鋁型材擠壓非正交網(wǎng)格有限體積數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的迅速提高，鋁合金擠壓型材在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛應(yīng)用。鋁型材擠壓模具是實(shí)現(xiàn)型材生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)裝備，目前我國型材擠壓模具的設(shè)計(jì)主要依賴類比設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，所設(shè)計(jì)的模具必須經(jīng)過反復(fù)的試模和修模才能滿足工藝要求。這種依賴經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和試模返修的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式已不能滿足鋁型材工業(yè)快速發(fā)展的需要，迫切需要科學(xué)的設(shè)計(jì)分析工具，從而使鋁型材擠壓模具的設(shè)計(jì)由經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)上升到科學(xué)設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為材料成

2、形過程工藝與模具設(shè)計(jì)的有力工具，鋁型材擠壓成形屬于劇烈塑性大變形過程，常規(guī)分析方法往往不能對(duì)其進(jìn)行有效分析。因此，發(fā)展適合于劇烈大變形的塑性變形分析理論模型及其數(shù)值計(jì)算方法，研究鋁型材擠壓成形過程中的金屬流動(dòng)規(guī)律以及模具結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)型材質(zhì)量的影響規(guī)律，對(duì)擠壓工藝和模具的合理設(shè)計(jì)、減少試模時(shí)間和提高型材質(zhì)量都具有十分重要的意義。 有限元法在金屬塑性成形數(shù)值模擬中應(yīng)用廣泛，但在模擬變形量極大的擠壓過程時(shí)卻遇到了瓶頸：網(wǎng)格易發(fā)

3、生嚴(yán)重畸變，需要不斷重劃網(wǎng)格，甚至無法將模擬進(jìn)行下去。有限體積法導(dǎo)出的離散方程具有良好的守恒性，而且離散方程系數(shù)物理意義明確，計(jì)算量相對(duì)較小，是目前計(jì)算流體力學(xué)中應(yīng)用最為廣泛的一種方法，其突出的優(yōu)點(diǎn)是所采用的歐拉網(wǎng)格是背景網(wǎng)格，不隨材料一起運(yùn)動(dòng)，網(wǎng)格在模擬過程中不發(fā)生畸變，避開了網(wǎng)格再劃分問題，因而可以更好地模擬鋁型材擠壓這類大變形問題。目前研究人員使用的有限體積法軟件多為通用軟件，沒有考慮鋁型材擠壓工藝的特點(diǎn)，同時(shí)由于有限體積法數(shù)值模

4、擬理論及其關(guān)鍵技術(shù)在塑性成形中的應(yīng)用尚未完善，所以出現(xiàn)了模擬時(shí)間過長、所擠出件表面質(zhì)量不好等一系列問題，不能有效指導(dǎo)鋁型材的擠壓工藝與模具設(shè)計(jì)。 本文旨在根據(jù)鋁合金材料的特性及鋁型材擠壓過程材料變形機(jī)理、模具結(jié)構(gòu)、工藝條件等，將計(jì)算流體力學(xué)中廣泛應(yīng)用的有限體積法引入到塑性成形領(lǐng)域，建立一種高效、靈活、可靠的鋁型材擠壓成形過程數(shù)值模擬方法及其關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)相應(yīng)的模擬分析系統(tǒng)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)大擠壓比薄壁型材擠壓、具有流動(dòng)再分配作用的導(dǎo)流模

5、擠壓、具有復(fù)雜模具結(jié)構(gòu)和復(fù)雜流動(dòng)規(guī)律的空心壁板型材平面分流模擠壓等擠壓過程的非正交網(wǎng)格有限體積法數(shù)值模擬，根據(jù)獲得的速度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場等場量分布規(guī)律實(shí)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的優(yōu)化，為鋁型材制造提供理論指導(dǎo)。 針對(duì)鋁型材擠壓過程數(shù)值模擬現(xiàn)狀及存在的問題，將適合大變形問題的有限體積法引入塑性成形領(lǐng)域，研究了有限體積法的基本理論，給出了有限體積法的基本控制方程和有限體積網(wǎng)格的構(gòu)成特點(diǎn)。研究了控制方程的離散方法，討論了有限體積法中各種

6、常用的插值格式。研究了三維非穩(wěn)態(tài)問題中的時(shí)間積分方案和控制方程的離散過程。介紹了有限體積法中變量的存儲(chǔ)方式，深入研究了基于壓力速度耦合求解的SIMPLE算法的實(shí)施過程。 研究了鋁合金擠壓過程的模具結(jié)構(gòu)、工藝條件、材料變形機(jī)理和流動(dòng)特點(diǎn)，鋁合金材料的力學(xué)性能特點(diǎn)和本構(gòu)關(guān)系。應(yīng)用剛（粘）塑性模型，忽略材料的彈性變形，將高溫下的鋁合金材料視為一種剛（粘）塑性、各向同性、不可壓縮的非牛頓流體。研究了鋁合金材料變形過程中的動(dòng)力粘度變化與應(yīng)

