热挤压模具的有限元分析

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倪正顺 帅词俊 钟掘
(中南大学 机电工程学院 长沙410083 株洲工学院机械工程系，株洲 412008)

摘要: 利用有限元法对热挤压模具体内各节点的应力值进行了计算和分析，结果表明:模具体内应力集中较明显，且在此部位极易形成裂纹。通过对模具结构尺寸的优化设计，改进后的模具体内最大应力下降32 .2，从而延长了模具的使用寿命。
关键词: 热挤压模具;有限元法;优化
  热挤压模具是生产各类型材的主要部件，它的结构形式、各部分结构尺寸及所用材料对挤压力、金属流动的均匀性、制品的尺寸稳定性以及自身的使用寿命影响极大。热挤压模具在高温、高压下承受剧烈的摩擦、磨损，极易发生桥裂、塌陷、舌芯偏移或断裂、热疲劳、失稳、磨损、局部变形或局部压塌等形式的失效，挤压模具的寿命一般都很低。   
1 热挤压模具的有限元分析
由于有限元法理论的普遍性以及它对于各种几何形状的适应性，它在预测成形载荷、变形体的形状和尺寸变化、应力应变分布以及确定最佳工艺参数等方面显示出较大的优越性和实用性。在本工程分析中，有限元分析采用的是ANSYS有限元软件包。
本文以方管铝型材热挤压模具为例，用"蒙皮"，技术建立了热挤压模具的三维实体模型(图1)，采用三维10节点四面体结构实体单元和三维结构表面效应单元划分网格建立模具有限元计算模型(图2)，根据模具实际工作物理环境，施加边界约束条件，并建立热应力和结构应力之间的祸合关系，求出模具体内的热一结构等效应力等值图(图3)。


将所有的约束、载荷转化到单元、节点上、求解结果数据保存到数据库中，并输出节点在总体坐标方向的正应力，主应力，等效应力，绘制等效应力等值图。图3是模具等效应力等值图，标记MX的部位为应力最大部位(971号节点)。
由表1可以看出，节点最大应力比第二大值高出了14.5%，应力集中很明显，在此部位最容易产生裂纹，与实际情况完全吻合。



热挤压模具的优化设计


    通过对方管铝型材热挤压模具进行三维有限元计算和分析发现，局部应力集中较明显，是造成模桥断裂的主要原因之一，要想推迟疲劳裂纹的产生，从而提高模具的使用寿命，就应将最大应力降下来。最大等效应力与模具结构尺寸密切相关，本设计以模具主要结构尺寸(图4)为设计变量，以降低最大等效应力为设计目标，对模具结构尺寸进行了优化。
    利用ANSYS优化设计原理，笔者用C语言编写了优化设计程序，程序框图见图5。


    本设计以模具大、小分流孔的半径R1和R2、模具高度H、模桥入口锥角β4和β7为设计变量(图4)，以最大等效应力MAXEQV为目标函数建立热挤压模具优化模型，经过21次迭代计算，最大等效应力MAXEQV由1066.50MPa下降至723.09MPa，下降

    在对热挤压模具进行三维有限元分析之后得知，中模具体内在模桥与模芯相接部位有较明显的应力集中，是造成模具失效的主要原因之一。作者以模具主要结构参数为设计变量，对模具尺寸进行了优化设计，使其最大应力下降了32.2%,从而有效地提高了模具使用寿命。