城市轨道交通铝合金车体型材挤压仿真技术研究.pdf

第４卷第２期２０１０年６月材料研究与应用ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴｌ０ＮＶ０１．４，Ｎｏ．２Ｊｕｎ．２０１０——文章编号：１６７３－９９８１（２０１０）０２０１３２０５城市轨道交通铝合金车体型材挤压仿真技术研究＊’梁奕清１，吴锡坤１，黄珍媛１２（１．广东兴发铝业有限公司，广东佛山５２８０６１Ｉ２．华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州５１０６４１）摘要：城市轨道交通铝合金车体型材具有复杂大截面、薄壁、扁宽等特征，为降低综合成本，本文采用——ＨｙｐｅｒＸｔｒｕｄｅ仿真软件对型材生产的核心技术挤压模具设计及挤压工艺进行仿真分析技术研究．结果表明，挤压仿真软件可预见挤压铝金属流速场、温度场及应力场等多物理场参量，减少试模次数，降低综合成本，向虚拟试模迈出关键的一步。实现了挤压仿真技术在城市轨道交通铝合金车体型材挤压工艺及模具设计中的创新性应用．关键词：城市轨道交通，铝合金车体Ｉ型材Ｉ挤压仿真中图分类号：ＴＧ３７６文献标识码：Ａ铝合金车体具有重量轻、耐腐蚀、高可焊性、外观平整度高、易于进行表面处理、金属可循环再利用“”等优点，符合安全、可靠、快速、轻量、经济、适用的要求ｍ】，越来越受到世界各国铁道运输、城市轨道交通部门的欢迎．用于制造城市轨道交通铝合金车体的型材结构复杂、制造困难，其中车体型材模具设计及挤压成形”技术是关键技术睁．本文将挤压仿真技术引进到大型复杂铝合金车体型材挤压模具设计与挤压工艺中，以突破关键技术，提高技术水平和生产效率，降低能耗和生产成本．１试验方法１．１模具设计及挤压仿真软件在对铝合金车体型材产品需求进行研究分析的基础上，采用ＡｕｔｏＣＡＤ进行铝合金车体型材截面和挤压模具结构设计，采用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ进行挤压模具三维建模．采用ＨｙｐｅｒＸｔｒｕｄｅ进行挤压仿真分析，该仿真软件采用任意拉格朗日一欧拉（ＡｒｂｉｔｒａｒｙＬａｇｒａｎｇｅ－Ｅｕｌｅｒ，ＡＬＥ）算法，将材料速度和网格速度分开定义，空间网格可以设置成运动的，也可以设置成固定的，通过选择网格的运动形式，可任意指定是使用Ｌａｇｒａｎｇｅ描述还是Ｅｕｌｅｒ描述来求解挤压成形问题．仿真分析模型单元多达１９４万个．１．２挤压仿真工艺流程本研究所采用的挤压计算机仿真技术路线如图１所示．该路线主要包含如下步骤：２ＤＣＡＤ设计一模具３Ｄ实体建模、仿真３Ｄ有限元建模一挤压仿真分析（ＦＥＡ）一模具制造一试模一挤压生产．传统的铝型材挤压模具开发主要包括：２Ｄ－ＣＡＤ设计一模具制造一反复试模、修模一挤压生产（图２），通过反复试模和修模来获得合格的挤压模具．模具的材质选用Ｈ１３钢．由于铝合金车体型材的订单量比较大，同种型号的型材需开多套模具，而每套模具的成本超过１０万元，因此，为了降低由于模具设计制造的失误所造成的经济和时间成本，同时在实际工程应用中验证ＨｙｐｅｒＸｔｒｕｄｅ挤压仿真软件，积累软件在工程应用中的经验，提高模具设计的理论水平，本研究在开发第１套铝合金车体型材挤压模具期间，实行将图１与图２两条技术路线并—收稿日期：２００９－０９１６・基金项目：广东省教育部产学研结合专项资金项目（２００６Ｄ９０４０４０１３）．佛山市掸城区科技开发专项资金项目（２００７Ａ１００４）作者筒介：粱奕清（１９７８一）．男。广东茂名人．工程师。学士．万方数据第４卷第２期梁奕清，等：城市轨道交通铝合金车体型材挤压仿真技术研究１３３修改方案—型材截面设计（２ＤＣＡＤ）挤压模具设计（２Ｄ－ＣＡＤ）—模具实体建模（３ＤＣＡＤ）仿真有限元建模（ＣＡＥ）挤压仿真分析（ＦＥＡ）模具制造（ＣＡＭ）行的策略，对其进行对比实验研究，成功开发出第１套模具后，再批量制造其余模具，有效地控制了技术风险和成本风险．１．３挤压试验在６５００Ｔ卧式挤压机上，用所制造的挤压模具对Ｄ３８５ｍｍ的６００５Ａ铝合金铸棒进行挤压试验，挤压时在型材出口处进行在线水冷淬火，最后进行人工时效热处理．挤压试验的工艺参数为：挤压速度３ｍｍ／ｓ，挤压比１７．铝合金铸棒、挤压模具与挤压筒的预热温℃℃℃度分别为４７０，４５０与４２０，铝合金材料与模具之间的摩擦系数为０．３－－一０．４．型：墼墨卜．叫兰垦型ｌ２结果与分析批量挤压，交货图１车体铝型材挤压仿真技术路线图Ｆｉｇ．１Ｒｏａｄｍａｐｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒ—ａｌｕｍｉｎｕｍｃａｒｂｏｄｙｐｒｏｆｉｌｅ田２传统铝型材挤压技术路线图Ｆｉｇ．２Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｌｕｍｉｎｕｍｐｒｏｆｉｌｅ２．１铝合金车体型材结构分析图３是某城市轨道交通铝合金车体型材截面图，该型材具有如下特点：（１）型材截面的最大宽度超过５００ｍｍ，壁厚差距比较大，扁宽特征明显，型材的线密度超过２０ｋｇ／ｍ，交货长度１０＂．