基于HyperWorks的一种悬臂类铝型材的有限元模拟研究1

摘    要：通过对悬臂类铝型材的有限元模拟，研究悬臂类铝型材挤压模具的总体高度、铝型材的厚度和铝型材的宽度对模具强度的影响。通过正交试验方法研究这三种影响因素对悬臂类铝型材挤压模具强度影响的主次性并寻找最优组合的悬臂类铝型材挤压模具。结果表明，铝型材挤压模具的高度对下模具最大应变值影响显著，影响主次顺序为铝型材挤压模具的高度、挤压型材的厚度、铝型材的宽度。

关键词：悬臂;挤压模;有限元;HyperWorks;

0 引 言

铝型材挤压生产是在高温、高压的环境中进行，因而很难预测其生产过程中存在的不足，继而很难对后面的设计进行优化。在铝型材挤压生产过程中，有一个非常复杂的变形过程，包含有弹塑性、刚塑性、黏塑性等综合复杂变形过程；铝型材挤压模具是既具有强度模具的特性又具有稳定流速场模具要求的双重身份的统一体。由以上特征，人们对铝型材的变形过程的感性认识成分要多于理性认识成分，即在设计过程中理论指导相对较少。目前，国内行业的普遍现状仍是通过经验类比的方法设计模具，模具一次试模的成功率不高，大概只有50%～60%。随着计算机技术和有限元分析软件的发展，数值模拟方法在挤压模具设计应用中有一定的成熟度和实用性，这在模具修正设计中起着重要的作用。通过有限元软件的求解分析，可以准确地预测挤压生产过程中的情况。通过这样的数值模拟手段对设计进行验证和反馈，在模具设计中大大提高模具寿命和减少模具出厂的试模和修模次数，对提高设计的成功率、降低生产成本和能耗具有重要意义。

铝合金型材生产中的核心问题是型材模具的设计制造和使用的问题，一个铝合金型材产品的成形与模具的结构是否合理、各种尺寸因素是否恰当有着直接的关系。挤压模具强度是影响铝型材成型的关键，而影响模具强度的因素有很多，工程设计者一般都是从影响因素中分析，通过平衡各作用使模具的强度达到最佳状况。一般地，影响挤压模具强度的参数大概有以下因素：铝型材的宽度、铝型材的厚度、挤压模具的总体高度、工作带的长度、导流腔的角度等。本次主要研究的悬臂类铝型材挤压模具的总体高度、铝型材的厚度和铝型材的宽度三种因素。研究它们对挤压模具影响的主次性，同时寻找本次的研究对象的最佳组合。

1 研究内容

本研究的挤压模具分为上模具和下模具两个部分，模具直径大小都为160 mm。在建模前，先确定好挤压模具分流孔、分流桥等的设计，分流孔的设计一般是对称排列，目的是为了让金属液体能够平稳均匀流动和降低模面的压力[1]。本研究是采用2孔的。分流桥的作用主要是对金属液体的分流作用和削减悬臂处应力集中的现象。本研究挤压模具的分流桥宽度是随铝型材的宽度的变化的，但形状一样的。图1为本研究的挤压模具的装配图。运用Solidworks软件对本设计研究的挤压模具进行三维模型构建。模具模型构建完成后，将其转换成IGES格式导入HyperMesh做前处理准备，接着在HyperXtrude向导中完成各项边界条件和参数的设置，再接着进行数据求解，最后在HyperView软件观察结果，对结果进行分析[2,3]。

图1 本研究的挤压模具

2 试验方案分析

本研究的影响因素有3个(挤压型材的厚度、挤压型材的宽度、挤压模具的厚度)，通过3因素4水平正交试验方案进行设计和确定，如表1、表2所示。试验假设铝型材的厚度为T，铝型材的宽度为L、悬臂类铝型材挤压模具的高度H，如图2、图3所示。对3因素4水平的试验来说，常规的全部试验是要进行64次试验，次数相当多。本设计采取正交设计的方法进行试验，正交试验设计能均匀地挑选出代表性强的少数试验方案，由少数的试验结果推出较优的方案，试验次数减少且能确保试验的可靠性，这样试验次数降至16次。下面对本次试验方案进行设计和确定。

表1 因素水平

表2 本研究正交设计L16(43)对应试验组合

图2 型材截面 

图3 挤压模具高度示意 

文章来源：现代信息科技