1 概述 

鋁型材擠壓是一個(gè)處在高溫、高壓、復(fù)雜的摩擦狀態(tài)等復(fù)雜條件下的成形過程；在擠壓成形過程中，鋁合金要經(jīng)歷加熱、整體活動(dòng)、分流、焊合、定型、冷卻等多個(gè)交叉耦合階段，采用物理實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)有的丈量儀器與手段基本上無法了解鋁合金的成形機(jī)理和變形規(guī)律。目前鋁型材擠壓工藝和模具的開發(fā)也基本上都是依靠工程類比和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，所開發(fā)的擠壓工藝和模具必須通過反復(fù)的試模和修模來達(dá)到公道狀態(tài)，試模周期長也已經(jīng)成為鋁型材及其模具廠家核心競爭力提升的瓶頸所在。

    大量的文獻(xiàn)資料顯示，仿真技術(shù)正在成為研究鋁型材擠壓機(jī)理、優(yōu)化鋁型材模具結(jié)構(gòu)及擠壓工藝、檢驗(yàn)?zāi)＞邤D壓工藝和模具設(shè)計(jì)公道性的重要和必要的途徑。運(yùn)用仿真技術(shù)可以實(shí)時(shí)跟蹤鋁型材擠壓金屬的活動(dòng)行為，模擬成形過程，揭示金屬的真實(shí)活動(dòng)規(guī)律和各種物理場量的分布、變化情況，研究各種因素對(duì)金屬變形行為的作用和影響，猜測實(shí)際擠壓過程中可能出現(xiàn)的缺陷，及早優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、調(diào)整擠出工藝參數(shù)和有針對(duì)性的指明技術(shù)解決方案。

    本文對(duì)運(yùn)用專業(yè)鋁型材擠壓仿真系統(tǒng)HyperXtrude進(jìn)行鋁型材擠壓仿真建模的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行具體介紹，以某建筑橫梁幕墻鋁型材為例，運(yùn)用HyperXtrude系統(tǒng)進(jìn)行了仿真求解，最后將仿真結(jié)果與試模結(jié)果進(jìn)行比照分析。

2 HyperXtrude系統(tǒng)進(jìn)行鋁型材擠壓仿真建模的關(guān)鍵技術(shù) 

以下將針對(duì)某建筑幕墻橫梁擠壓模具，創(chuàng)建擠壓仿真模型。

2.1導(dǎo)進(jìn)模具幾何模型

    HyperXtrude系統(tǒng)對(duì)大多數(shù)的3D CAD系統(tǒng)有接口，既支持通用的IGES、STEP、PARASOLID等標(biāo)準(zhǔn)格式的模型，也支持PRO/ENGINEER、UNIGRAPHIC、CATIA等專業(yè)的3D CAD模型。圖1是建筑幕墻橫梁擠壓模具的上模和下模幾何模型。

圖1 幕墻橫梁模具圖

2.2 幾何模型抽取

    HyperXtrude系統(tǒng)是一款以歐拉算法為主的仿真系統(tǒng)，建模時(shí)要求對(duì)材料流經(jīng)的所有區(qū)域劃分網(wǎng)格。在擠壓過程中，材料流經(jīng)擠壓筒——分流孔——焊合室——?？?，最后成形為型材，仿真模型需要對(duì)這幾個(gè)區(qū)域的材料都進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因此，導(dǎo)進(jìn)幾何模型后的第一個(gè)工作，就是從模具中抽取表面，創(chuàng)建這些區(qū)域的材料模型。從上模抽取分流孔內(nèi)的擠壓成形料的幾何表面（定義為component name為Pothole），從下模中抽取焊合室內(nèi)的擠壓成形料的幾何表面(定義component name為Chamber)。通過填補(bǔ)chamber部件上模孔，天生工作帶內(nèi)的擠壓成形料的幾何表面(定義component name為Bearing)。通過拉伸方法直接構(gòu)造棒料的幾何模型(定義component name為Billet)。

2.3 幾何清理

    為了保證單元質(zhì)量，導(dǎo)進(jìn)的幾何模型中不答應(yīng)有間隙、重疊、邊界錯(cuò)位等缺陷，為了進(jìn)步計(jì)算效率，導(dǎo)進(jìn)的幾何模型中也盡量不要包含細(xì)微特征，包括圓角、小孔。因此，在網(wǎng)格劃分錢前，需要對(duì)導(dǎo)進(jìn)的幾何模型進(jìn)行必要的幾何清理工作，這些工作包括移除錯(cuò)位、小孔，壓縮相鄰曲面之間的邊界，消除不表要的細(xì)節(jié)，改善幾何模型的拓?fù)潢P(guān)系，等等。而在有限元分析時(shí)，假如要精確模擬這些微小特征，需要用到很多小單元，導(dǎo)致求解時(shí)間延長，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前需要進(jìn)行必要的幾何清理工作。幾何清理是一項(xiàng)非常重要的工作，公道的幾何清理可以進(jìn)步網(wǎng)格劃分的速度和質(zhì)量，進(jìn)步計(jì)算精度。鋁型材擠壓仿真模型幾何清理的重點(diǎn)是分流孔和分流橋。

