 圖19本發明的l/8模型(無需焊合面修復的情況)圖20本發明的型材斷面尺寸示意圖 圖21本發明的模具實體模型 l-上模，2-下模 圖22本發明的模擬結果具體實施方式
實施例1
通過采用本發明的分流模擠壓焊合過程有限元模擬技術，解決了焊合面相互穿透 單元網格修復問題，實現了圖1所示方管擠壓全過程的有限元模擬。
方管尺寸為L30Xt2mm，金屬變形體，即坯料直徑為090rnrn、擠壓筒直徑 0)95mm、擠壓比31.6、分流比12.6。坯料和模具之間選用剪切摩擦模型，并根據圓 環壓縮實驗結果，取摩擦因子m^。
擠壓的初始工藝條件為坯料(A6005鋁合金)溫度48(TC、擠壓筒溫度40(TC、 模具(H13熱作模具鋼)溫度450'C、擠壓墊溫度3(TC，擠壓軸速度4mm/s。
假設采用焊合面與方管的對角線位置一致的模孔布置方案，模具實體模型如圖2 所示。當取1/4 (圖1中陰影部分)進行模擬時，則計算對象內包含了焊合面，需采 用本發明的處理技術，幾何模型及網格劃分如圖3所示。由于對稱性特點，也可取1/8 (圖l中陰影部分的一半)進行模擬，由于所有的焊合面均被簡化為剛性面，計算對 象不存在焊合面，不會產生網格穿透現象，不需要進行網格修復，幾何模型及網格劃 分如圖4所示。利用方管擠壓時l/4模型與1/8模型的上述特點，可以檢驗本發明的 技術的可行性與精確性。
(1) 采用有限元軟件Deform-3D進行模擬，根據絕對網格法對變形體劃分四面體網 格單元，并對分流孔入口及模孔入口處的變形體進行網格單元細化，設定模擬 過程中變形體網格單元最小尺寸為0.7mm (模孔入口處)，最大為10mm (擠壓 筒內靠近擠壓軸附近)，分流孔入口處變形體網格單元尺寸為2mm。
(2) 采用分步法進行模擬，分流階段及填充階段的有限元計算步長為變形體最小單 元尺寸的0.1~0.2倍，本發明計算的步長為0.2mm。在焊合面網格單元距離為 3mm,即擠壓行程為30.8mm時，將有限元計算步長改為變形體最小單元尺寸 的0.01~0.08倍，本發明為將數值計算步長由原來的每步0.2mm改為0.05mm。
(3) 方管擠壓時焊合過程如圖U 17所示。從擠壓開始經坯料分流階段和焊合室填充階段到焊合面開始接觸階段，采用1/4和1/8幾何模型時數值模擬結果相同， 如圖11、 12和13所示。當擠壓行程為30.95mm時，采用1/4模型進行模擬時， 根據修復準則，此變形體焊合面互穿透的網格單元區域和焊合面未充滿區域面 積相等，如圖14所示。在有限元軟件Deform-3D中，將此時有限元網格三維實 體模型轉化為由小三角形面片為基本描述單元的三維面模型，即STL (Stereolithography)模型。 根據塑性成形體積不變原理，本發明建立的焊合面單元網格相互穿透時模型的修 復準則如下
圖5為分流模擠壓過程中焊合面開始相互穿透時的有限元模型，擠壓方向為沿 圖中y軸的正方向。圖6為平行于擠壓方向，即y向局部A放大視圖；圖7沿負z 軸方向局部B放大視圖。圖8為隨著擠壓行程的增加，網格穿透量增加即滿足體積不 變原理準備修復的模型。將焊合面輪廓穿透區和尚未充滿區域的有限單元模型用幾何 示意圖來表示，如圖9所示。其中，陰影部分(以實線為邊界的bdfe區域)為焊合 面單元網格相互穿透區域，非陰影部分(實線為邊界的abc和fgh漏斗形區域)為焊 合面尚未充滿區域。