－３０ｍ，需要大型挤压机才能挤压生产．（２）该型材属于大型中空多腔体薄壁结构，需采用复杂的分流组合模具．（３）由于采用６００５Ａ中高强度铝合金进行挤压，使在线水冷变形、强度性能控制的难度较大．图３城市轨道交通铝合金车体型材截面图（ａ）型材截面图；（ｂ）实物照片Ｆｉｇ．３Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｕｒｂａｎｔｒａｃｋｔｒａｆｆｉｃａｌｕｍｉｎｕｍ—ａｌｌｏｙｃａｒｂｏｄｙｐｒｏｆｉｌｅ２．２铝合金车体型材仿真分析对该铝合金车体型材进行仿真分析，在第一次万方数据材料研究与应用２０１０仿真分析的基础上，又进行了两次模具结构优化，结构优化方法列于表１．表２是模具结构优化后型材的流速结果统计．表３是第２次结构优化后模具的高温工作状态指标．表１铝合金车体型材挤压仿真实证对比Ｔａｂｌｅ１Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｖｅｒｉｆｙｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｃａｒｂｏｄｙｐｒｏｆｉｌｅ由表１可见，ＨｙｐｅｒＸｔｒｕｄｅ挤压仿真分析结果与实际试模结果一致，仿真分析结果可以采信，将其应用于设计大型复杂铝合金型材挤压模具中可以大大减少试模的次数．裹２铝合金车体型材仿真分析流速结果统计Ｔａｂｌｅ２Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｌｕｉｄｆｉｅｌｄｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｃａｒｂｏｄｙｐｒｏｆｉｌｅ４３．４５８＂－－２５．０１７６５．０６９＂－４５．３０６２２１．２１～１８３．７７９３４０．５２７～２６２．７８９●●●●●●●●●●●●●●●●●Ｉ＿－－Ｉ＿＿ｌ－－＿＿＿－－－－＿＿＿ｌ＿－－＿－－－＿＿＿＿＿－－＿＿－＿＿一，＿－Ｉ－＿－－＿－＿－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿－＿＿－－－－＿－＿＿＿－－－－－＿－－－Ｉ＿－－－＿－－＿－－＿－－－＿＿一由表２可见，经过模具结构及挤压工艺的优化之后，挤压时模具中的铝合金流速分布比较均匀，型材料头的整体变形及严重偏差已经消除，说明优化方案是有效的．裹３铝台金车体型材挤压模具高温工作状态指标Ｔａｂｌｅ３ＨｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｏｒｋｓｔａｔｕｓｉｎｄｉｃｅｓｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｏｆａｌｕｍｉｎｕｍＣａｒｂｏｄｙｐｒｏｆｉｌｅ℃由表３可见，模具的最高温度为５８４．１，最高应力为６０７．８℃ＭＰａ，Ｈ１３模具钢在６００时的抗拉强度和屈服强度分别为９４６ＭＰａ和８３４‘ＭＰａ。１，由此可判断该模具结构受力安全（图４）．２．３挤压仿真工艺的技术经济分析将挤压仿真方法与传统方法进行了技术经济指标的分析对比，结果列于表４．万方数据第４卷第２期梁奕清，等：城市轨道交通铝合金车体型材挤压仿真技术研究１３５图４铝合金车体型材挤压模具强度校核Ｆｉｇ．４Ｓｔｒｅｎｇｔｈｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｃａｒｂｏｄｙｐｒｏｆｉｌｅ表４铝合金车体型材挤压仿真工艺技术经济指标对比Ｔｅｂｌｅ４Ｔｅｃｈｎｏ－ｅｃｏｎｏＴｉｃｉｎｄｉｃｅｓａｎａｌｙｓｉｓｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ由表４可见，与传统方法相比，挤压仿真方法可避免模具设计与制造过程中的盲目性，显著提高效率，降低成本，但软硬件条件的建设及人员的培训等方面需要超过百万元的前期投入．目前，挤压仿真方法虽然还不能完全取消试模，但可在模具制造之前预测、分析模具设计方案存在的问题，并及时对其进行修正、优化，向虚拟制造靠近，避免模具大修或者报废的风险，显著减少试模次数、缩短工期，降低能耗，避免模具设计开发的盲目性，这在设计开发大型复杂模具中显得非常重要．３结语利用挤压仿真技术，提高了城市轨道交通铝合金车体型材挤压模具的设计与挤压工艺的效率，大大减少了试模次数，缩短了工期，降低了能耗，实现了仿真技术的创新性应用．对挤压仿真技术进行深入开发和工艺性研究，“”最终实现零试模是设计制造大型复杂模具所追求的目标．参考文献：［１３王炎金，丁国华。王俊玖．铝合金车体制造技术在中国的发展现状和展望口］．焊接，２００４（１０）ｔ５－７．［２］叶朋飞，王煜，吕庆玉，等．高速列车车体用铝合金型材的生产工艺［Ｊ］．轻合金加工技术，２００９，３７（３）。４０－４３．［３］何永强，刘丰芹，何清和。等．