冷挤压成形过程的有限元分析

冷挤压成形过程的有
限元分析
姓名：某某
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摘要：本文以汽车铝合金缸套作为研究对象，对其挤压成型工艺进行了有限元分析。

研究不同的挤压速度对合金的等效应力、挤压力、等效塑性应变和最大剪切应力的影响。

研究结果表明，在挤压过程中，挤压速度对等效塑性应变和挤压力有明显影响，并且在模具拐角处产生了应力集中。

关键字：挤压速度；有限元分析；冷挤压；铝合金缸套；挤压力。

引言：
在铝合金缸套的成形工艺中，将喷射沉积成形高硅铝合金管挤压成厚壁管是关键性技术。

由于工艺复杂，参数较多，使用传统实验方法，将需要大量的时间、人力、物力，从而导致成本高、制造周期厂长。

采用数值模拟技术则可以很好的解决这一问题。

通过数值模拟，可以对成形过程进行分析，研究不同工艺参数对成形的影响，从而确定工艺参数，继而降低生产成本，极高经济效益。

在金属塑性成形的数值模拟方法上主要有上限元法（Upper Bound Method）、边界元法（Boundary Element Method）和有限元法（Finite Element Method）。

上限元法常用于较为简单的准稳态变形问题；而边界元法主要用于模具设计分析和温度计算；对于大变形的体积成形，变形过程呈非稳态，形状、边界、材料性质等都会发生很大的变化，有限元法可由实验和理论方法给出的本构关系、边界条件、摩擦关系式，按变分原理推导出场方程根据离散技术建立模型，从而实现对复杂成形问题进行数值模拟、分析成形过程中应力应变分布及其变化规律，由此提供较为
可靠的主要成形参数。

ANSYS软件是由美国ANSYS公司研制、开发的大型通用有限元分析软件。

该软件提供了丰富的结构单元、接触单元、热分析单元及其它特殊单元，能解决结构静力、结构动力、结构非线性、结构屈曲、疲劳与断裂力学、复合材料分析、压电分析、热分析、流体动力学、声学分析、电磁场分析、耦合场分析、优化设计等诸多问题，它广泛地应用于国防、航空航天、汽车、船舶、能源、机械电子工程等领域中，是应用最为广泛的有限元软件。

此外，ANSYS具有友好的图形用户界面和强大的二次开发功能，使用方便。

冷挤压是指在冷态下将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。

冷挤压技术是一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术，较多应用于中小型锻件规模化生产中。

与热锻、温锻工艺相比，可以节材30%～50%，节能40%～80%而且能够提高锻件质量，改善作业环境。

目前，冷挤压技术紧固件、机械、仪表、电器、轻工、宇航、船舶、军工等工业部门中得到较为广泛的应用，已成为金属塑性体积成形技术中不可缺少的重要加工手段之一。

二战后，冷挤压技术在国外工业发达国家的汽车、摩托车、家用电器等行业得到了广泛的发展应用，而新型挤压材料、模具新钢种和大吨位压力机的出现便拓展了其发展空间。

日
本80年代自称，其轿车生产中以锻造工艺方法生产的零件，有30%～40%是采用冷挤压工艺生产的。

随着科技的进步和汽车、摩托车、家用电器等行业对产品技术要求的不断提高，冷挤压生产工艺技术己逐渐成为中小锻件精化生产的发展方向。

关键技术：
（1）接触类型
在显式动态有限元分析中，接触类型的选择尤为重要。

选择适当的接触类型，不仅能够得到准确、可信的计算结果，并且能够大大减少计算时间，提高计算效率。

本研究使用*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE进行接触定义。

这种接触类型是采用罚函数算法的自动单面接触，会自动检测模型中的所有接触面并进行接触定义，因此无需手动设置主面和从面。

自动单面接触是LS-DYNA中应用最为广泛的接触类型，在这种类型中，从面一般定义为Part或Part Set ID。

各Part间及自身Part间的接触都考虑。

如果建模精确，该接触类型是可信、精确的。

在自动单面接触中，壳厚偏置总是考虑的，因此建模时不能有初始穿透存在。

这种接触类型的性能随DYNA版本的提高不断改善，同时，这种接触类型也是LS-DYNA官方使用手册所推荐使用的。

（2）自适应网格重划
自适应网格方法是指计算中，在某些变化较为剧烈的区域，如大变形、激波面、接触间断面和滑移面等，网格在迭代过程中
不断调节，将网格细化或重新划分，做到网格点分布与物理解的耦合，从而提高解的精度和分辨率的一种技术。