在網格相互穿透過程中，在焊合面穿透區和焊合面尚未充滿區域體積相等時進 行網格修復，才能確保修復前后坯料體積相等，而此之前修復則導致修復后體積增加、 在此之后修復則導致體積減小。
在網格修復時，將圖7中I區域所示的焊合面沿焊合室高度方向的輪廓簡化為直 線，則焊合面穿透區和尚未充滿區域的體積可近似為垂直于擠壓方向的網格穿透區 和未充滿區域的面積(幾何示意圖中陰影區域和漏斗形非陰影區域)與焊合室高度的 乘積。
由于幾何示意圖中以實線為邊界的中陰影區域和漏斗形非陰影區域的弧線曲率 及半徑在實際模擬過程中難以測量，且面積精確計算較為繁瑣，因此將幾何示意圖中 陰影區域的面積簡化為以虛線為邊界的Abde和Afed的面積，而將幾何示意圖中漏斗 形非陰影區域的面積簡化為以虛線為邊界的厶abc和Afgh的面積。在有限元軟件 Deform-3D中通過標尺量出三角形邊長ac、de、gh和高kb、bo、fo、fm，當acxbk+ghxfin -dexbo + dexfo時，Abde+Afed和Aabc+Afgh的面積相等，此時有限元網格模型 為修復模型，修復后的有限元網格模型如圖10所示。(4) 將STL模型導入三維實體設計軟件Pro/ENGINEER中，并通過其中的基于逆向 工程技術的小平面特征技術，對STL模型中相互穿透的焊合面三角面片網格進 行修復，首先刪除焊合面網格單元產生穿透及畸變的三角形網格，在刪除區域依 次選取三個相鄰的頂點重新構建三角形面片，直至三角形面片充滿刪除區表面。 同時將焊合面尚未充滿區域的表面用三角形面片單元進行填充，使得原始穿透區 和未充滿區重新形成一個由三角形面片單元構成的三維面模型。
(5) 在軟件Pro/ENGINEER中采用3X分法，每個三角面片用三個三角面片來替換， 對重新構建的三角面片進行細化，以增大網格密度，提高STL模型的精度。
(6) 將修復好的STL模型導入有限元軟件Deform-3D，按原網格單元尺寸劃分四面 體網格單元，修復后有限元幾何實體模型相對原始幾何模型的體積損失僅為為 0.13%，如圖16所示。
(7) 在有限元軟件Deform-3D中，對模型添加原始單元節點數據，生成新數據文件， 繼續計算，完成分流模擠壓焊合階段及擠壓全過程的模擬分析。
采用1/8模型進行模擬時，行程為30.95mm時的焊合情況如圖15所示，焊合程 度增加，無網格穿透現象。當擠壓行程為31.05mm時焊合面完全焊合，如圖17所示。 可知從焊合面開始接觸到焊合完成，擠壓行程僅為0.15mm，由此可以推測在這樣短 的擠壓行程范圍內對焊合面網格進行修復，將不會影響擠壓過程的金屬流動模擬結 果。
兩種擠壓焊合后擠出的方管形狀如圖18和圖19所示。由圖可見，對焊合面網格 進行修復和無需對焊合面進行修復時擠出的方管外形吻合較好，實現了對空心型材擠 分流模擠壓焊合過程及全過程的數值模具，具有令人滿意的模擬精度。
實施例2
非對稱多孔空心型材的斷面及尺寸如圖20所示，實體模具結構如圖21所示。對 于此類焊合面與對稱面不一致斷面空心型材，只能采用本發明的焊合面網格修復技術 完成擠壓全過程的數值模擬分析。
采用有限元軟件Deform-3D進行模擬，網格劃分采用絕對網格法，計算單元為四 面體網格單元，并對塑性變形較大的分流孔入口及模孔入口處進行網格單元細化，設 定模擬過程中單元最小尺寸為lmm，最大為30mm。
設坯料和擠壓筒直徑皆為<D238mm、擠壓比為31，坯料和模具之間選用剪切摩擦模型，并根據坯料與工模具的圓環壓縮實驗結果，取摩擦因子m^。