7、力、應(yīng)變速率及溫度的關(guān)系，建立了動(dòng)力粘度方程，為將有限體積法引入鋁合金型材擠壓等塑性成形領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。 結(jié)合鋁型材擠壓過程的工藝特點(diǎn)和有限體積法基本理論，研究建立了鋁型材擠壓過程非正交網(wǎng)格有限體積法數(shù)學(xué)模型。針對(duì)有限體積法中傳統(tǒng)的正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)不規(guī)則區(qū)域的適應(yīng)性差和難于施加邊界條件的缺點(diǎn)，采用非正交網(wǎng)格劃分不規(guī)則計(jì)算區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了對(duì)曲面邊界的準(zhǔn)確擬合，更易于合理地施加邊界條件；將控制方程采用直角坐標(biāo)形式直接在非正交網(wǎng)格上離散，避免

8、了適體坐標(biāo)法中復(fù)雜的坐標(biāo)變換過程；研究了非正交網(wǎng)格的特點(diǎn)及網(wǎng)格的非正交性帶來的網(wǎng)格中心節(jié)點(diǎn)連線不垂直于界面和不通過界面中心點(diǎn)的問題，研究了非正交網(wǎng)格上控制方程的離散格式，推導(dǎo)建立了非正交網(wǎng)格上三維非穩(wěn)態(tài)問題離散方程，消除了網(wǎng)格非正交性帶來的誤差；針對(duì)基于交錯(cuò)網(wǎng)格的SIMPLE算法在非正交網(wǎng)格上難于實(shí)現(xiàn)的問題，推導(dǎo)建立了基于非正交同位網(wǎng)格的SIMPLE算法，采用延遲修正方法處理界面插值，引入相鄰節(jié)點(diǎn)壓力差，解決了同位網(wǎng)格SIMPLE算法的

9、壓力震蕩無法檢測的問題：采用二次壓力修正方法，解決了網(wǎng)格的非正交性帶來的壓力修正方程無法寫成通用離散形式的問題；針對(duì)鋁合金型材擠壓過程的變形工藝特點(diǎn)和金屬流動(dòng)規(guī)律，建立了非正交網(wǎng)格有限體積法模擬鋁型材擠壓過程的初始條件和邊界條件；基于鋁型材擠壓非正交網(wǎng)格有限體積法數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了系統(tǒng)開發(fā)，給出了模擬分析步驟和程序流程。 研究建立了三維非穩(wěn)態(tài)鋁型材擠壓非正交網(wǎng)格有限體積法的關(guān)鍵技術(shù)。研究建立了非正交同位網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)編號(hào)和網(wǎng)格信息的數(shù)

10、據(jù)存儲(chǔ)。建立了非正交網(wǎng)格上摩擦邊界的施加方法；建立了非正交網(wǎng)格上自由表面追蹤的VOF方法，針對(duì)網(wǎng)格的非正交性，改善了流體體積函數(shù)的計(jì)算公式，提出了一種簡單的流體方位確定方法，便于自由表面方向的確定。研究了非正交網(wǎng)格有限體積法所形成的代數(shù)方程組的特點(diǎn)和數(shù)值求解方法、內(nèi)部迭代和外部迭代的收斂準(zhǔn)則、時(shí)間步長的自動(dòng)調(diào)整關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)以上關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步完善了鋁型材擠壓非正交網(wǎng)格有限體積法模擬分析程序。 針對(duì)空心鋁型材擠壓過程，建立了塊結(jié)

11、構(gòu)化非正交網(wǎng)格有限體積法數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)。研究建立了塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的塊分界面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；研究了塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有限體積法的求解方式，建立了聯(lián)合整體求解的強(qiáng)隱方法；實(shí)現(xiàn)了塊與塊之間的界面信息傳遞；研究了VOF方法在塊界面處的處理方法，建立了塊結(jié)構(gòu)化非正交網(wǎng)格上自由表面追蹤的VOF方法。基于以上關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步開發(fā)了鋁型材擠壓塊結(jié)構(gòu)化非正交網(wǎng)格有限體積法模擬分析程序，實(shí)現(xiàn)了空心鋁型材平面分流模擠壓過程數(shù)值模擬分析。 對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型、關(guān)鍵

12、技術(shù)及其所開發(fā)的數(shù)值模擬系統(tǒng)進(jìn)行了一系列算例驗(yàn)證，包括與有限元軟件Deform、有限體積法軟件SuperForge等計(jì)算結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證和試驗(yàn)驗(yàn)證。通過對(duì)比分析，表明本文建立的鋁型材擠壓有限體積法數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型正確、高效，特別適用于大變形擠壓過程的數(shù)值模擬分析。利用所開發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大變形薄壁型材導(dǎo)流模擠壓，空心型材平面分流模具擠壓等擠壓過程的數(shù)值模擬分析，進(jìn)一步研究模具結(jié)構(gòu)對(duì)金屬流動(dòng)的影響，并根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，為實(shí)踐提供理論指