机车车体常用金属材料分析口］．电力机车与城轨车辆．２００６。２９（１）ｔ２７－２９．［４］员华，邹鹏．不锈钢车体与铝合金车体的现状及发展［Ｊ］．都市快轨交通。２００８，２１（３）：８９－９１．［５］张志华．动车组铝合金车体结构强度分析［Ｄ］．北京：北京交通大学，２００７．［６３周建乐．王军．地铁车辆铝合金车体的设计［Ｊ］．城市轨道交通研究，２０００（２）ｌ５３－５６．［７］王慧玲．高速铁路客车铝合金车体的研究［Ｄ］．大连ｔ大连铁道学院，２００３．［８］许发樾．实用模具设计与制造手册［Ｍ］．北京ｔ机械工业出版社，２００１１１３３１．万方数据１３６材料研究与应用２０１０ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｕｒｂａｎｔｒａｃｋｔｒａｆｆｉｃａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｃａｒｂｏｄｙｐｒｏｆｉｌｅＬＩＡＮＧＹｉ－ｑｉｎ９１．ｗＵＸｉ－ｋｕｎｌ。ＨＵＡＮＧＺｈｅｒ卜ｙｕａｎｌ，。（１．ＧｕａｎｇｄｏｎｇＸｉｎｇｆａＡｌｕｍｉｎｉｕｍＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＦｏｓｈａｎ“５２８０６１。Ｃｈｉｎａ，２．ＳｏｔｈＣＪｌｉ棚Ｕｈｉ螂缸ｙｏ，’ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＧｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４１。Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｕｒｂａｎｔｒａｃｋｔｒａｆｆｉｃａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｃａｒｂｏｄｙｐｒｏｆｉｌｅｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｓｕｐｅｒ－１０ｎｇｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｌａｒｇｅｓｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｉｎｗａｌｌ，ｆｌａｔａｎｄｗｉｄｅａｎｄｓｔｒｉｃｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｄｉｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｐｒｏｆｉｌｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｒｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈｏｆｔｈｅ—ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｏｗｅｒｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏｓｔ，ｔｈｅＨｙｐｅｒＸｔｒｕｄｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｉＳｕｓｅｄｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｅｘｔｒｕｓｉｏｎ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣＯｕｌｄｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｆｌｕｉｄ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｔｒｅｓｓ，ｅｔｃ．，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｈｅｌｐｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇｏｆｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｉｅ—ｖｉｓＨａｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ｒｅａｌｉｚｉｎｇｉｔｓｉｎｎｏｖａｔｉｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｄｉｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｕｒｂａｎｔｒａｃｋｔｒａｆｆｉ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