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矩形管挤压过程数值模拟
唐妍,高锦张,贾俐俐2,蒋松
东南大学材料科学与工程学院,江苏南京(21189)
2南京交通职业技术学院,江苏南京(21188
E-mail:tangvanmm(agmail.com
摘要:本文以A16063矩形管为例,分别利用有限元法和有限体积法对矩形管平面分流模挤
压过程进行数值模拟分析,比较了2种模淑方法针对矩形管挤压过程的模拟结果,得出有限
体积法可以更有效模拟矩形管挤压过程的结论。同时分析矩形管挤压过程的金属流动规律、
应力应变以及温度分布情况,为铝材矩形管分流模的结构设计和参数优化提供了分析依据。
关键词:矩形管;有限体积法;有限元法;数値模拟
中图分类号:TG376.9
1.引言
铝合金型材挤压加工过程伴随省很大的塑性变形,既有材料非线性(应力、应变之间的
非线性),又有几何非线性(应变、位移之间的非线性),加上复杂的边界条件,金属流动
规律十分复杂。如仍依靠传统的试模方法来开发挤压模具,将尢法适应现在的市场要求,因
此利用数值模拟方法硏究铝型材挤压机理和金属流动规律,来为挤压工艺和模具设计提供理
论指导,就显得尤为重要。
日前用于数值模拟塑性成形过程的方法主要有有限元法(FEM)和有限体积法(FVM)
FEM能很好地处理变形体与模貝的接触问题,又具有较高的模拟精度,因此FEM广泛地应
用于金属塑性成形的数值模拟之中引。FVM最初主要用于流体力学的数值模拟,近年来
被遂渐用丁金属塑性成形的数值模拟研究。通过研究发现目前这两种方法大多被用于模
拟针对实心型材的平模挤压过程9,针对矩形管等帘心型材的平面分流模挤压过程的模拟
比较研究还不是很多。因此,利用FMM和FEM模拟研究平面分流模挤压过程,对丁合理
设计挤压模具结构和提高型材质量具有十分重要的意义。
本文以A16063矩形管为例,分别采用FEM和FVM对其挤压过程进行模拟,比较了两
种模拟方法针对矩形管挤压过程模拟的可行性,同时分析了矩形管挤压过程的变形规律。
2.FEM和FVM基本思想
FEM基本思想是将材料的整个求解域离散为一系列相互连接的单元体(如三角形、四
边形、四面体或六面体等单元),通过求解各单元和节点在每一加载步上的物理场量,米描
述材料在成形过程中的变形情况。由于有限元采用 Lagrange方法,每一个单元代表着材料
的一个局部求解域,各节点代表省材料的一个金属质点,所以,在模拟过程中,节点随省金
属的流动而一起运动,单元的形状也随之发生改变。于是,在大变形塑性成形的有限元数值
模拟中,网格经常发生畸变。为了让模拟能够顺利进行下去,必须对畸变后的?格进行重新
划分。
FVM基本思想是将材料流动所要经历的空间用 Eulcr?格(如六面体?格)进行离散,
Euler网格的单元和中心格点在空间固定不动,材料只是从一个单元流到另一个单元,并且
材料的质量、动量和能量也随之从一个单元流到另一个单元,此过程必须满足质量守恒、动
量守恒、能量守恒、本构方程、状态方程和热平衡方程等控制方程2。材料的变形行为则
通过均布在材料中的大量质点来表述。由于 Eulcr?格并不随材料一起运动,它在物体的成
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形过程中不会发生畸变,因此FVM可以避开格重划问题。但是在模拟过程中,FVM?
格需要事先占据材料所要经过的所有卒间。对于壁厚较薄的型材截面,就需要将网格划分很
细,因此采用FVM模拟会占用大量计算机内存
3.FEM建模及模拟结果分析
在对铝型材进行模拟挤压之前,首先应建立儿何模型。模拟中所挤型材尺寸是60X
20mm,壁厚3mm的矩形管,利用一维绘图软件UG绘制模具、挤压筒、挤压杆、环料并进
行装配(如图1)
图1平面分流模模貝图
采用 DEFORM-3D模拟软件对其平面分流模挤压过程的有限元模拟。为减少模拟时,
収1/4进行模拟。将平面分流模上:下模具设计为一整体,定义为四模,挤压杆为凸模。挤压
材料选择塑性较好的6063铝,初始挤压温度为480C,模其预热温度为450°C。选取塑性
剪切摩探模型,摩搽因子取0.3,凸模速度为3mm/s
利用软件镜像功能将挤压环料从14外形镜像到整体外形。图2所示为矩形管挤压过程
的有限元模拟结果。从模拟结果可以看出,挤压材料进入分流孔阶段,模拟进展顺利(图1
(a)):变形材料进入焊合室后,模拟过程变得困难,不断进行网格重划,模拟时间增加,
但模拟仍能进行下去(图2(b));变形材料经过工作带,模拟过程变得非常困难,几乎
每步都需要网格重划(图2(c)),同时变形材料出现了严重的体积缺失,由分流孔分流
的金属在焊缝处尢法完成焊合,变形材料的自接触出现问题,最终导致模拟法进行下去。
(a)凸模行程25mm(b)凸模行程50mm(c)凸模行程56.5mm
图2矩形管挤过程的有限元模拟结果
改变矩形管的长比乙(を1),利用FEM模拟后仍出现变形材料在焊缝处尤法焊
合的问题。分析原因是当金属进入焊合室后,由于焊合内金属流动复杂以及之后的工作带
祓面的壁较薄而挤压筒的直径相对很大,导致此时有限元网格畸变非常严重,需要频繁的网
格重划,而每次劇格重划后新旧网格都存在儿何形状的近似,频繁网格重刘后导致变形材料
的儿何形状出现较大差异。同时每次网格重划后,边界节点与模具边界的接触条件也要重新
确定,频繁的网格重划引起的几何形状的差异导致了一部分边界节点与模具边界接触条件的