在LS-DYNA中，自适应网格方法可分为两种：自适应网格细化（h-adaptive）方法和自适应网格重划（r-adaptive）方法。

前者是指单元变形较大时，将单元细分为更小的单元以改善精度的方法；后者是指重新移动和划分单元，将网格节点重新排列，得到时步长内最优纵横比的方法。

本研究采用的是自适应网格重划（r-adaptive）方法。

自适应网格重划包括以下四个步骤：第一，检查网格的变形程度或网格重划时间步长，若超过规定的变形度或达到设定的网格重划时间步长，则停止计算，保存结果；第二，检查需要改变位置的节点，调整节点位置，保证材料约束不变，材料内部节点可自由移动；第三，将保存的结果映射到新的网格上；第四，重新对网格初始化并进行计算。

需要注意的是，虽然LS-DYNA求解器中包含自适应网格的功能，但这项功能在ANSYS/LS-DYNA的前处理中无法实现。

这是目前ANSYS/LS-DYNA软件对LS-DYNA求解器的支持还不够完善而导致的。

因而，需要通过修改K文件来完成此项设置。

不同速度下挤压的相关分析
在冷挤压技术中，影响成形因素有很多，如模具和毛培形状、材料特性、摩擦与润滑、加工温度和速度等工艺参数。

挤压速度的选取对成形的影响至关重要。

本次分析中，采用控制变量法，
挤压速度分别取1mm/s、2mm/s、3mm/s，摩擦系数取定值，研究其对合金挤压力、等效塑性应变、最大剪切应力、等效应力的影响。

挤压行程为20mm时的分析结果如下：
图1速度为1mm/s挤压力云图图4速度为4mm/s等效塑性应变云图图2速度为2mm/s挤压力云图图5速度为1mm/s等效塑性应变云图
图3速度为3mm/s挤压力云图图6速度为1mm/s等效塑性应变云图由图1、图2、图3可知随着挤压速度的增大，最大挤压力值明显增大。

挤压力的最大值发生在凹模、凸模的拐角处和挤压出口处。

离这些点越远，挤压力越小。

由图4、图5、图6可知随着挤压速度的增大，最大等效塑性应变值明显变小。

并且最大塑性应变值发生在挤压出口附近，离挤压出口越远，等效塑性应变值就越小。

图7速度为1mm/s最大剪切应力云图图10速度为1mm/s等效应力云图图8速度为2mm/s最大剪切应力云图图11速度为2mm/s等效应力云图
图9速度为3mm/s最大剪切应力云图图12 速度为3mm/s等效应力云图由图7、图8、图9可知，不同的速度对最大剪切应力的分
布有影响，速度V=2mm/s时的应力分布较均匀；但对最大剪切应
力的值无影响。

由图10、图11、图12可知，不同的速度对应力的分布有影响，速度为2mm/s和3mm/s的应力分布比速度为1mm/s的应力分
布均匀；但随着速度的增大，等效应力的最大值无明显变化。

结论
通过有限元分析，研究不用速度对合金的等效塑性应变、
等效应力、挤压力、最大剪切应力的影响，可以知道挤压速度对
等效塑性应变有明显影响，而对最大剪切应力和等效应力的最大
值并无明显影响，不过对其的分布有明显影响。

综合以上的结果，可以知道，要想获得较好的挤压成形效果，并且提高工作效率，则可以采用2mm/s的挤压速度。

参考文献
【1】王建红，胡仁喜，刘英林. ANSYS 11.0 结构与热力有限元分析实例指导教程.北京：机械工业出版社，
2008.3.
【2】金仁刚. 使用冷挤压技术. 哈尔滨工业大学出版社，2005.
【3】吕建国，胡仁喜.ANSYS 14.0 有限元分析入门与提高.
北京：化学工业出版社,2013.1.
【4】王新荣，初旭宏.ANSYS 有限元分析基础教程.北京：电子工业出版社,2011.4.。