擠壓的初始工藝條件為坯料(鋁合金6005A)溫度500'C、擠壓筒溫度420'C、
模具(H13熱作模具鋼)溫度48(TC、擠壓墊溫度3(TC，擠壓軸速度2mm/s。
對擠壓過程中各個焯合面逐一修復，重新劃分單元網格，修復原則及步驟與上例
相同。實現了非對稱多孔空心型材擠壓過程的數值模擬，模擬結果如圖22所示。修
復后的有限元幾何實體模型相對原始幾何實體模型的體積損失為0.3%。
權利要求
1、一種空心型材分流模擠壓焊合過程數值模擬技術，其特征在于，具體步驟是1)采用有限元軟件Deform-3D對分流模擠壓過程進行模擬，先處理幾何模型，采用絕對網格劃分，對金屬變形體進行四面體網格單元劃分，在分流孔入口及模孔入口處進行網格單元細化；2)采用分步法進行模擬，分流階段及填充階段的有限元計算步長為變形體最小單元尺寸的0.1～0.2倍，在焊合面網格單元接觸距離為1～5mm時，將有限元計算步長改為變形體最小單元尺寸的0.01～0.08倍；3)模擬過程中，當焊合面網格單元穿透區和焊合面尚未充滿區域體積相等時，在有限元軟件Deform-3D中，將此有限元網格三維實體模型轉化為由小三角形面片為基本描述單元的三維面模型，即STL模型；4)將STL模型導入三維實體設計軟件Pro/ENGINEER中，對STL模型中相互穿透的焊合面三角面片網格進行修復，首先刪除焊合面網格單元產生穿透及畸變的三角形網格，在刪除區域依次選取三個相鄰的頂點重新構建三角形面片，直至三角形面片充滿刪除區表面，同時將焊合面尚未充滿區域的表面用三角形面片單元進行填充，使得原始穿透區和未充滿區重新形成一個由三角形面片單元構成的三維面模型；5)在軟件Pro/ENGINEER中采用3X分法，將每個三角面片用三個三角面片來替換；6)將修復好的STL模型導入有限元軟件Deform-3D，按原網格單元尺寸劃分四面體網格單元；7)在有限元軟件Deform-3D中，對模型添加原始單元節點數據，生成新數據文件，繼續計算，完成分流模擠壓焊合階段及擠壓全過程的模擬分析。
2、 如權利要求1所述的空心型材分流模擠壓焊合過程數值模擬技術，其特征在 于，所述網格單元細化為模孔入口處的最小網格單元尺寸不超過模孔型腔尺寸的1 /3。
全文摘要
一種空心型材分流模擠壓焊合過程數值模擬技術，屬于金屬擠壓技術領域。本發明采用有限元軟件Deform-3D對分流模擠壓過程進行模擬；有限元分步法進行計算，當焊合面網格單元穿透區和焊合面尚未充滿區域體積相等時，在有限元軟件Deform-3D中，將此有限元網格三維實體模型轉化為由小三角形面片為基本描述單元的三維面模型，即STL(Stereolithography)模型，并對STL模型中相互穿透的焊合面三角面片網格進行修復，使原始穿透區和未充滿區重新形成一個由三角形面片單元構成的三維面模型，采用3X分法，將修復好的STL模型導入有限元軟件Deform-3D，對模型添加原始單元節點數據，生成新數據文件，完成分流模擠壓焊合階段及擠壓全過程的模擬分析。
文檔編號B21C25/02GK101604350SQ200910088960
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月15日 優先權日2009年7月15日
發明者張志豪, 李靜媛, 謝建新, 黃東男 申請人:北京科技大學