幕墻立柱是鋁合金建筑材料中最為常見(jiàn)的一種型材，是幕墻受力的支撐框架，在幕墻中起到重要的作用，也是幕墻材料生產(chǎn)中最難生產(chǎn)的一種。一個(gè)幕墻工程訂單的生產(chǎn)經(jīng)常因?yàn)槟硞€(gè)幕墻立柱沒(méi)有完成而拖慢整個(gè)工期。所以?xún)?yōu)化幕墻立柱材料的生產(chǎn)對(duì)于建筑用鋁合金有重要的意義。

Altair公司的HyperXtrude擠壓分析軟件通過(guò)建立擠壓模具的有限元模型，模擬整個(gè)擠壓過(guò)程，并很好的分析擠壓模具的受力情況?？茖W(xué)地了解擠壓模具在生產(chǎn)時(shí)受到的擠壓力以及應(yīng)力分布情況。通過(guò)HyperXtrude軟件分析優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，找到合適的模具結(jié)構(gòu)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高模具強(qiáng)度和擠壓效率，降低擠壓成本，縮短整個(gè)鋁合金產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的目的。
幕墻立柱類(lèi)模具，通?？缍容^大，模具強(qiáng)度不好，在上機(jī)生產(chǎn)一段時(shí)間后，模具容易變形甚至開(kāi)裂，造成生產(chǎn)不穩(wěn)定或者模具直接報(bào)廢。使用HyperXtrude擠壓分析軟件分析不同設(shè)計(jì)方案找到優(yōu)化的模具設(shè)計(jì)方案，提高模具的使用效率。

2 幕墻立柱類(lèi)模具的優(yōu)化過(guò)程

2.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選定一個(gè)典型的幕墻立柱類(lèi)模具，通過(guò)計(jì)算該模具的強(qiáng)度分布情況了解該類(lèi)模具強(qiáng)度較差的根本原因，模具初始設(shè)計(jì)方案如圖1所示。在保證模具厚度和模橋?qū)挾炔蛔兊那闆r下修改模具結(jié)構(gòu)，借助HyperXtrude重新分析不同的設(shè)計(jì)方案，比較不同分析結(jié)果，得到較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，從而達(dá)到優(yōu)化擠壓模具設(shè)計(jì)的目的。

2.2 初始傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析

根據(jù)初始設(shè)計(jì)方案建立精確的三維模型（圖2）。把三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件HyperXtrude中，建立有限元模型（圖3），在軟件中設(shè)定好相應(yīng)的擠壓工藝參數(shù)如表1，提交有限元分析計(jì)算。通過(guò)后處理軟件HyperView可得到如表2所示的結(jié)果。

圖為：幕墻立柱鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)方案及三維模型圖

圖3  有限元分析模型

該鋁型材的實(shí)際擠壓工藝參數(shù)如表一所示：

表1 幕墻立柱鋁型材擠壓工藝參數(shù)

初始設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果如下所示：

表2 初始方案計(jì)算結(jié)果

HyperXtrude軟件對(duì)初次設(shè)計(jì)的幕墻立柱鋁型材模具仿真分析結(jié)果
 

根據(jù)分析結(jié)可以知道，該模具的型材流速范圍在max=138mm/s到min=73mm/s，型材變形在0.48mm，模具最大應(yīng)力值在702MPa，模具變形量在0.37 mm。該分析結(jié)果表明模具強(qiáng)度偏落，我們分析設(shè)定的預(yù)定模具強(qiáng)度最大許用值為800 MPa，模具變形值為0.37 mm，設(shè)定的許用變形最大值為0.3mm。故造成模具強(qiáng)度偏落，容易變形生產(chǎn)不穩(wěn)定等缺陷。

2.3優(yōu)化模具的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

根據(jù)分析結(jié)果，在保持該模具模橋的寬度和模具厚度不變的前提下，重新設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，得到新的模具結(jié)構(gòu)如下（圖4），對(duì)該模具進(jìn)行重新建模，建立有限元分析模型，按照前面相同的擠壓工藝分析新結(jié)構(gòu)的擠壓過(guò)程，可得到如下的分析結(jié)果（表3）

圖4  新的HyperXtrude對(duì)幕墻立柱鋁型材模具結(jié)構(gòu)圖

表3  新的模具分析結(jié)果

圖為：HyperXtrude軟件對(duì)改良后的幕墻立柱鋁型材模具仿真分析結(jié)果

根據(jù)表3的結(jié)果分析可以知道，新模具擠壓的型材流速范圍在max=122mm/s到min=81mm/s之間，型材變形在0.18mm，模具最大應(yīng)力值在558Mpa，模具變形量在0.28 mm。對(duì)比初始設(shè)計(jì)方案的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，型材出口流速范圍縮小，模具應(yīng)力值下降，模具變形也有明顯的減小。證明新的設(shè)計(jì)方案在數(shù)值上有比較明顯的改善，理論上是可行的。

2.4 比較兩種設(shè)計(jì)方案的實(shí)際擠壓結(jié)果

通過(guò)對(duì)兩種的模具實(shí)際上機(jī)擠壓結(jié)果的跟蹤，原來(lái)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的擠壓通過(guò)量為6.2噸，之后出現(xiàn)型材質(zhì)量不穩(wěn)定，偏壁厚情況嚴(yán)重，把模具卸下堿洗后發(fā)現(xiàn)模具橋位出現(xiàn)裂紋如下如圖5所示。而新的設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)正常，通過(guò)量為12噸，模具報(bào)廢的原因是工作帶磨損尺寸超差。

 3 結(jié)論

大部分鋁合金幕墻擠壓模具跨度都比較大，通過(guò)Altair公司的HyperXtrude軟件計(jì)算仿真分析發(fā)現(xiàn)這類(lèi)模具特別是大幕墻立柱型材模具都有強(qiáng)度差的共性，造成實(shí)際擠壓不穩(wěn)定，成品率低，模具容易開(kāi)裂的問(wèn)題。優(yōu)化后的模具方案重新分析比較，強(qiáng)度更好，能更快速生產(chǎn)出合格鋁型材產(chǎn)品，提高鋁型材擠壓效率，降低擠壓模具和鋁型材擠壓的生產(chǎn)成本。

1. 試驗(yàn)結(jié)果表明，幕墻立柱類(lèi)型材的模具把模橋設(shè)計(jì)在角部位，模具強(qiáng)度偏差，把橋放在中間，強(qiáng)度有比較明顯的改善。

2. 基于有限元分析軟件HyperXtrude平臺(tái)，對(duì)擠壓模具強(qiáng)度進(jìn)行有限元模擬的方法，可以用于優(yōu)化擠壓模具強(qiáng)度。實(shí)際證明，借助HyperXtrude擠壓分析軟件優(yōu)化模具設(shè)計(jì)的方法是可行的，優(yōu)化結(jié)果是有效的。

3. 實(shí)際擠壓結(jié)果表明：合理的模具結(jié)構(gòu)，不僅可以提高模具強(qiáng)度，而且有效地提高了擠壓材料通過(guò)量并節(jié)約成本。