圖2 幕墻橫梁仿真模型

2.4 網(wǎng)格劃分

    幾何清理完畢以后，可以在表面模型的基礎(chǔ)上天生體模型，這樣，下一步就可以對(duì)體模型劃分網(wǎng)格了。HyperXtrude系統(tǒng)采用內(nèi)嵌HyperMesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格處理和優(yōu)化功能非常強(qiáng)大、靈活。在對(duì)鋁型材擠壓模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，必須遵循由下到上（即從bearing——Chamber——Pothole——Billet）、由內(nèi)到外（對(duì)空心模而言）、由小到大的原則，先天生面網(wǎng)格，再天生體網(wǎng)格，公道分配單元尺寸，保證網(wǎng)格大小的平穩(wěn)過渡。最后，應(yīng)該對(duì)創(chuàng)建的網(wǎng)格進(jìn)行檢查和優(yōu)化。

2.5 應(yīng)用擠壓成形模板

    創(chuàng)建好網(wǎng)格模型以后，就可以一個(gè)用metal Extrusion Template模板，按照一定的流程進(jìn)行擠壓仿真模型創(chuàng)建和邊界條件的設(shè)置。在這個(gè)流程中，需要指定材料模型、擠壓工藝參數(shù)（包括擠壓速度、料筒直徑、棒料溫度，等等），系統(tǒng)會(huì)根據(jù)指定的擠壓料模型自動(dòng)天生邊界條件和指定默認(rèn)的邊界參數(shù)；我們可以隨后利用Check Undefined BC命令修改邊界條件和參數(shù)。

2.6 天生GRF文件和提交計(jì)算

    天生好仿真模型后，可以利用Parameters命令設(shè)置求解參數(shù)，最后天生grf和tcl文件，提交計(jì)算。圖2是幕墻橫梁的擠壓仿真模型（為增加可視性，模型中隱躲了網(wǎng)格）。

3 模型求解及結(jié)果分析 

采用如表1所示的擠壓參數(shù)，對(duì)該擠壓過程進(jìn)行仿真求解，這些參數(shù)均取自實(shí)際的擠壓生產(chǎn)工藝。

表1 擠壓仿真參數(shù)

圖3 分流孔和焊合室內(nèi)的材料流速分布圖

圖3是從上模分流孔進(jìn)口處到焊合室底部沿Z向所截取的四個(gè)截面，結(jié)果顯示3號(hào)分流孔內(nèi)的金屬流速較快，1號(hào)和5號(hào)分流孔內(nèi)的金屬流速較慢。

圖4 鋁型材出口流速分布圖

圖4是型材出口流速分布圖，結(jié)果顯示1號(hào)分流孔隨對(duì)應(yīng)的位置型材出口速度太快，空心結(jié)構(gòu)周邊的流速不均勻。

圖5 鋁型材出口變形圖

圖5是鋁型材變形圖，結(jié)果顯示變形最大的部分是金屬流速最快的部分，由于該處金屬流速過快，導(dǎo)致型材向內(nèi)面凹陷。

圖6 試模料頭

圖6是該模具的試模料頭，結(jié)果顯示，中間部位流速過快，與圖3所示的型材出口流速圖非常吻合。

圖7 試模料身

圖7是試模料身，料身平面度丈量結(jié)果顯示，橫梁的中間部位向內(nèi)側(cè)凹陷，與仿真分析的結(jié)果一致。

    依據(jù)以上的分析結(jié)果，由于3號(hào)分流孔的流速過快，導(dǎo)致型材出口對(duì)應(yīng)位置的型材流速過快，也導(dǎo)致了型材的變形，應(yīng)該調(diào)整1號(hào)分流孔的大小，降低該處的型材流速。

4 結(jié)論 
鋁型材擠壓的高溫、高壓、封閉等特征給物理和實(shí)驗(yàn)研究帶來了很多不便，薄壁、復(fù)雜大擠壓比等特征也給擠壓工藝和模具的設(shè)計(jì)帶來了很多困境，仿真技術(shù)是研究鋁型材擠壓成形機(jī)理、優(yōu)化鋁型材擠壓工藝和模具結(jié)構(gòu)、檢驗(yàn)擠壓工藝和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)公道性的重要和必要的途徑。本文具體介紹了運(yùn)用專業(yè)鋁型材擠壓仿真系統(tǒng)HyperXtrude進(jìn)行鋁型材擠壓仿真建模時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)，以某建筑橫梁幕墻鋁型材為例，運(yùn)用HyperXtrude系統(tǒng)對(duì)構(gòu)建的橫梁幕墻擠壓仿真模型進(jìn)行求解，獲得了分流孔型材流速、型材出口流速和型材變形分布情況。

應(yīng)用結(jié)果顯示，HyperXtrude系統(tǒng)能夠方便快捷的構(gòu)建鋁型材擠壓仿真模型，求解速度快，求解結(jié)果能正確的反應(yīng)的實(shí)際情況。公道、科學(xué)的應(yīng)用該軟件必將對(duì)指導(dǎo)鋁型材擠壓工藝和模具設(shè)計(jì)、減少試模次數(shù)、進(jìn)步設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量、節(jié)省本錢、進(jìn)步經(jīng)濟(jì)效益具有重要價(jià)值意義。