鋁型材壁板擠壓模具結構優(yōu)化設計研究.pdf

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

2、板擠壓模具型腔的優(yōu)化設計，取得了一些有重要意義的結論和對實際應用有指導作用的成果。 首先基于復變函數共形映射原理，把映射函數——Schwarz-Christoffel積分，從物理學、電磁學應用領域，引入到塑性加工過程分析中，將擠壓入口、出口多邊形形狀映射到一單位圓周上，提出復雜型材擠壓模具型腔映射建模思路。完整推導了Schwarz-Chdstoffcl積分的兩步求解過程，針對映射精度問題，提出凸凹分級展開求解技術，借助MATLA

3、B平臺，開發(fā)許氏積分快速求解模塊。在實現(xiàn)簡單多邊形與單位圓映射函數求解的基礎上，利用該積分完成復雜多邊形壁板(矩形、梯形、工字形)與單位圓之間映射函數的求解，將復雜多邊形問題轉化為單位圓問題。 根據上限理論，建立鋁合金圓棒料擠壓成形的流動模型，推導坯料在五種不同形狀型腔下變形時的動可容速度場、應變速率場及上限功率的表達式。以降低擠壓能耗為優(yōu)化目標，對成形過程進行優(yōu)化，獲得最低能耗下的型腔高度。在此基礎上，結合流體力學理論，引入流

4、函數方程，建立基于流曲線的壁板擠壓過渡曲面邊界條件，得到擠壓模具型腔“流線型”數學模型，完成復雜截面壁板型材擠壓的“流線型”過渡曲面建模。 借助數值模擬軟件，采用二維彈塑性和三維剛塑性有限元方法分別對鋁合金棒料及復雜壁板擠壓過程進行模擬，驗證不同模具型腔對擠壓過程的影響，獲得材料成形時金屬位移場、速度場、應力-應變場和溫度場的分布情況，深入分析壁板成形時的金屬流動規(guī)律。此外，選取擠壓中心等與擠壓過程密切關聯(lián)的因素，討論其對擠壓過

5、程的影響，獲得了一些有用的結果。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、降低成形載荷和提高制件質量上都存在較大優(yōu)勢。 由于生產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，對扁擠壓筒進行結構優(yōu)化設計，將有限元法(FEM)、人工神經網絡(ANN)和多目標遺傳算法(MOGA)運用到扁擠壓筒結構優(yōu)化中，綜合考慮扁擠壓筒最佳工作性能和內腔的尺寸精度，建立變過盈量下三層組

6、合式扁擠壓筒結構的多目標優(yōu)化模型，獲得滿足約束條件下的扁擠壓筒各層結構參數。同時，以梯形鋁合金壁板擠壓成形為例，結合試驗設計(DOE)、響應面設計(RSM)和遺傳模擬退火算法(GSA)，從降低成形載荷和提高壁板質量角度，對影響擠壓過程的重要工藝參數--擠壓速度v、定徑帶長度l、模具溫度T1進行多目標優(yōu)化設計，獲得滿足條件下的最佳成形工藝參數。 最后采用光塑性試驗方法分析了梯形壁板“流線型”擠壓成形過程，實驗獲得光塑性模型材料最佳