鋁型材壁板擠壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、大型整體鋁合金壁板因其具有比強(qiáng)度高、耐蝕性和氣密性好、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，在鐵路、航空、船舶等交通運(yùn)輸業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其成形過(guò)程主要用扁擠壓筒擠壓方法來(lái)完成。擠壓模具的型腔形狀在成形過(guò)程中至關(guān)重要，其與工件的變形程度、變形速度、塑性變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)等密切相關(guān)，對(duì)成形件質(zhì)量、擠壓能耗和模具壽命等有十分重要的影響。本文圍繞大型復(fù)雜壁板擠壓模具型腔優(yōu)化，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、流體力學(xué)、數(shù)值模擬和物理模擬等知識(shí)，對(duì)壁板擠壓成形規(guī)律進(jìn)行深入研究，完成壁

2、板擠壓模具型腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了一些有重要意義的結(jié)論和對(duì)實(shí)際應(yīng)用有指導(dǎo)作用的成果。 首先基于復(fù)變函數(shù)共形映射原理，把映射函數(shù)——Schwarz-Christoffel積分，從物理學(xué)、電磁學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，引入到塑性加工過(guò)程分析中，將擠壓入口、出口多邊形形狀映射到一單位圓周上，提出復(fù)雜型材擠壓模具型腔映射建模思路。完整推導(dǎo)了Schwarz-Chdstoffcl積分的兩步求解過(guò)程，針對(duì)映射精度問(wèn)題，提出凸凹分級(jí)展開(kāi)求解技術(shù)，借助MATLA

3、B平臺(tái)，開(kāi)發(fā)許氏積分快速求解模塊。在實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單多邊形與單位圓映射函數(shù)求解的基礎(chǔ)上，利用該積分完成復(fù)雜多邊形壁板(矩形、梯形、工字形)與單位圓之間映射函數(shù)的求解，將復(fù)雜多邊形問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單位圓問(wèn)題。 根據(jù)上限理論，建立鋁合金圓棒料擠壓成形的流動(dòng)模型，推導(dǎo)坯料在五種不同形狀型腔下變形時(shí)的動(dòng)可容速度場(chǎng)、應(yīng)變速率場(chǎng)及上限功率的表達(dá)式。以降低擠壓能耗為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，獲得最低能耗下的型腔高度。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合流體力學(xué)理論，引入流

4、函數(shù)方程，建立基于流曲線的壁板擠壓過(guò)渡曲面邊界條件，得到擠壓模具型腔“流線型”數(shù)學(xué)模型，完成復(fù)雜截面壁板型材擠壓的“流線型”過(guò)渡曲面建模。 借助數(shù)值模擬軟件，采用二維彈塑性和三維剛塑性有限元方法分別對(duì)鋁合金棒料及復(fù)雜壁板擠壓過(guò)程進(jìn)行模擬，驗(yàn)證不同模具型腔對(duì)擠壓過(guò)程的影響，獲得材料成形時(shí)金屬位移場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況，深入分析壁板成形時(shí)的金屬流動(dòng)規(guī)律。此外，選取擠壓中心等與擠壓過(guò)程密切關(guān)聯(lián)的因素，討論其對(duì)擠壓過(guò)

5、程的影響，獲得了一些有用的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，相同斷面縮減率下，流線型型腔在改善金屬流動(dòng)、降低成形載荷和提高制件質(zhì)量上都存在較大優(yōu)勢(shì)。 由于生產(chǎn)壁板的重要工具扁擠壓筒要在高溫、高壓、高摩擦的惡劣條件下工作，其使用壽命較低，這里引入混合優(yōu)化方法，對(duì)扁擠壓筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將有限元法(FEM)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和多目標(biāo)遺傳算法(MOGA)運(yùn)用到扁擠壓筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，綜合考慮扁擠壓筒最佳工作性能和內(nèi)腔的尺寸精度，建立變過(guò)盈量下三層組

6、合式扁擠壓筒結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，獲得滿足約束條件下的扁擠壓筒各層結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時(shí)，以梯形鋁合金壁板擠壓成形為例，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)、響應(yīng)面設(shè)計(jì)(RSM)和遺傳模擬退火算法(GSA)，從降低成形載荷和提高壁板質(zhì)量角度，對(duì)影響擠壓過(guò)程的重要工藝參數(shù)--擠壓速度v、定徑帶長(zhǎng)度l、模具溫度T1進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得滿足條件下的最佳成形工藝參數(shù)。 最后采用光塑性試驗(yàn)方法分析了梯形壁板“流線型”擠壓成形過(guò)程，實(shí)驗(yàn)獲得光塑性模型材料最佳