铝型材挤压成形过程金属流动状态的数值模拟

铝合金挤压过程是一个处在高温、高压、复杂摩擦状态等复杂条件下的金属流动成形过程。铝合金型材挤压成形工艺中理想的材料流动结果应该是在工作带出口处断面上各质点的速度均匀分布，进而获得端面平齐、壁厚均匀、产品性能能够满足需要的挤压件。

　　金属的流动状态对产品尺寸有很大影响，一般情况下，金属流动快的部位材料供应充足，型材壁厚是增大的，而金属流动慢的部位材料供应不足，型材壁厚是减小的^[1]。因此，在模具设计中，金属流动状态对产品尺寸的影响也是必须考虑的。在组合分流模中，由于分流孔的形状、布置以及分流桥的结构是影响材料分配的重要因素，因此，分流模中各个位置金属的流动状态所引起的产品尺寸不合格的情况尤为常见。其解决方法是：设法改善金属在模腔内的流动状态，例如改变分流孔的大小和布置、桥的结构形式都有助于改善金属在模腔内的分配，尽量使空心部分的几何中心与模具中心一致，壁厚较大的实心部分尽可能安排在桥底；另外，在合理布置分流孔的前提下，工作带的选择也可以有效调整金属流速^[1-4]。

　　本文利用HyperMesh对一复杂空心型材划分网格，并采用MSC.Marc对挤压成形过程进行数值模拟，在模拟过程中采用了一种既可以避免网格畸变和重划分，又能保证分析准确性的有限元模拟方法，通过模拟结果研究了金属在模腔内的流动规律，揭示了金属的流动速度对产品形状及尺寸的影响，并将模拟结果与试模结果进行比照分析。

　铝合金型材挤压成形过程是一个非常复杂的热-机耦合的弹塑性变形过程，但塑性变形远大于弹性变形，因此忽略材料的弹性变形，而将其看作刚塑性材料来处理。刚塑性材料在塑性成形过程中应满足平衡方程、几何方程、本构方程、屈服准则、体积不可压缩条件及力和速度边界条件。而用有限元法模拟非线性的铝型材挤压过程时，由于变形量大，会不断发生网格畸变，需要进行网格重划分，这样不但耗时，损失计算精度，而且过度畸变的网格在重划分时往往出现失败，使得模拟无法完成^[5-7]。

　　为解决拉格朗日有限元法在计算大变形挤压成形过程中发生的网格畸变和重划分问题，本文设定很小挤压时间和计算步长，将整个计算过程控制在网格由于过度畸变而需要网格重划分之前，大大提高了计算精度。