hyperxtrude仿真模拟在轨道交通铝型材挤压模具设计中的应用-Altair Inspire Extrude Metal-挤压仿真-软服之家

随着城市化进程不断加快，轨道交通系统日益重要。在构建高效可靠的轨道交通系统时，轻量化和材料选型显得尤为重要，因为其安全性、运营成本、舒适度等方面都受到影响。铝合金因其轻质、结构强度高、成形性好等优点被广泛应用于轨道交通领域，而铝型材的挤压成形则是最常见的生产方式之一。

对于铝型材挤压成形工艺，其挤压模具的设计直接关系到产品品质和成本。传统的手工制作方法会耗费大量时间和精力，并且很难保证达到高精度、高品质的目标。为了解决这些问题，hyperxtrude仿真软件应运而生。

hyperxtrude仿真软件是美国altair公司开发的有限元分析软件，它可以用于铝合金挤压成形的虚拟仿真，帮助工程师和设计人员预测并解决铝型材挤压过程中的各种难题。该仿真软件可以通过对物料流动、应力分布、温度变化等关键参数进行求解和优化，快速评估和改善挤压模具的设计方案，降低试验成本和生产周期，并且提高产品质量和成形效率。

1 模拟过程
1.1 型材断面
该断面为轨道交通车体型材，断面宽550 mm，高40 mm，上下表面为弧形，型材共有8个空腔，薄筋壁厚2 mm，型材截面如图1所示。型材的弧面间隙和壁厚尺寸控制是难点。该断面形状左右对称，对金属流动有一定的好处，均衡宽断面上每处的金属流速是模具设计时要考虑的重点问题。

图1 型材截面

1.2 模具设计
1.2.1 设计方案的确定

根据该断面外形尺寸和模具设计经验，采用φ900 mm×320 mm规格模具，制定了两种模具设计方案，见表1。

表1 φ900 mm×320 mm规格模具的设计方案

方案一二上模厚度/mm190200下模厚度/mm130120
考虑到上模厚度厚会增大挤压力，下模厚度薄对于抵消模孔变形较为不利。故确定选择方案一。

1.2.2 模具分流孔、分流桥的设计

根据型材左右对称的特点，模具分流孔左右对称布置，上下不对称，在正中间直筋处布置了分流桥。模具两侧设计了分流孔，以保证供料充足。中部直筋位置下侧设计了分流桥，加大、加深了引流槽以保证直筋供料。分流孔和分流桥的设计如图2所示。

图2 模具上模

1.2.3 模具焊合室、工作带的设计

模具设计使用二层焊合室，具体形式见图3所示。模具工作带形式见图4。

图3 模具下模

图4 模具工作带(一侧)

1.3 建立数值模拟分析模型
采用专业数值模拟分析软件HyperXtrude对型材挤压过程进行数值模拟分析，建立挤压材料流动区域的分析模型，具体由铸锭、分流孔、焊合室、工作带组成，如图5所示。

图5 模具分析模型三维图

将建立的模具模型导入模拟分析软件，进行网格划分。划分网格时要保证工作带处最少4层网格，以便准确分析工作带处金属流动情况，型材高度至少为2倍工作带长，以便准确反映型材出口变形。最终分析模型的三维网格数量为240万个单元，如图6所示。

图6 模具分析模型网格图

1.4 仿真模拟结果分析
对生成的三维网格模型设定相关挤压工艺参数(如表2)后导入求解器进行求解运算。经过约14 h运算后，结果显示，模型的挤压力约74.7 MN，出口处各点流速见图7。出口处型材各点温度见图8。

表2 挤压模拟工艺参数

型材代号合金-状态挤压系数铸锭温度/℃铸锭规格/mm挤压速度/(mm·s-1)模具温度/℃EDSS-002156005A-T633.2500Φ450×10001.5470

图7 模拟挤压出口处流速图

图8 模拟挤压出口温度分布

在挤压成形过程中，型材出口断面速度是否均匀，直接影响型材的质量。如果型材截面上的各部分金属挤出模孔时速度不均匀，型材会产生扭拧、波浪等缺陷，甚至会损坏模具。因此，材料流动状态对于挤压生产至关重要。为了准确地描述型材截面上的速度均匀程度，选取金属流速均方差Fsdv 作为判断流速差异大小的依据：

式中:

vi—考察截面上i节点处的流动速度；

v—所有考察节点的平均速度；

大型复杂的宽薄壁空心铝型材已在轨道交通列车车厢中广泛应用，该类型材具有外接圆大、宽厚比大、平面间隙要求严格、断面形状复杂等特点，给模具设计带来较大的困难。挤压模具设计不良容易导致挤出的型材出现拉裂、波浪、扭拧、弯曲和焊合不良等缺陷，严重时不能成型[1]。近年来，金属塑性成型的数值模拟技术在型材挤压加工领域得到广泛应用。采用数值模拟技术，可以预测跟踪金属的流动行为，判断挤压过程中可能出现的缺陷；根据型材的形状和金属的流动规律，进行模具结构优化和工艺参数调整，从而提高模具设计的质量和效率。文献[2]对空心铝型材的挤压成型过程进行了仿真模拟。文献[3]以壁厚为0.8 mm的薄壁铝型材为例，对挤压模具设计及挤压工艺进行仿真模拟，实现了虚拟试模。文献[4]对空心带弧度异形型材初始模具设计进行数值模拟。本文作者对宽展薄壁轨道交通型材模具方案进行了设计，采用基于ALE算法的HyperXtrude模拟分析软件，对宽展薄壁轨道交通型材的挤压过程进行了模拟分析，并将模拟结果与模具实际试模情况进行对比，验证了模拟结果的准确性和可参考性。

Fsdv 越小，金属的挤出速度越均匀，型材变形越小，质量越好；反之，挤出型材变形就越大，难以满足质量要求。

通过图7可以看出，型材两侧的流速较中部快(颜色越深流速越快)。其中型材槽口红色区域流速最快，最大值为20.6 mm/s。型材中部筋处流速最慢，最小值为3.0 mm/s。

通过图8可以看出，型材两侧的流速快，温度也高，最高为570℃。型材中部温度较低，最低为505℃。

2 模具上机试模验证
分别从突破挤压力、稳定挤压力、试模料头料样、型材尺寸等方面对两种模具的上机试模情况进行对比。试模工艺参数与表2的相同。

模具试模突破挤压力约78 MN，稳定挤压力约64 MN。可以看出，不论是突破挤压力还是稳定挤压力，都相对较高。这与自制模具分流孔数目多、桥高度较高有一定关系。另外模具在模拟挤压时的挤压力计算结果为74.7 MN，与实际值78 MN比较接近，说明模拟挤压结果较好地反映了挤压力的情况，试模压力曲线见图9。试模挤压料头、料样见图10和图11。

图9 试模挤压压力曲线图